CN109459012A - 一种光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置及方法，其中，调整装置包括光探测器、主电路板和相位调制器；所述主电路板包括模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及输出串口；调整方法包括如下步骤：1)通过A/D转换器将采集并换算得到2π电压参数；2)通过计算复位误差是否为零，判断2π电压参数是否准确；3)进行阶梯波复位高度调整；4)重复步骤3)，完成复位误差的消除。本发明采用全数字解算方式，能够有效调整2π电压参数，并且调整精确度更高，同时有利于减小电路板体积，降低成本。

Description

一种光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置及方法。

背景技术

基于数字阶梯波反馈的闭环光纤陀螺由于其精度高、动态范围大、非线性度好等优势在光纤陀螺中得到了广泛的应用。由于温度的影响，光纤陀螺的零偏和标度因数还是存在一定的变化，而这两个参数对于***来说又尤为重要。其中，集成光学调制器(Y波导)的2π电压随着温度的变化是引起光纤陀螺两个参数漂移的重要原因之一。因此，根据光纤陀螺中2π电压的变化对电路中的2π电压参数进行伺服调整对于抑制光纤陀螺的温度漂移具有重要意义。

目前，在本征方波调制的光纤陀螺中，采用的主要方法是通过伺服调整D/A转换器(称为阶梯波D/A转换器)的参考电压实现2π电压参数的调整。该方法需要再引入一个D/A转换器(称为2πD/A转换器)，其输出作为阶梯波D/A转换器的参考电压。但是这样不仅造成整个电路板的体积增大，并且也增加了电路板的成本。同时，增加元器件后，不仅造成布线等麻烦，并且生产加工也更麻烦，还容易造成更多的误差传递，从而造成调整精确度降低。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置及方法，不需要增加2πD/A转换器，采用全数字解算方式，能够有效调整2π电压参数，并且调整精确度更高，同时有利于减小电路板体积，降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种光纤陀螺2π参数全数字伺服调整装置，包括光探测器、主电路板和相位调制器；其特征在于：所述主电路板包括模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及输出串口；所述光探测器、模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及相位调制器依次相连，所述输出串口与FPGA相连。

一种光纤陀螺2π参数全数字伺服调整装置的2π参数全数字伺服调整方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)通过A/D转换器将采集到的信号转换为数字信号，并换算得到2π电压参数；

2)通过计算复位误差是否为零，判断2π电压参数是否准确，即判断Φ_fw＝Φ_f±2π*k是否成立；

式中，Φ_fw为阶梯波复位期间引入的相位差，k为正整数，Φ_f为闭环反馈相位，当Φ_f为正时，取负号，当Φ_f为负时，取正号；

3)若步骤2)成立，则表明2π电压参数准确；若步骤2)不成立，则通过公式：JTBh‘_n＝ΔP_2π*k‘+JTBh_n-1进行阶梯波复位高度调整；

式中，JTBh‘_n为调整后的阶梯波高度，ΔP_2π为复位误差，k‘为调整系数，JTBh_n-1为调整前的阶梯波高度；

并将JTBh‘_n作为阶梯波高度经D/A转换器后，输送到相位调制器，通过相位调制器进行相位调制；

4)重复步骤3)，直至JTBh‘_n＝JTBh_n-1，完成复位误差的消除。

进一步地，将复位中的奇/偶采样值对应与复位前或后的奇/偶采样值相减，得到复位误差ΔP_2π：

奇奇相减：

偶偶相减：

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本方案不需要增加2πD/A转换器，通过采用全数字解算方式，能够有效调整2π电压参数，并且，减少一个元器件后，对应减少了相关的***电路，从而能够减少误差的产生及引入，从而能够使整个装置的调整精确度更高。

2、减少一个元器件后，对应减少了相关的***电路，有利于减小电路板体积，降低成本。

3、本方法采用全数字方式进行相位调制，能够大大提高解算效率，使相位调制时间更短，从而更有利于快速完成相位调制，并且保证输出稳定性。

附图说明

图1为本发明中调节装置的原理框图。

图2为本发明中2π电压参数调整方法算法框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1，一种光纤陀螺2π参数全数字伺服调整装置，包括光探测器、主电路板和相位调制器。所述主电路板包括模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及输出串口；所述光探测器、模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及相位调制器依次相连，所述输出串口与FPGA相连。本方案不需要增加2πD/A转换器，通过数字运算，能够有效调整2π电压参数，并且，减少一个元器件后，对应减少了相关的***电路，从而能够减少误差的产生及引入，从而能够使整个装置的调整精确度更高。同时，减少一个元器件后，对应减少了相关的***电路，有利于减小电路板体积，降低成本。

参见图2，一种基于上述的光纤陀螺2π参数全数字伺服调整装置的2π参数全数字伺服调整方法，本方案中：

一、本征方波调制下光纤陀螺闭环原理：

方波调制下到达探测器光功率可用下式表达：

式中：P₀为光纤陀螺绝对静止时(Φ_S＝0)到达探测器的光功率；Φ_S为旋转引起的相位差。

式中：Φ_m为：

式中：Φ₀为方波调制幅度，τ为光纤环的渡越时间(光波在光纤环中传输一周的时间)。

经过以上方波调制，可分别对正负调制的半周期内采样，得到光纤陀螺的奇偶采样值：

奇偶采样值相减得：

ΔP＝P_--P₊＝P₀sinΦ₀sinΦ_S…………..……………(4)

方波调制幅度一旦确定即为定值，因此P₀sinΦ₀为常数项，可用A表示。另一方面，当Φ_S为小量时，有sinΦ_S＝Φ_S，于是奇偶采样的差值为：

ΔP＝AΦ_S…………..……………(5)

