1、干涉型闭环光纤陀螺实现中关键问题研究第 32 卷第 8 期2005 年 8 月应用AppliedScience科技andTechnologyVo1.32.Xo8Aug.2005文章编号:1009671X(2005)08003403干涉型闭环光纤陀螺实现中关键问题研究王威,袁赣南,吴军伟(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨 150001)摘要:介绍了干涉型光纤陀螺实现中的几个关键问题和相应的解决方法 .把光纤陀螺的系统构成细分为前端和后端,关键问题有:1)梳状信号的滤波;2)模拟开关的选取;3)信号采样;4) 阶梯波的处理;5)干涉闭环光纤陀螺的软件设计.相应问题细化到运放,模数转换,数模转
2、换等器件的选择,并针对双路调制信号对光纤陀螺的影响和应对措施作了工程性的分析.本文是基于长期的工程实践和深入的理论分析而得到的,具有较强的实践参考意义.运用文章中的方法和经验,实践证明光纤陀螺仪的精度和灵敏度有较大提高.关键词:干涉型光纤陀螺;器件选择;阶梯波调制;信号滤波中图分类号:TP273 文献标识码:AResearchofthekeytechnologiesonclosedloopIFOGWANGWei,YUANGannan,WUJunwei(SchoolofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstra
3、ct:ThekeyproblemsandsolutionsoftheIFOGSrealizationhavebeeninvolvedinthispaper.HeretheIFOGsystemisdividedintotheforntpartandthebackone.Thekeytechnologiespresentedinthispaperare1)filterofcombsignal,2)selectionofanalogswitch,3)samplingofsignals,4)processofstepwaveand5)softwaredesignforIFOG.Detailsforth
4、eselectionofelectroniccomponents,suchasAMP,A/D,D/A,arealsopresentd.ThedoublemodulatedsignalseffectonIFOGandcountermeasurementsintheengineeringsituationarediscussed.Theresultsinthispapercomesfromlongtimeengineeringworkandtheoreticalanalysis,SOtheycanbeusedasagoodreferencetoo1.Theprecisionandthesensit
5、ivityofIF(X;-canbegreatlyimprovedbyuseofthepresentedmethods.Keywords:IFOG;selectionoftheelectriccomponents;modulateoframpwave;signalfilter干涉型光纤陀螺仪(IFOG)是一种基于 Sagnac效应的新型全固态陀螺.目前光纤陀螺的研究已有了长足的发展,干涉型光纤陀螺已经进入了实用化阶段.干涉型闭环光纤陀螺要提高精度和灵敏度,信号处理是关键.这就要求闭环的实现要足够精确,才能在有效地降低噪声的同时提高陀螺的精度和灵敏度.为此,细化信号处理的每个细节对提高性能就很必
6、要.文中围绕构成闭环控制的双路调制信号,对器件的选择和安排方法作了系统的总结,尽量消除各细节的累积误差,提高陀螺的精度和灵敏度.1 硬件实现中的几个关键问题及对策1.1 闭环系统的前端1.1.1 梳状信号的滤波干涉型光纤陀螺仪的转动信号转化成带梳状脉冲的方波电压信号(如图 1),对此信号做精确的放大采样对于整个陀螺仪起着至关重要的作用.光电模块输出的陀螺转动信号是方波信号,要精确检测该信号,对器件的转换速度和带宽要有一定要求.为确保信号的前置放大和处理不失真,选择放大器的带宽至少是方波基频的 1O 倍以上,使方波的 9 次谐波可以通过,而且为了对转动信号进行实时的处理,要求器件的建立时间足够短
7、,使转动信收稿日期:20040809.作者简介:王威(1979 一), 男 ,硕士研究生,主要研究方向:导航,制导与控制研究以及光纤陀螺等精密仪器的开发第 8 期王威,等:干涉型闭环光纤陀螺实现中关键问题研究 ?35?号的时延足够小,确保信号不失真0t/s图 1 陀螺转动时的干涉信号为了尽量减小运放产生的畸变对干涉信号的影响,采用高速和宽带运算放大器.实际中要求运放的转换率在 1000V/s 以上,2V 阶跃时间控制在30ns 或者更小.采用了 AD811,转换率为2500V/us,2V 阶跃时间为 25ns.类似性能的运放还有 MAX4435 等.干涉信号中混有高频噪声,这种噪声满足均方为零
