一種提高光纖陀螺輸出精度的方法
2023-05-05 09:46:16
專利名稱：一種提高光纖陀螺輸出精度的方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術中光纖傳感器的領域，尤其涉及一種提髙光纖陀螺 輸出精度的方法。更具體地說，是指一種通過硬體補償數模轉換器的積分非線 性誤差來提高光纖陀螺輸出精度的方法。
背景技術：
閉環光纖陀螺的調製主要有兩種功能動態偏置以及閉環反饋。其中動態 偏置使系統工作於最靈敏的±豕/2工作點，而閉環反饋是提供一個額外的相位， 以補償系統轉動帶來的Sagnac相移，保持光纖陀螺準確的工作在±豕/2工作點， 從而獲得線性度好的標度因子。目前動態偏置和閉環反饋的實現是通過給集成相位調製器施加電壓而完成 的，外加電壓會產生與之成正比的相位差。外加電壓的實現，是通過信號處理 電路產生數位訊號，經過數模轉換器和後放驅動電路施加在集成相位調製器上 的。由於該電壓攜帶了反饋和偏置的信息量，它的誤差會直接反應為幹涉測量 值的誤差，而陀螺正是對該幹涉測量信號進行解調和積分後輸出的，所以這個 誤差會直接反應為光纖陀螺輸出的誤差。只有提供準確的2;r電壓才能保證集成 相位調製器產生的光相位差的準確性，從而保證光纖陀蟝輸出的精度。在信號處理電路一數模轉換器一後放驅動電路的迴路中，數模轉換器的積 分非線性誤差是最主要的誤差源，該誤差的存在降低了反饋和偏置電壓的精度， 導致了反饋和偏置電壓的不準確，從而降低了光纖陀螺的輸出精度。 發明內容本發明的目的是針對目前光纖陀嫘研究中，尚無測試數模轉換器的積分非 線性誤差並進行硬體補償的現狀，提供一種提髙光纖陀螺輸出精度的方法。 發明原理根據Sagnac幹涉儀的光路原理，最終到達探測器上的幹涉信號可表示為 / = /0[l+cos(《+Kfl)] (1) 其中A為為系統的調製深度，而-。為系統輸入轉速所產生的Saganc相移， ^為實現閉環需要的反饋相移。其中，A和&均是通過信號處理電路產生數字 信號，經過數模轉換器和後放驅動電路施加在集成相位調製器上的。令從處理器到集成相位調製器環節的理想係數為A:,數模轉換器的積分非線性誤差引起的誤差係數為M，此時(1)式可以改寫為/ = /0{l+cosWn+("AA:"(Arra+AU} (2) 其中AK^為時延差分調製電壓，而AP^為反饋值所對應的電壓。通過(2) 式可以看出AAT值的存在直接影響了幹涉測量的輸出電流值，帶來了輸出電流值 的誤差，而後期正是對這個輸出進行解調積分獲得光纖陀螺的輸出。所以g值 會對光纖陀螺的輸出精度產生直接影響。 一般使用的14位數模轉換器的積分非 線性誤差為土2I5fi。對於開環檢測大動態範圍的情況，設線圈長度為100m，直 徑為3cm的光纖陀螺，動態範圍為2400。"，此時2LSB的積分非線性誤差引起 的誤差高達1055 VA 。對於開環檢測小動態範圍的情況，設線圈長度為lkm，直 徑為10cm的光纖陀螺，動態範圍為73。/" 2LSB的積分非線性誤差引起的誤 差也有32。/"比地球自轉角速度還高一倍以上。為了降低數模轉換器的積分非線性誤差影響，搭建數模轉換器的數字碼輸 入一模擬值輸出的測試系統；獲得數模轉換器從0到2"-l的不同數字碼輸入響 應的模擬值輸出的對照表；計算得到相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差 的對照表；通過硬體補償數模轉換器的積分非線性誤差，獲得準確的數模轉換 器輸出。本發明所採用的提高光纖陀螺輸出精度的方法包括步驟如下1) 採用計算機、主板、數模轉換器和高精度萬用表搭建數模轉換器的數字 碼輸入一模擬值輸出的測試系統2) 使用數字碼輸入一模擬值輸出的測試系統，從0開始直到2"-1逐一向數 模轉換器發送數字碼，N為數模轉換器的位數利用高精度萬用表採集輸出的相 應模擬值，作出從0到2"-l的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表3) 利用數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表計算得到相應於不同數字碼 輸入的積分非線性誤差的對照表；4) 在光纖陀蟪中，信號處理電路輸出的數位訊號一路經過數模轉換器得到 相應的模擬值，另一路通過查詢數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表得到相 應的積分非線性誤差值，模擬值和積分非線性誤差值通過減法器實現數模轉換 器的積分非線性誤差部分的硬體補償；通過硬體補償數模轉換器的積分非線性 誤差，獲得準確的數模轉換器輸出。