專(zhuān)利名稱(chēng):三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是一種新型的角速率傳感器，與機(jī)械陀螺相比，具有全固態(tài)、對(duì)重力不敏感、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)；與環(huán)形激光陀螺相比，無(wú)高電壓電源、無(wú)機(jī)械抖動(dòng)；另外，還具有重量輕、壽命長(zhǎng)、成本低的優(yōu)勢(shì)。在航空、航天、航海等軍用領(lǐng)域及地質(zhì)、石油勘探等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前的典型結(jié)構(gòu)形式為以三個(gè)獨(dú)立的單軸光纖陀螺子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)正交的空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸角速度或位置進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)光纖陀螺子系統(tǒng)都包括一個(gè)光源、一個(gè)光電探測(cè)器和一個(gè)處理電路。隨著應(yīng)用領(lǐng)域需要的發(fā)展，目前對(duì)光纖陀螺體積和重量的提出了更高的要求。同時(shí)在很多應(yīng)用領(lǐng)域都涉及三維測(cè)量，因此，輕小型三軸陀螺的研究引起了國(guó)際上廣泛的關(guān)注。
公開(kāi)號(hào)CN 1657876A中詳細(xì)說(shuō)明了一種三軸一體光纖陀螺，其中，光路電路如圖4所示，圖中陀螺每一軸的采用獨(dú)立的電路控制，勢(shì)必增大了陀螺的體積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，該分時(shí)調(diào)制方法解決了現(xiàn)有三軸光纖陀螺需要三路電路進(jìn)行信號(hào)的處理方式，改為采用三軸光纖陀螺共用一路電路進(jìn)行分時(shí)調(diào)制處理；對(duì)三軸光纖陀螺的控制通過(guò)在檢測(cè)電路的輸出端連接一開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)三路信息的選擇控制。該方案通過(guò)分時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺調(diào)制。
在本發(fā)明中，三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方案采用一個(gè)光源、一個(gè)探測(cè)器、一個(gè)耦合器、三個(gè)相位調(diào)制器、三個(gè)光纖環(huán)、一個(gè)選通開(kāi)關(guān)，以及同時(shí)共用一套信號(hào)處理電路。具體實(shí)現(xiàn)方法是在X軸時(shí)間Tx內(nèi)，選通X軸進(jìn)行調(diào)制，Y軸、Z軸不調(diào)制；在Y軸時(shí)間Ty內(nèi)，選通Y軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Z軸不調(diào)制；在Z軸時(shí)間Tz內(nèi)，選通Z軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Y軸不調(diào)制。
本發(fā)明三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)在于(1)、采用一個(gè)選通開(kāi)關(guān)(TPS2043)對(duì)三個(gè)軸進(jìn)行選通的分時(shí)調(diào)制方案，使得在選定時(shí)刻150～200μs只有一個(gè)被選通調(diào)制的軸(X軸、或Y軸、或Z軸)處于工作狀態(tài)，避免了這三軸之間的串?dāng)_。解決了現(xiàn)有三軸光纖陀螺需要三路電路進(jìn)行信號(hào)的處理方式，改為只需要一套電路。(2)、對(duì)每個(gè)軸的調(diào)制不需要準(zhǔn)確到三分之一個(gè)周期，因此不需要要求光纖環(huán)的長(zhǎng)度完全相同，降低了光纖環(huán)繞制難度。(3)、通過(guò)采用一路電路進(jìn)行信號(hào)控制，有效地減小了三軸光纖陀螺體積滿足小型化的要求，在不同程度上降低系統(tǒng)成本。三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺對(duì)于減小系統(tǒng)質(zhì)量、降低功耗、利于散熱、以及提高重復(fù)性等方面都有一定好處。



圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明的信號(hào)選通控制流程圖。
圖3是本發(fā)明分時(shí)調(diào)制的時(shí)序圖。
圖4是現(xiàn)有三軸一體光纖陀螺的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
在公開(kāi)號(hào)CN 1657876A中，公開(kāi)的三軸一體光纖陀螺，本發(fā)明與之不同之處在于采用一個(gè)光源、一個(gè)探測(cè)器、耦合器、一個(gè)選通開(kāi)關(guān)以及處理器中增加的調(diào)制時(shí)序控制單元對(duì)三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺進(jìn)行分時(shí)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了三軸共用一套信號(hào)處理電路，有效地改善了三軸一體光纖陀螺的體積、重量，使得光纖陀螺向小型化發(fā)展。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明的三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺包括有光源、探測(cè)器、耦合器、信號(hào)處理電路、選通開(kāi)關(guān)、X軸相位調(diào)制器、X軸光纖環(huán)、Y軸相位調(diào)制器、Y軸光纖環(huán)、Z軸相位調(diào)制器、Z軸光纖環(huán)；耦合器分別與光源、探測(cè)器、X軸相位調(diào)制器的入纖、Y軸相位調(diào)制器的入纖和Z軸相位調(diào)制器的入纖連接，X軸相位調(diào)制器的尾纖、Y軸相位調(diào)制器的尾纖和Z軸相位調(diào)制器的尾纖分別與選通開(kāi)關(guān)的上的三個(gè)端子連接。