8、的统计特性,噪声是有害的,所以要对干涉信号进行滤波.现采用的滤波电路如图 2 所示,于是有:rrUo=一 u=一(1/C)I,dt= 一(1/Rc)l 己,df.图 2 滤波电路不意图实际应用中,脉冲频率为 200kHz,脉冲宽度为2.5s.要去除高频噪声且不影响有用的脉冲直流信号,一定要选好尺,C 的值,这里选择 R=0.8kQ.C=400pF.1.1.2 模拟开关的选取干涉信号的梳状脉冲的高度在 1V 左右,它在通过放大器之前最好经过高速模拟开关切掉.这样就减小了高频脉冲给测量带来的影响,同时也消除了运放电压饱和的可能性.为满足高频的方波信号,模拟开关也必须是高速和宽带的,实际中选用 40
9、53高速模拟开关.在满足光路半波电压的前提下,调节方波高度从而减小梳状脉冲的高度,将其控制在50-200mV,这样小的脉冲可以直接通过运放而无须通过模拟开关,这对减少噪声和降低成本有好处.1.1.3 信号采样实际应用中的光纤陀螺常采用的光纤长度为500m,因此,光纤陀螺的渡越时间 r=2.5S.模数器件必须在如此短的时间内进行合理的采样.高速D 是必须的,但也不是越快越好.由于在采样时间段的干涉信号具有高频噪声背景.根据采样定理,采样频率至少是有用信号频率的 2 倍才能提取出有用信号,提高采样频率必然会引进无用的高频噪声.但是这里的高频噪声并不是有色噪声,而是满足均值为零( =0)的高斯白噪声
10、.为此,实际中采用 2 种采样方案:方案一,不采用高速的 D 器件,只在有用信号时间段进行有限次的采样,一般为 38 次,避免引入高频噪,从而有效地提取出转动直流信号.它的缺点是采样点需要进行多次实验确定,带有一定的随机性;方案二,采用高速 D 器件,进行足够多的采样(一般在 100 次以上),对采样点的值先求和再进行互相关运算,利用白噪声的统计规律得到转动信息.这种方案的缺点是容易引入电路的高频噪声,给后端的处理带来噪声影响.1.2 闭环系统的后端陀螺信号处理的后端的作用是形成反馈,从而实现闭环控制.后端的输出由 2 部分组成:一是调制阶梯波,用来抵消光纤陀螺仪由于转动而产生的非互易相移;另
11、一个是调制方波,作用是引入一个 7/2大小的恒定非互易相移,使干涉仪的光强与相移成正弦关系,在零点附近光强与相移成线性关系,获得最高的灵敏度.闭环控制要求多大的非互易相移,就应该要求有多大的反馈电压作用在调制器上,两者应该有严格的线性关系.为此,构成阶梯波的双路加法器就显得尤为重要.实际中采用平均滤波法实现对阶梯波中高频噪声的消除,具体方法是:陀螺工作在开环状态,只加入调制方波,不反馈阶梯波,并且使陀螺保持静止,测量 2 个加法器的值,去除掉低位的噪声位,而只把高位的有用信号位用来构成阶梯波.由于实际中的 D/A 器件,运放和电路会有一定的延时,从而使阶梯波在复位的时候会有一定的延时,这使阶梯
12、波从图 3 的理想状态变为图 4 的实际状态.图 3 阶梯波理想状态t/s图 4 有延时的阶梯波?36?应用科技第 32 卷实验中,高为 10V 的阶梯波如果延时超过300ns,将会使前端的干涉信号在阶梯波跳变的时刻发生严重的扭曲,使正常干涉信号变成畸变干涉信号.如图 5,6 所示,如果阶梯波复位的延时过大(大于 500ns),会使干涉信号段发生严重的畸变,从而造成转动信号的丢失,并且引入很大的误差,陀螺的精度也受到很大的影响.为了降低阶梯波复位的延时,必须使用高速 D/A 器件.市面上有 2 种类型的D/A 器件,一种是电压型的;另一种是电流型的.电压型的建立时间是微秒级的,而电流型的建立时
13、间却是纳秒级的,所以选择电流型的 r)/A 器件.实际中选用的电流型 D/A 有:AD7538(大于 1MHz 的刷新率,适用但属于低速),MAX5195(260M 刷新率,超高速,效果很好).为了获得很好的闭环反馈,同时保证阶梯波不会对干涉信号产生影响,实践得到的经验是控制阶梯波的复位时延在 300FIS 以内.f/S图 5 正常干涉信号-_.一图 6 产生畸变的干涉信号2 软件设计采用 DSP 实现主要算法.互相关算法简单有效,用在数据采集的前端,能有效提取出干涉信号中的转动信号.在数字电路时序的控制下,加法器完成了互相关算法,由于其功能简单,这部分工作由FPGA 来完成.滤波的方法很多,
14、在实践中经过对比实验和工程性的考虑,采用 FIR 滤波.要进行这种滤波,窗函数系数的确定显得尤为重要.由系统的传递函数来确定窗函数的系数是一个可靠易行的方法.把陀螺固定在转台上,测其阶跃响应,回零响应,震动回零响应等响应曲线的数据,根据经典建模方法确定陀螺的传递函数,应用传递函数实现对转动信号的 FIR 滤波 .还可以根据以无偏最 tJx-乘法为基础的函数,利用 Matlab 来建立系统的传递函数 ;沃尔什函数就是其中一种.当然,利用该函数建立传递函数的前提是要有足够的输入,输出数据.3 结束语通过对光纤陀螺信号处理系统的关键问题的深入研究,明确了改进陀螺结构,并最终提出提高陀螺精度和灵敏度的努力方向和具体方法.以上提出的问题以及解决方法是从长期的工程实践中总结出来的,具有一定的实践指导意义.只有做好硬件和软件上的各个细节的工作,才能提高光纤传感器的精度和灵敏度.参考文献:1张桂才.光纤陀螺仪 M.王巍,译.北京:国防工业出版社.2002.2李绪友.高精度数字闭环光纤陀螺的研究J.哈尔滨工程大学,2002(9):5060.3王巍,张维叙 .数字式光纤陀螺检测系统j. 惯导与仪表,1992(4):26 27.责任编辑: 姜海丽