所述的獲得從0到2W-i的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表的步 驟如下1) 計算機與主板通信，從0開始發送數字值；2) 主板收到該數字值後再發送給數模轉換器，它輸出響應的模擬值，，等 待一，t由所使用的數模轉換器建立時間決定，待輸出穩定後，主板送電壓穩 定信號給計算機；3) 計算機收到該信號後，通知髙精度萬用表採集數模轉換器輸出的模擬值， 高精度萬用表將採集的模擬值返回給計算機-,4) 完成以上步驟後，主板判斷當前輸入的數字值是否為2"-1, N為數模轉 換器的位數，若是，整個測試結束；否則，當前輸入數字值加l，重複步驟2) 到步驟3);5) 利用主板發送的數字值和高精度萬用表採集的模擬值作出從0到2"-l的 不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表。所述的利用數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表計算得到相應於不同數 字碼輸入的積分非線性誤差的對照表的步驟如下1 )利用最小二乘法對從0到2^ -l的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出擬和 出一條直線；2) 利用從0到2" -l的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出作出一條實際的曲線；3) 兩條曲線的差值為相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差，作出相應 於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表。本發明具有的有益效果是首次提出了測試光纖陀蟪中關鍵器件數模轉換 器的積分非線性誤差並對之補償的方法，該方法適用於開環或閉環方案的光纖 陀螺；補償完全適合在線使用，在實際的陀嫘工作環境中進行；補償方法簡單 方便，容易操作，具有很高的實用價值；目前無其他補償數模轉換器的積分非 線性誤差來提高光纖陀螺精度的方法。利用該技術，可建立數模轉換器的積分 非線性誤差的補償模型，定位制約系統靜態性能的瓶頸，以改善光纖陀蠊的靜 態精度。
圖1是數模轉換器的數字碼輸入一模擬值輸出的測試系統組成原理框圖 圖2是數模轉換器數字碼輸入一模擬值輸出的測試流程圖； 圖3是計算數模轉換器相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表 的框圖；圖4為利用硬體實現數模轉換器的積分非線性誤差補償的框具體實施例方式
下面結合附圖和實施對本發明作進一步說明
圖1是數模轉換器的數字碼輸入一模擬值輸出的測試系統組成原理框圖，
該系統由計算機(PC1)、主板(MB2)、數模轉換器(DAC3)和高精度萬用表 (DMM4)組成。PC1通過RS232埠與MB2相連。MB2的主要器件為DSP， 其UART埠經過協議轉換晶片以RS232協議輸出，用於與PC1通信；其通用 10口與DAC3相連，用於向DAC3發送數字碼；內部時鐘控制模塊協調時序。 DAC3與DMM4相連，DMM4與PC1的另一 RS232埠相連，DMM4用於測 量DAC3的模擬輸出值並將結果送回給PC1。
圖2是數模轉換器數字碼輸入一模擬值輸出的測試流程圖。
1) 計算機與主板通信，從0開始發送數字值；
2) 主板收到該數字值後再發送給數模轉換器，它輸出響應的模擬值，，等 待t戸，t由所使用的數模轉換器建立時間決定，待輸出穩定後，主板送電壓穩 定信號給計算機；
3) 計算機收到該信號後，通知高精度萬用表採集數模轉換器輸出的模擬值, 高精度萬用表將採集的模擬值返回給計算機；.
