CN111141268B - 一种激光陀螺仪积分数字稳频方法装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光陀螺仪积分数字稳频方法及装置，在产生小抖动方波边沿时触发DMA控制ADC采集半个小抖动周期反馈信号序列；对小抖动方波高电平半周期和低电平半周期的反馈信号序列分别求和，高电平半周期的反馈序列之和减去低电平半周期的反馈序列之和得到一个小抖动周期的鉴相结果；通过对若干个相邻的鉴相结果进行数字积分或平滑滤波得到高精度低噪声的鉴相(积分)结果；通过高精度低噪声的鉴相(积分)结果确定稳频信号电压的增减。积分数字稳频方法可以使激光陀螺减少模拟稳频所需要的鉴相解调和低通滤波积分电路，减少元器件可以节省成本提高可靠性。

Description

一种激光陀螺仪积分数字稳频方法装置
技术领域
本发明涉及激光惯性导航技术领域，具体涉及一种激光陀螺仪积分数字稳频方法及装置。
背景技术
激光陀螺是激光惯导***的核心组件，具有精度高、启动快、动态范围宽、比例因子线性度好、对加速度不敏感等优点，且成本低、体积小、重量轻、维护方便更适用于替代机械陀螺，已经广泛应用于航空、航天以及航海等领域。
激光陀螺是利用环形光路的Sagnac效应，即沿顺、逆时针在任意几何闭合光路相对运行两束光的相位差与该闭合光路相对于惯性空间的转动速率成线性关系。腔体加工水平、反射镜加工水平、镜片安装、使用过程中的温度变化等都会在环形光路的周长上有所体现，这种周长的变化会引起激光陀螺激光功率和激光谐振频率的不稳定从而引起激光陀螺输出错误的角度信息，因此需要通过稳定激光陀螺环形光路周长来稳定激光频率和功率。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种激光陀螺仪积分数字稳频方法及装置，通过积分数字稳频的方法调节激光陀螺环形光路的周长，使气体激光器稳定地工作在谐振频率和激光功率最大值。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种激光陀螺仪积分数字稳频方法，包括以下步骤：
S1，采集小抖动反馈信号序列；
S2，通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果；
S3，按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，并通过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上。
机抖激光陀螺需要通过稳定激光陀螺环形光路周长来稳定激光频率和功率。机抖激光陀螺积分数字稳频的方法可用于调节激光陀螺环形光路的周长，使气体激光器稳定地工作在谐振频率和激光功率最大值。积分数字稳频方法可以使激光陀螺减少模拟稳频所需要的鉴相解调和低通滤波积分电路，减少元器件一方面可以节省成本提高可靠性；一方面可以降低功耗减轻电路本身对激光陀螺环形光路的影响；一方面还可以减小电路板的面积更有利于激光陀螺小型化集成。
进一步的，所述小抖动反馈信号序列采用基于直接存储器存取的ADC数据采集方法采集。
进一步的，在所述步骤S1之前还包括小抖动反馈信号的生成方法，具体包括：
激光陀螺仪控制器产生小抖动方波，经过带通滤波后，与前一周期的积分数字稳频计算结果经过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上；
环形光路输出的光强信号经过放大后再经过带通滤波放大，得到小抖动反馈信号；
其中，所述积分数字稳频计算结果初始值取零。
进一步的，所述的通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果，通过下式实现：
y4[n]＝∑(C+A[n])-∑(C+B[n])＝∑(A[n]-B[n])
其中，y4[n]表示鉴相结果，A[n]为高电平时小抖动方波A[t]的数字离散化表达式，B[n]为低电平时小抖动方波B[t]的数字离散化表达式，t为时刻，C为带通滤波放大后对小抖动反馈信号y2(t)所做的升压常值。
进一步的，所述的按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，通过下式实现：
Figure GDA0003402524720000031
其中，y5[n]为稳频信号，即积分数字稳频计算结果，M为积分时长，h[n]为滤波器系数，
当系数h[n]不相等时，稳频信号y5[n]是对鉴相结果y4[n]的FIR滤波；
当系数h[n]均相等时：
Figure GDA0003402524720000032
另一方面，本发明还提供一种激光陀螺仪积分数字稳频装置，包括：
反馈信号采集模块，用于采集小抖动反馈信号序列；
