[發明專利]一種光纖陀螺的數字信號處理方法、裝置及光纖陀螺儀

有效

• 申請號: 201110385420.2
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102435186A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 楊川川;王子宇
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 陳美章

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，特別涉及一種擴大光纖陀螺動態范圍的信號處理方法、裝置及基于該裝置的光纖陀螺儀。

背景技術

光纖傳感技術是以光波為載體、光纖為媒質，感知和傳輸外界被測信號的新型傳感技術，一直以來都被廣泛的關注。光纖陀螺是光纖傳感領域最重要的成就之一，在航空、航天、航海和兵器等軍用領域以及地質、石油勘探等民用領域具有廣闊的應用和發展前景。光纖陀螺是基于薩格奈克效應的角速度測量儀，干涉式光纖陀螺儀有兩種基本結構：開環結構和閉環結構。

開環光纖陀螺直接檢測光路中的薩格奈克相移，所以系統的工作點隨輸入角速度而改變；閉環光纖陀螺通過使用光波導構成反饋回路抵消光路中的薩格奈克相移，而將反饋信號作為檢測信號，所以系統的工作點不隨輸入角速度而改變。基于這樣的工作原理，這兩類光纖陀螺儀都有各自的優點和不足：相較之下，閉環光纖陀螺儀的突出優勢是更高的標度因數穩定性、更大的動態范圍和更小的漂移；開環光纖陀螺儀由于沒有使用光波導構成反饋回路而具有更好的抗溫度沖擊、機械沖擊、機械振動特性，更好的抗電磁干擾能力，更高的可靠性以及更低的生產和使用維護成本。參考文獻：張桂才，光纖陀螺原理與技術，國防工業出版社，2008。

開環光纖陀螺儀光路部分的基本結構示意圖如圖1所示，模塊7探測器輸出的探測信號為：

其中，為薩格奈克相移，I₀為探測信號的平均功率，由模塊6調相器的輸出信號決定。探測信號中包含相位調制信號的基頻信號以及各次諧波信號。傳統的開環光纖陀螺儀檢測I_D(t)的一次諧波，即輸出信號為：

由公式(2)可以得到：

1)傳統開環光纖陀螺的性能和比例因子的關系非常密切。影響比例因子的關鍵因素a)探測器輸出的信號幅度；b)調相器的調制深度。和閉環光纖陀螺儀相比，傳統開環光纖陀螺儀的一大劣勢就在于比例因子的穩定性受以上兩個因素的影響較大。

2)和閉環光纖陀螺儀相比，傳統開環光纖陀螺儀的動態范圍較小。由公式(2)可以得到，傳統開環光纖陀螺儀的動態范圍最大為sin函數的單值區間[-π/2?π/2)。光纖陀螺薩格奈克相移和系統轉動角速度Ω的關系表達式為：

其中，為模塊1光源的平均波長，c為光在真空中的傳輸速度，R為模塊5光纖線圈的半徑，L為光纖線圈的長度。將(3)帶進(2)可以得到，受限于sin函數的單值區間，開環光纖陀螺能夠測量的角速度Ω的最大動態范圍為從上面的分析可以得到，傳統開環光纖陀螺的最大動態范圍和線圈的半徑以及長度是成反比，結合公式(3)，提高傳統開環光纖陀螺的動態范圍就要減小系統轉動引起的薩格奈克相移從而降低陀螺儀的靈敏度和精度。

對于上述的問題1)，為了降低比例因子的不穩定性對開環光纖陀螺儀性能的影響，專利US?6429939B1中提出了一種有效的方法，通過探測器后端的數字信號處理(DSP)檢測I_D(t)的一次諧波信號、二次諧波信號和四次諧波信號，使用二次以及四次諧波信號穩定PZT調相器的調制頻率和調制深度，采用一次諧波和二次諧波信號相除再求反正切輸出薩格奈克相移估計值的方法去除探測器輸出的信號幅度波動對陀螺儀性能的影響。但是US?6429939B1中的方法無法解決上述的問題2)。

對于上述的問題2)，為了提高傳統開環光纖陀螺的動態范圍，處于公開階段申請號為200710160367.X的發明專利中提出了一種方法，使用調相器對光纖陀螺進行多個不同幅度的相位調制，對相應的陀螺儀輸出信號進行采樣并進行數據處理和組合，達到擴展開環光纖陀螺單調區間范圍的目的。申請號為200710160367.X的發明專利通過信號處理將開環光纖陀螺能夠測量的單調薩格奈克相移區間由上面分析中提到的[-π/2?π/2)擴展到[-23π/16?23π/16)，即擴展了23/8倍，但是該發明的關鍵之處是調相器不再工作于上面描述的常規狀態，而是在一個調制周期內工作在5個調制階段，各個階段有不同的固定的調制幅度，這對調相器輸出的調制信號的精度要求高，調制幅度需要比較嚴格的控制。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提出一種擴大光纖陀螺動態范圍的信號處理方法、裝置，并結合該方法提出了一種新型光纖陀螺儀。本發明提出的光纖陀螺的信號處理方法、裝置，應用于開環光纖陀螺儀探測器的后端，在不改變開環光纖陀螺光路結構的前提下，可以大大提高光纖陀螺的動態范圍，同時可以有效降低陀螺儀比例因子的不穩定性對開環光纖陀螺儀性能的不利影響。