在本發(fā)明中，信號(hào)處理電路至少包括處理器(FPGA)、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(前放電路+A/D轉(zhuǎn)換器+D/A轉(zhuǎn)換器)、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路(驅(qū)動(dòng)電路)，在選通開(kāi)關(guān)閉合某一軸(X軸、Y軸、Z軸)后，探測(cè)器輸出光強(qiáng)電壓信號(hào)給前放電路，所述光強(qiáng)電壓信號(hào)經(jīng)前放電路、A/D轉(zhuǎn)換器后輸出給處理器，處理器對(duì)接收的光強(qiáng)電壓信號(hào)進(jìn)行X軸、Y軸、Z軸信號(hào)處理判斷后，輸出相位補(bǔ)償電壓信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路后作用在各自軸的相位調(diào)制器上，從而實(shí)現(xiàn)一套信號(hào)處理電路對(duì)三軸進(jìn)行控制。
本發(fā)明是一種三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，該方法通過(guò)在選取的處理器中采用Verilog編程語(yǔ)言設(shè)置了調(diào)制時(shí)序控制單元，通過(guò)調(diào)制時(shí)序控制單元與選通開(kāi)關(guān)(TPS2043)的配合，實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)信號(hào)處理電路分時(shí)控制三個(gè)相位調(diào)制器及三個(gè)光纖環(huán)；所述分時(shí)調(diào)制是以三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺相對(duì)于地球靜止時(shí)的狀態(tài)作參考，三軸的時(shí)序控制分別為
X軸的調(diào)制時(shí)間為T(mén)x，且Tx＝nx×Δτgx＝150～200μs，式中，nx為X軸的調(diào)制次數(shù)，Δτgx為X軸光纖環(huán)的渡越時(shí)間；
Y軸的調(diào)制時(shí)間為T(mén)y，且Ty＝ny×Δτgy＝150～200μs，式中，ny為Y軸的調(diào)制次數(shù)，Δτgy為Y軸光纖環(huán)的渡越時(shí)間；
Z軸的調(diào)制時(shí)間為T(mén)z，且Tz＝nz×Δτgz＝150～200μs，式中，nz為Z軸的調(diào)制次數(shù)，Δτgz為Z軸光纖環(huán)的渡越時(shí)間；
三個(gè)軸共同閉環(huán)一次所需要的總時(shí)間為T(mén)，且
T＝Tx+Ty+Tz＝nx×Δτgx+ny×Δτgy+nz×Δτgz。
參見(jiàn)圖2所示，系統(tǒng)通電后進(jìn)行初始化。選通X路進(jìn)行調(diào)制，此時(shí)Y軸、Z軸關(guān)斷。對(duì)X軸調(diào)制次數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，從而判斷是否達(dá)到X軸調(diào)制時(shí)間Tx。如果未達(dá)到X軸調(diào)制時(shí)間Tx繼續(xù)對(duì)X軸進(jìn)行調(diào)制。如果達(dá)到X軸調(diào)制時(shí)間Tx，選通Y路進(jìn)行調(diào)制，此時(shí)X軸、Z軸關(guān)斷。對(duì)Y軸調(diào)制次數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，從而判斷是否達(dá)到Y(jié)軸調(diào)制時(shí)間Ty。如果未達(dá)到Y(jié)軸調(diào)制時(shí)間Ty繼續(xù)對(duì)Y軸進(jìn)行調(diào)制。如果達(dá)到Y(jié)軸調(diào)制時(shí)間Ty，選通Z路進(jìn)行調(diào)制，此時(shí)X軸、Y軸關(guān)斷。對(duì)Z軸調(diào)制次數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，從而判斷是否達(dá)到Z軸調(diào)制時(shí)間Tz。如果未達(dá)到Y(jié)軸調(diào)制時(shí)間Tz繼續(xù)對(duì)Y軸進(jìn)行調(diào)制。如果達(dá)到Y(jié)軸調(diào)制時(shí)間Tz，一個(gè)完整調(diào)制周期結(jié)束，開(kāi)始下一個(gè)調(diào)制周期。
參見(jiàn)圖3所示，在X軸調(diào)制時(shí)間Tx內(nèi)，選通X軸進(jìn)行調(diào)制，Y軸、Z軸不調(diào)制；在X軸的相位調(diào)制器上同時(shí)施加方波211和階梯波212，方波半周期為渡越時(shí)間Δτgx，頻率為光纖陀螺的本征頻率，幅值為π；階梯波相位臺(tái)階幅值φsx與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差ΔφRx大小相等、符號(hào)相反，即φsx＝-ΔφRx，復(fù)位高度為2π；在探測(cè)器上檢測(cè)到的X軸電信號(hào)213，所述X軸電信號(hào)213經(jīng)解調(diào)信號(hào)214解調(diào)后得到解調(diào)輸出信號(hào)215。