鉴相模块，用于通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果；
稳频计算模块，用于按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，并通过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光陀螺仪积分数字稳频装置结构图；
图2为本发明实施例提供的一种激光陀螺仪积分数字稳频方法流程图；
图3为本发明实施例提供的积分数字稳频具体实现方法。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
本发明实施例提供一种激光陀螺仪积分数字稳频装置，如图1所示，包括：信号生成模块、反馈信号采集模块、鉴相模块、稳频计算模块。信号生成模块包括发生模块，带通滤波器，驱动调制模块。采用STM32系列单片机的DMA+ADC，在产生小抖动方波边沿时触发DMA控制ADC采集半个小抖动周期反馈信号序列(每个半个周期采集的信号点数一致)；对小抖动方波高电平半周期和低电平半周期的反馈信号序列分别求和，高电平半周期的反馈序列之和减去低电平半周期的反馈序列之和得到一个小抖动周期的鉴相结果；通过对若干个相邻的鉴相结果进行数字积分或平滑滤波得到高精度低噪声的鉴相(积分)结果；通过高精度低噪声的鉴相(积分)结果确定稳频信号电压的增减。
具体的，陀螺输出小抖动信号由STM32产生方波经过带通滤波获得，带通滤波后的信号与积分数字稳频计算的结果经过驱动调制模块进行稳频驱动与小抖动调制然后添加到激光陀螺仪的环形光路上。环形光路输出的光强信号经过光强信号放大后，在经过带通滤波放大(含升压为ADC可采集的信号电压范围的过程)，得到小抖动反馈信号。STM32产生方波的方波边沿启动STM32 DMA+ADC信号采集，采集小抖动反馈信号。最后STM32产生方波的方波边沿启动积分数字稳频计算，得到稳频结果。积分数字稳频计算的结果与带通滤波后的小抖动信号经过稳频驱动与小抖动调制共同添加到激光陀螺仪的环形光路上。
机抖激光陀螺需要通过稳定激光陀螺环形光路周长来稳定激光频率和功率。机抖激光陀螺积分数字稳频的方法可用于调节激光陀螺环形光路的周长，使气体激光器稳定地工作在谐振频率和激光功率最大值。积分数字稳频方法可以使激光陀螺减少模拟稳频所需要的鉴相解调和低通滤波积分电路，减少元器件一方面可以节省成本提高可靠性；一方面可以降低功耗减轻电路本身对激光陀螺环形光路的影响；一方面还可以减小电路板的面积更有利于激光陀螺小型化集成。
基于上述装置，本发明实施例还提供一种激光陀螺仪积分数字稳频方法，如图2和图3所示，具体包括以下步骤：
激光陀螺仪的微控制器MCU中的发生模块产生小抖动方波，
小抖动方波1经过隔直后的信号为：
Figure GDA0003402524720000051
经过带通滤波后，与前一周期的积分数字稳频计算结果(初始值取零)经过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上；
环形光路输出的光强信号经过放大后再经过带通滤波放大，得到小抖动反馈信号,可以表达为：
Figure GDA0003402524720000052
由于陀螺仪微控制器MCU(STM32)只能采集正电压，因此为了让MCU(STM32)的ADC能够采集到正确的电压值需要在小抖动反馈信号的基础上添加升压常值C。即带通滤波放大后小抖动反馈信号y2(t)在小抖动方波为高电平时表述成C+A(t)，小抖动反馈信号y2(t)在小抖动方波为低电平时表述成C+B(t)。
采用基于直接存储器(DMA)存取的ADC数据采集方法采集小抖动反馈信号序列，采集结果表示成：
Figure GDA0003402524720000053
其中，y3[n]是y2(t)的数字离散化表达式，A[n]是A(t)的数字离散化表达式，B[n]是B(t)的数字离散化表达式。
通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果。具体的，一个周期的数字稳频鉴相结果可以表达为：
y4[n]＝∑(C+A[n])-∑(C+B[n])＝∑(A[n]-B[n])
为了保证信号的高质量，需要对数字稳频鉴相的结果进行数字积分，以获得信噪比更高的鉴相信号。
Figure GDA0003402524720000061
其中，y5[n]为稳频信号，即积分数字稳频计算结果，M为积分时长，h[n]为滤波器系数，
当系数h[n]不相等时，稳频信号y5[n]是对鉴相结果y4[n]的FIR滤波；
当系数h[n]均相等时：
Figure GDA0003402524720000062