由(5)式可知，方波调制下奇偶采样的差值与旋转引起的相位差成正比，可以作为旋转角速率输出，同时通过闭环控制将总相位差伺服控制的零附近。闭环控制后奇偶采样值为：

式中：Φ_f为闭环反馈相位，其满足：

Φ_f＝-Φ_S…………..……………(7)

(6)式也可表示为：

二、阶梯波闭环反馈实现原理

阶梯波闭环反馈是通过在Y波导调制器的电极上引入阶梯波信号利用晶体的压电效应实现的。Y波导就是由铌酸锂晶体制成的，该晶体上施加电压时通过它的光波就会产生相位差。相位差与电压大小成正比。

在光纤陀螺光路结构中，光源发出的光波经过Y波导时被调制信号调制一次，经过光纤环传输后返回Y波导时再次被调制(同时对后续的光波进行第一次调制)，两次调制的时间间隔为光纤环传输光波时间，即渡越时间。由于两次调制时两束光波的传输通道发生了交换，因此，真正引入光路中的相位差为两次调制相位差的差值(以下简称为调制相位)。即调制相位为调制电压波形以光纤环渡越时间为步长的一阶差分。因此若要产生恒定的反馈相位差Φ_f，必须使反馈电压信号不断上升或下降(上升对应正，下降对应负)，其中上升或下降的幅度与反馈相位差对应，根据这一原理可以得到闭环控制的实现为在Y波导上施加如下反馈波形：

或者：

式中V_Φf为对应于相位差Φ_f的电压值，(9)式表示引入正向相位差(阶梯波上升)，(10)式表示引入负向相位差(阶梯波下降)。

上述波形呈台阶形状，称为阶梯波。阶梯波不能无限上升或下降，必然要进行复位，复位的电压差引入的相位差和阶梯波正常上升或下降引入的反馈相位差之间必须相差2π或2π的整数倍，才不会引起复位旋转误差。即复位时，探测器信号为：

式中Φ_fw为阶梯波复位期间引入的相位差，一般来说(2π电压准确)，其满足：

Φ_fw＝Φ_f±2π*k…………..……………(12)

式中k为正整数(实际应用中一般取1)，上式中正负号的取法为：当Φ_f为正时，取负号；当Φ_f为负时，取正号。

通过比较(8)式和(11)式可以看出，当光纤陀螺的2π电压参数准确时(即(12)式成立)，根据三角函数的周期性，可以看出，在复位期间不会引入复位误差。

然而当光纤陀螺的2π电压发生变化时(特别是当温度变化时)，即(12)式不成立，会引入复位误差。因此，根据复位前后，复位误差大小引入第二闭环对2π电压参数进行伺服调整是十分必要的。

本调制方法包括如下步骤：

包括如下步骤：

1)通过A/D转换器将采集到的信号转换为数字信号，并换算得到2π电压参数。

2)通过计算复位误差是否为零，判断2π电压参数是否准确，即判断Φ_fw＝Φ_f±2π*k是否成立；

式中，Φ_fw为阶梯波复位期间引入的相位差，k为正整数，Φ_f为闭环反馈相位，当Φ_f为正时，取负号，当Φ_f为负时，取正号。

3)若步骤2)成立，则表明2π电压参数准确；若步骤2)不成立，则通过(数学运算)公式：JTBh‘_n＝ΔP_2π*k‘+JTBh_n-1进行阶梯波复位高度调整，从而达到调整2π电压参数的目的；

式中，JTBh‘_n为调整后的阶梯波高度，ΔP_2π为复位误差，k‘为调整系数，JTBh_n-1为调整前的阶梯波高度；

并将JTBh‘_n作为阶梯波高度经D/A转换器后，输送到相位调制器，通过相位调制器进行相位调制。

其中，将复位中的奇/偶采样值对应与复位前或后的奇/偶采样值相减，得到复位误差ΔP_2π：

奇奇相减：

偶偶相减：

4)重复步骤3)，直至JTBh‘_n＝JTBh_n-1，完成复位误差的消除。

本方法采用全数字方式进行相位调制，能够大大提高解算效率，使相位调制时间更短，从而更有利于快速完成相位调制，并且保证输出稳定性。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置，包括光探测器、主电路板和相位调制器；其特征在于：所述主电路板包括模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及输出串口；所述光探测器、模拟开关、放大电路、FPGA、D/A转换器以及相位调制器依次相连，所述输出串口与FPGA相连。

2.一种基于权利要求1所述的光纤陀螺2π电压参数全数字伺服调整装置的2π电压参数全数字伺服调整方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)通过A/D转换器将采集到的信号转换为数字信号，并换算得到2π电压参数；

2)通过计算复位误差是否为零，判断2π电压参数是否准确，即判断Φ_fw＝Φ_f±2π*k是否成立；

式中，Φ_fw为阶梯波复位期间引入的相位差，k为正整数，Φ_f为闭环反馈相位，当Φ_f为正时，取负号，当Φ_f为负时，取正号；

3)若步骤2)成立，则表明2π电压参数准确；若步骤2)不成立，则通过公式：JTBh‘_n＝ΔP_2π*k‘+JTBh_n-1进行阶梯波复位高度调整；

式中，JTBh‘_n为调整后的阶梯波高度，ΔP_2π为复位误差，k‘为调整系数，JTBh_n-1为调整前的阶梯波高度；

并将JTBh‘_n作为阶梯波高度经D/A转换器后，输送到相位调制器，通过相位调制器进行相位调制；

4)重复步骤3)，直至JTBh‘_n＝JTBh_n-1，完成复位误差的消除。

3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺2π参数全数字伺服调整方法，其特征在于：

将复位中的奇/偶采样值对应与复位前或后的奇/偶采样值相减，得到复位误差ΔP_2π：

奇奇相减：

偶偶相减：