4) 完成以上步驟後，主板判斷當前輸入的數字值是否為2"-l， N為數模轉 換器的位數，若是，整個測試結束；否則，當前輸入數字值加l，重複步驟2) 到步驟3);
獲得從0到^-l的主板發送的數字值和與之相應的髙精度萬用表採集的模 擬值後，作出從0到2"-l的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表。
圖3是計算數模轉換器相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表 的框圖。根據數模轉換器的積分非線性誤差的定義，積分非線性誤差是指實際 模擬輸出值與理想值的偏差。理想值的獲得有兩種方法，一是對實際模擬輸出 值進行最小二乘法擬和出的一條直線二是連接模擬輸出值的起點和終點作出 的一條直線。其中方法二簡單易行，但由於只使用兩個端點值計算，端點值的 誤差會直接成為擬和結果的誤差，穩定度差。本發明採用方法一進行擬和得出 理想值。
1) 利用最小二乘法對從0到2W -1的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出擬和 出一條直線；
2) 利用從0到2^-l的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出作出一條實際的曲
線；3)兩條曲線的差值為相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差，作出相應 於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表。
圖4為利用硬體實現數模轉換器的積分非線性誤差補償的框圖。在光纖陀 螺中，信號處理電路輸出的數位訊號一路經過數模轉換器得到相應的模擬值， 另一路通過查詢數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表得到相應的積分非線性 誤差值，模擬值和積分非線性誤差值通過減法器實現數模轉換器的積分非線性 誤差部分的硬體補償，補償後的數模轉換器輸出經過後放驅動電路加在集成相 位調製器上。
權利要求
1、一種提高光纖陀螺輸出精度的方法，其特徵在於包括步驟如下1)採用計算機、主板、數模轉換器和高精度萬用表搭建數模轉換器的數字碼輸入-模擬值輸出的測試系統；2)使用數字碼輸入-模擬值輸出的測試系統，從0開始直到2N-1逐一向數模轉換器發送數字碼，N為數模轉換器的位數；利用高精度萬用表採集輸出的相應模擬值，作出從0到2N-1的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表；3)利用數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表計算得到相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表；4)在光纖陀螺中，信號處理電路輸出的數位訊號一路經過數模轉換器得到相應的模擬值，另一路通過查詢數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表得到相應的積分非線性誤差值，模擬值和積分非線性誤差值通過減法器實現數模轉換器的積分非線性誤差部分的硬體補償；通過硬體補償數模轉換器的積分非線性誤差，獲得準確的數模轉換器輸出。
2、 根據權利要求1所述的一種提高光纖陀螺輸出精度的方法，其特徵在於 所述的獲得從0到2^-l的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表的步驟如 下1) 計算機與主板通信，從O開始發送數字值；2) 主板收到該數字值後再發送給數模轉換器，它輸出響應的模擬值，，等 待t/fi， t由所使用的數模轉換器建立時間決定，待輸出穩定後，主板送電壓穩 定信號給計算機；3) 計算機收到該信號後，通知高精度萬用表採集數模轉換器輸出的模擬值，高精度萬用表將採集的模擬值返回給計算機；4) 完成以上步驟後，主板判斷當前輸入的數字值是否為2W-1， N為數模轉換器的位數，若是，整個測試結束；否則，當前輸入數字值加l，重複步驟2) 到步驟3);5) 利用主板發送的數字值和高精度萬用表採集的模擬值作出從0到2" -1的 不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表。
3、 根據權利要求1所述的一種提高光纖陀螺輸出精度的方法，其特徵在於 所述的利用數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表計算得到相應於不同數字碼 輸入的積分非線性誤差的對照表的步驟如下(1 )利用最小二乘法對從0到2W -1的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出擬和 出一條直線； ( 2) 利用從0到2W-1的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出作出一條實際的曲線； (3) 兩條曲線的差值為相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差，作出相應 於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表。
全文摘要
本發明公開一種提高光纖陀螺輸出精度的方法。搭建數模轉換器的數字碼輸入-模擬值輸出的測試系統；獲得數模轉換器從0到2N-1的不同數字碼輸入響應的模擬值輸出的對照表；計算得到數模轉換器相應於不同數字碼輸入的積分非線性誤差的對照表；通過加入減法器的硬體補償方法，補償數模轉換器的積分非線性誤差，獲得準確的數模轉換器輸出。本發明有效的降低了數模轉換器的積分非線性誤差引起的偽輸出，保證了光纖陀螺反饋和偏置電壓的準確，並且能夠根據數模轉換器的參數不同，調節補償的積分非線性誤差部分，有效地提高光纖陀螺的輸出精度。
文檔編號G01C19/72GK101290225SQ20071007145
公開日2008年10月22日 申請日期2007年9月30日 優先權日2007年9月30日
發明者承 劉, 淼 程, 胡慧珠, 舒曉武 申請人:浙江大學