在Y軸調(diào)制時(shí)間Ty內(nèi)，選通Y軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Z軸不調(diào)制；在Y軸的相位調(diào)制器上同時(shí)施加方波221和階梯波222，方波半周期為渡越時(shí)間Δτgy，頻率為光纖陀螺的本征頻率，幅值為π；階梯波相位臺(tái)階幅值φsy與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差ΔφRy大小相等、符號(hào)相反，即φsy＝-ΔφRy，復(fù)位高度為2π；在探測(cè)器上檢測(cè)到的Y軸電信號(hào)223，所述Y軸電信號(hào)223經(jīng)解調(diào)信號(hào)224解調(diào)后得到解調(diào)輸出信號(hào)225。
在Z軸調(diào)制時(shí)間Tz內(nèi)，選通Z軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Y軸不調(diào)制；在Z軸的相位調(diào)制器上同時(shí)施加方波231和階梯波232；方波半周期為渡越時(shí)間Δτgz，頻率為光纖陀螺的本征頻率，幅值為π；階梯波相位臺(tái)階幅值φsz與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差ΔφRz大小相等、符號(hào)相反，即φsz＝-ΔφRz，復(fù)位高度為2π；在探測(cè)器上檢測(cè)到的Z軸電信號(hào)233，所述Z軸電信號(hào)233經(jīng)解調(diào)信號(hào)234解調(diào)后得到解調(diào)輸出信號(hào)235。
本發(fā)明中，探測(cè)器(PIN)和相位調(diào)制器分別完成光電、電光的信號(hào)轉(zhuǎn)換。光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器完成1∶1∶1的功率分配，即到達(dá)各軸的光功率是光源功率的三分之一?？梢钥闯?，光源通過(guò)耦合器后，耦合器將光功率三等分，使X軸光纖組件(包括X軸相位調(diào)制器和X軸光纖環(huán))、Y軸光纖組件(包括Y軸相位調(diào)制器和Y軸光纖環(huán))和Z軸光纖組件(包括Z軸相位調(diào)制器和Z軸光纖環(huán))中均有相同的光源。
基于分時(shí)調(diào)制的信號(hào)處理電路包括探測(cè)器(PIN)、前放電路、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器(FPGA芯片)、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路、選通開(kāi)關(guān)。
閉環(huán)控制在相向傳播的兩束光波之間人為引入一個(gè)與Sagnac相移大小相等、方向相反的相位差，用以抵消Sagnac相移，使系統(tǒng)始終工作在零相位狀態(tài)，從而擴(kuò)大了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。由于角速率導(dǎo)致光纖環(huán)中相向傳輸?shù)膬墒庀辔话l(fā)生偏置，該偏置經(jīng)調(diào)制器后輸出的干涉光強(qiáng)信號(hào)相應(yīng)變化，該干涉光光強(qiáng)信號(hào)被探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)前放電路放大處理后輸出給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后物出反相電壓信號(hào)給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)輸出給調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)選通開(kāi)關(guān)按時(shí)序選通后輸出電壓信號(hào)控制相應(yīng)調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，使得干涉光強(qiáng)保持恒定。
探測(cè)器(PIN)檢測(cè)到的經(jīng)調(diào)制過(guò)的信號(hào)經(jīng)過(guò)前放電路放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)，送至信號(hào)處理模塊(FPGA)，由FPGA完成信號(hào)的解調(diào)、濾波、積分等工作后輸出兩路信號(hào)，其中一路為信號(hào)輸出；另一路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號(hào)由選通開(kāi)關(guān)按照時(shí)序控制三軸的調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制保持干涉光強(qiáng)恒定。這樣就實(shí)現(xiàn)了控制部分的全數(shù)字式閉環(huán)控制。
權(quán)利要求
1.一種三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，其特征在于該方法通過(guò)在選取的處理器中采用Verilog編程語(yǔ)言設(shè)置了調(diào)制時(shí)序控制單元，通過(guò)調(diào)制時(shí)序控制單元與選通開(kāi)關(guān)的配合，實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)信號(hào)處理電路分時(shí)控制三個(gè)相位調(diào)制器及三個(gè)光纖環(huán)；所述分時(shí)調(diào)制是以三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺相對(duì)于地球靜止時(shí)的狀態(tài)作參考，三軸的時(shí)序控制分別為