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光陀螺仪积分数字稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集小抖动反馈信号序列；
S2，通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果；
S3，按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，并通过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上；
所述的通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果，通过下式实现：
y4[n]＝∑(C+A[n])-∑(C+B[n])＝∑(A[n]-B[n])
其中，y4[n]表示鉴相结果，A[n]为高电平时小抖动方波A[t]的数字离散化表达式，B[n]为低电平时小抖动方波B[t]的数字离散化表达式，t为时刻，C为带通滤波放大后对小抖动反馈信号y2(t)所做的升压常值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小抖动反馈信号序列采用基于直接存储器存取的ADC数据采集方法采集。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括小抖动反馈信号的生成方法，具体包括：
激光陀螺仪控制器产生小抖动方波，经过带通滤波后，与前一周期的积分数字稳频计算结果经过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上；
环形光路输出的光强信号经过放大后再经过带通滤波放大，得到小抖动反馈信号；
其中，所述积分数字稳频计算结果初始值取零。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，通过下式实现：
Figure FDA0003402524710000021
其中，y5[n]为稳频信号，即积分数字稳频计算结果，M为积分时长，h[n]为滤波器系数，
当系数h[n]不相等时，稳频信号y5[n]是对鉴相结果y4[n]的FIR滤波；
当系数h[n]均相等时：
Figure FDA0003402524710000022
5.一种激光陀螺仪积分数字稳频装置，其特征在于，包括：
反馈信号采集模块，用于采集小抖动反馈信号序列；
鉴相模块，用于通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果；
稳频计算模块，用于按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，并通过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上；
所述的通过对小抖动反馈的信号序列做求和，获得一个周期内的鉴相结果，通过下式实现：
y4[n]＝∑(C+A[n])-∑(C+B[n])＝∑(A[n]-B[n])
其中，y4[n]表示鉴相结果，A[n]为高电平时小抖动方波A[t]的数字离散化表达式，B[n]为低电平时小抖动方波B[t]的数字离散化表达式，t为时刻，C为带通滤波放大后对小抖动反馈信号y2(t)所做的升压常值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反馈信号采集模块具体采用基于直接存储器存取的ADC数据采集方法采集小抖动反馈信号序列。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，还包括信号生成模块，具体包括以下子模块：
发生模块，用于产生小抖动方波信号；
带通滤波器，用于对所述发生模块产生的小抖动方波信号进行带通滤波；
驱动调制模块，用于将经过带通滤波后的小抖动方波信号与前一周期的积分数字稳频计算结果经过稳频驱动与小抖动调制添加到激光陀螺仪的环形光路上；
其中，所述积分数字稳频计算结果初始值取零。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的按照鉴相结果进行积分数字稳频计算得到稳频信号，通过下式实现：
Figure FDA0003402524710000031
其中，y5[n]为稳频信号，即积分数字稳频计算结果，M为积分时长，h[n]为滤波器系数，
当系数h[n]不相等时，稳频信号y5[n]是对鉴相结果y4[n]的FIR滤波；
当系数h[n]均相等时：
Figure FDA0003402524710000032
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