X軸的調(diào)制時(shí)間為T(mén)x，且Tx＝nx×Δτgx＝150～200μs，式中，nx為X軸的調(diào)制次數(shù)，Δτgx為X軸光纖環(huán)的渡越時(shí)間；
Y軸的調(diào)制時(shí)間為T(mén)y，且Ty＝ny×Δτgy＝150～200μs，式中，ny為Y軸的調(diào)制次數(shù)，Δτgy為Y軸光纖環(huán)的渡越時(shí)間；
Z軸的調(diào)制時(shí)間為T(mén)z，且Tz＝nz×Δτgz＝150～200μs，式中，nz為Z軸的調(diào)制次數(shù)，Δτgz為Z軸光纖環(huán)的渡越時(shí)間；
三個(gè)軸共同閉環(huán)一次所需要的總時(shí)間為T(mén)，且T＝Tx+Ty+Tz＝nx×Δτgx+ny×Δτgy+nz×Δτgz。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，其特征在于在X軸調(diào)制時(shí)間Tx內(nèi)，選通X軸進(jìn)行調(diào)制，Y軸、Z軸不調(diào)制；在X軸的相位調(diào)制器上同時(shí)施加方波(211)和階梯波(212)，方波半周期為渡越時(shí)間Δτgx，頻率為光纖陀螺的本征頻率，幅值為π；階梯波相位臺(tái)階幅值φsx與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差ΔφRx大小相等、符號(hào)相反，即φsx＝-ΔφRx，復(fù)位高度為2π；在探測(cè)器上檢測(cè)到的X軸電信號(hào)(213)，所述X軸電信號(hào)(213)經(jīng)解調(diào)信號(hào)(214)解調(diào)后得到解調(diào)輸出信號(hào)(215)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，其特征在于在Y軸調(diào)制時(shí)間Ty內(nèi)，選通Y軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Z軸不調(diào)制；在Y軸的相位調(diào)制器上同時(shí)施加方波(221)和階梯波(222)，方波半周期為渡越時(shí)間Δτgy，頻率為光纖陀螺的本征頻率，幅值為π；階梯波相位臺(tái)階幅值φsy與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差ΔφRy大小相等、符號(hào)相反，即φsy＝-ΔφRy，復(fù)位高度為2π；在探測(cè)器上檢測(cè)到的Y軸電信號(hào)(223)，所述Y軸電信號(hào)(223)經(jīng)解調(diào)信號(hào)(224)解調(diào)后得到解調(diào)輸出信號(hào)(225)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，其特征在于在Z軸調(diào)制時(shí)間Tz內(nèi)，選通Z軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Y軸不調(diào)制；在Z軸的相位調(diào)制器上同時(shí)施加方波(231)和階梯波(232)；方波半周期為渡越時(shí)間Δτgz，頻率為光纖陀螺的本征頻率，幅值為π；階梯波相位臺(tái)階幅值φsz與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差ΔφRz大小相等、符號(hào)相反，即φsz＝-ΔφRz，復(fù)位高度為2π；在探測(cè)器上檢測(cè)到的Z軸電信號(hào)(233)，所述Z軸電信號(hào)(233)經(jīng)解調(diào)信號(hào)(234)解調(diào)后得到解調(diào)輸出信號(hào)(235)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，其特征在于選通開(kāi)關(guān)為T(mén)PS2043芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，其特征在于處理器選取FPGA可編程邏輯處理器中的XILINX Virtex-II系列芯片。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺分時(shí)調(diào)制方法，該方法通過(guò)在選取的處理器中采用Verilog編程語(yǔ)言設(shè)置了調(diào)制時(shí)序控制單元，通過(guò)調(diào)制時(shí)序控制單元與選通開(kāi)關(guān)的配合，實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)信號(hào)處理電路分時(shí)控制三個(gè)相位調(diào)制器及三個(gè)光纖環(huán)。具體實(shí)現(xiàn)方法是在X軸調(diào)制時(shí)間Tx內(nèi)，選通對(duì)X軸進(jìn)行調(diào)制，Y軸、Z軸不調(diào)制；在Y軸調(diào)制時(shí)間Ty內(nèi)，選通對(duì)Y軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Z軸不調(diào)制；在Z軸調(diào)制時(shí)間Tz內(nèi)，選通對(duì)Z軸進(jìn)行調(diào)制，X軸、Y軸不調(diào)制。本發(fā)明通過(guò)數(shù)字化的手段實(shí)現(xiàn)了三軸數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺共用一信號(hào)處理電路，有效地改善了三軸光纖陀螺的體積、重量，降低了陀螺的功耗，有利于散熱。
文檔編號(hào)G01P9/00GKCN101126644SQ200710175385
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年9月29日
發(fā)明者靖 金, 馬東營(yíng), 宋凝芳, 伊小素, 張忠鋼 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan