一種光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置與流程

2023-12-09 17:08:36 2

本發明涉及光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置，主要用於光纖陀螺標度因數性能提升，方法簡單可靠，測量精度高。
背景技術：
：光纖陀螺是一種敏感角速率的光纖傳感器，具有無運動部件、工藝簡單、精度覆蓋面廣、動態範圍大、啟動快、壽命長、抗衝擊、耐過載等優點。光纖陀螺在航空、航天、航海和兵器等軍用領域具有廣闊的發展前景，引起世界各國的關注。進入21世紀後，光纖陀螺已成為慣性測量和制導領域的主流儀表之一。光纖陀螺的主要性能指標大致可以分為五大類：零偏、隨機遊走、標定因數、動態範圍和帶寬。影響光纖陀螺標度因數的因素除光纖環參數(光纖環直徑、光纖長度等)，還包括Y波導調製器參數(半波電壓、電極長度、電極寬度、折射率等)和數字電路參數(DA轉換函數、調製電路增益等)。可將數字電路及Y波導相位調製器視為反饋迴路，其作用是實時補償Sagnac相位差，因此反饋迴路性能直接影響了光纖陀螺性能。閉環方式是通過控制相位調製器，在光纖敏感環上添加能夠補償相向兩束光波轉動相位差的補償信號，使得幹涉光波之間的總相位差始終為常值。測量滿足這一條件所引入的非互易相位差作為光纖陀螺的輸出。閉環光纖陀螺的標度因數可表示為，式中，λ為真空中的波長，c為真空中光速，L為光纖長度，L＝NπD，D為線圈直徑，N為光纖匝數，k為反饋迴路增益，KSF即為光纖陀螺的標度因數。其中反饋迴路增益k性能主要分為非線性、不對稱性、重複性。受限於光纖陀螺電路及Y波導加工工藝，光纖陀螺反饋迴路增益必定存在以上非線性、不對稱性、重複性等性能。對於不同的成品光纖陀螺，其以上三個性能均有所不同。儘管可以通過調製增益反饋的方法對以上三個性能進行優化，但仍存在非線性、不對稱性、重複性。針對高精度光纖陀螺，對於其在特定適用範圍，特別是溫度變化的情況下，其反饋迴路增益的非線性、不對稱性、重複性也會發生變化。同時光纖陀螺雖然也會針對以上性能進行測試，但該測試是從整體系統的角度出發，包含了多種因素，不能就反饋迴路性能進行描述和評估。技術實現要素：針對現有光纖陀螺反饋迴路性能測試存在其他幹擾因素的問題，並為篩選和提高光纖陀螺反饋迴路提供參考，本發明的目的在於提供一種光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置。本發明的技術方案是：一、一種光纖陀螺反饋迴路性能測試方法：光纖陀螺的主控晶片周期性地對內部Y波導相位調製器進行相位控制，並實時同步採集光纖陀螺中Y波導相位調製器兩臂光束的幹涉光強數位訊號，通過數據處理算法對採集的幹涉光強數位訊號數據進行處理，獲得光纖陀螺反饋迴路性能參數。所述的光纖陀螺的主控晶片周期性地對內部Y波導相位調製器進行相位控制具體採用以下方式：主控晶片經數模轉換器輸出反饋信號到Y波導相位調製器，主控晶片輸出到數模轉換器的信號遍歷整個數模轉換器輸出範圍進行變化，遍歷循環50次以上。具有優選的可以使由0遞增到最大值，再遞減到0，並重複以上循環50次以上。所述的數據處理算法是對採集到的幹涉光強數位訊號I(t)依次進行周期平均、相位解調和線性擬合。利用周期性，對數據信號進行周期平均，利用幹涉公式進行對應相位解調，利用光纖陀螺數模轉換器輸入與相位進行擬合即可獲得光纖陀螺反饋迴路性能，包括反饋迴路增益係數、非線性、不對稱性及重複性。所述的數據處理算法具體如下：1)採用以下公式進行周期平均，獲得光強信號與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號的平均函數I(D)：式中，I(t)為t時刻採集的幹涉光強信號，D為光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號，N為循環次數，D(t)為光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號隨時間變化函數，I(D)為光強信號與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號的平均函數；2)根據光強信號與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號的平均函數I(D)採用以下公式進行相位解調，獲得Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號Δφ(D)：式中，I(D)為光強信號與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號的平均函數，I0為零相位差光強信號，Δφ(D)為Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號，Δφ_(D)為Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片負輸出數字量D對應的相位信號，Δφ+(D)為Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片正輸出數字量D對應的相位信號，Dmax為最大光纖陀螺主控晶片輸出數字量；3)根據Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號Δφ(D)進行線性擬合，進而計算獲得反饋迴路性能參數。所述步驟3)具體是：先建立以下公式表示的Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號Δφ(D)與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號D之間的線性模型：Δφ(D)＝K×D+D0+υΔφ_(D)＝K_×D+D0-+υ_DDmax/2其中K為反饋調製增益，D0為輸出偏置，υ表示線性殘差量，K+為Δφ+(D)線性擬合係數，D0+為Δφ+(D)輸出偏置，υ+表示Δφ+(D)擬合線性殘差量，K_為Δφ_(D)線性擬合係數，D0_為Δφ_(D)輸出偏置，υ_表示Δφ-(D)擬合線性殘差量。接著利用最小二乘法進行求解獲得反饋調製增益K和輸出偏置D0，利用反饋調製增益K和輸出偏置D0採用以下分別計算獲得逐點非線性性能α(D)、不對稱性性能Kα和重複性性能Kr：逐點非線性性能α(D)表示為：不對稱性性能Kα表示為：重複性性能Kr表示為：式中，Q為重複測試次數，i為測試序號，範圍為1到Q，Ki為第i次測量的反饋調製增益，即為Q次反饋調製增益均值。二、一種光纖陀螺反饋迴路性能測試裝置：所述測試裝置連接在光纖陀螺無光纖環部分的兩輸出端，利用該測試裝置對無光纖環的部分光纖陀螺結構進行測試，包括測試耦合器、探測器、模數轉換器、數位訊號處理晶片和標準信號源，光纖陀螺的Y波導相位調製器的兩臂輸出端直接連接到測試耦合器的輸入端，測試耦合器的輸出端與探測器的輸入端連接，探測器的輸出端和標準信號源一起經開關與模數轉換器連接，模數轉換器與數位訊號處理晶片，數位訊號處理晶片與光纖陀螺的主控晶片連接。所述的Y波導相位調製器的兩臂輸出端輸出光束到測試耦合器形成幹涉光強數位訊號，依次經探測器採集、模數轉換器轉換後輸入到數位訊號處理晶片，模數轉換器通過開關控制連接探測器或者標準信號源，標準信號源用以對模數轉換器進行標定，數位訊號處理晶片利用來自光纖陀螺主控晶片的同步信號同步採集模數轉換器發送過來的信號。所述的測試裝置在測試前利用開關控制模數轉換器連接到標準信號源，用標準信號源對模數轉換器進行標定。本發明的有益效果是：本發明具體是針對無光纖環的部分的反饋迴路性能進行測試，能用於光纖陀螺生產過程中階段性檢查以及光纖陀螺標度因數性能提升，方法簡單可靠，避免了光纖陀螺標度因數測試過程中光纖環等其他因素對反饋迴路的影響，為光纖陀螺標度因數穩定性、非線性、不對稱性改進提供方案。本發明方法為在線測試，可用於光纖陀螺生產過程中階段性檢查以及光纖陀螺標度因數性能提升，方法簡單可靠，為光纖陀螺標度因數穩定性、非線性、不對稱性、重複性改進提供基礎。附圖說明圖1是光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置的結構示意圖。圖2是光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置的信號時序圖(單個周期)。圖3是光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置的某光纖陀螺反饋迴路測試的探測光強信號及時域平均，解調後的相位圖。圖4是光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置的某光纖陀螺反饋迴路的逐點非線性圖圖5是光纖陀螺反饋迴路性能測試方法及裝置的實施步驟簡圖。具體實施方式下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。本發明的實施例如下：實施例主要結構分為待測光纖陀螺結構和測試結構，如圖1所示。待測光纖陀螺結構為無光纖環的部分閉環光纖陀螺結構，測試裝置連接在光纖陀螺無光纖環部分的兩輸出端。測試裝置包括測試耦合器、探測器、模數轉換器、數位訊號處理晶片(主要包括FPGA、DSP、ARM等)和標準信號源，其中耦合器是實現輸出光幹涉，探測器用於探測幹涉光強，標準信號源是用於模數轉換器標定。光纖陀螺的Y波導相位調製器的兩臂輸出端直接連接到測試耦合器的輸入端，測試耦合器的輸出端與探測器的輸入端連接，探測器的輸出端和標準信號源一起經開關與模數轉換器連接，模數轉換器與數位訊號處理晶片，數位訊號處理晶片與光纖陀螺的主控晶片連接。Y波導相位調製器的兩臂輸出端輸出光束到測試耦合器形成幹涉光強數位訊號，依次經探測器採集、模數轉換器轉換後輸入到數位訊號處理晶片，模數轉換器通過開關控制連接探測器或者標準信號源，標準信號源用以對模數轉換器進行標定，數位訊號處理晶片利用來自光纖陀螺主控晶片的同步信號同步採集模數轉換器發送過來的信號。測試裝置在測試前利用開關控制模數轉換器連接到標準信號源，用標準信號源對模數轉換器進行標定。實際測試過程中，光纖陀螺主控晶片輸出DA信號從0遞增到最大值，再遞減到0，以12位DA為例，即從000遞增到FFF，再遞減到000，如圖2(A)所示。D/A輸出數字量即為：式中，D(t)即為光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號隨時間變化函數。光纖陀螺結構中Y波導相位調製器兩路輸出產生的相位如圖2(B)所示。測試結構探測到的光強如圖2(C)所示，受光纖陀螺增益電路及Y波導各異性影響，其典型光強曲線如圖2(C)所示。理想情況下，光纖陀螺結構中Y波導相位調製器兩路輸出相位隨時間線性變化，進而探測到的幹涉光強呈現理想的正弦變化。以上為一個測試周期，為獲得更精確的數據，需重複多個周期進行測量，最終獲得光強探測信號I(t)。最終數據經過時域篩選及平均獲得以下光強數據：式中，I(D)為光強信號與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號的平均函數，I0為零相位差光強信號，I_(D)為光強信號與光纖陀螺主控晶片負輸出數位訊號的平均函數，I+(D)為光強信號與光纖陀螺主控晶片正輸出數位訊號的平均函數，Dmax為最大光纖陀螺主控晶片輸出數字量，D為光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號，N為循環次數。根據光纖陀螺光強幹涉公式可得，Y波導兩路相位差為：式中；Δφ(D)為Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號，Δφ-(D)為Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片負輸出數字量D對應的相位信號，Δφ+(D)為Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片正輸出數字量D對應的相位信號，n+、n-由圖2(C)可獲得，用於修正反餘弦函數值域範圍限制。根據已經建立的Δφ(D)、Δφ_(D)、Δφ+(D)與D的以下線性模型：Δφ(D)＝K×D+D0+υΔφ_(D)＝K_×D+D0_+υ_DDmax/2其中K為反饋調製增益，D0為輸出偏置，υ表示線性殘差量，K+為Δφ+(D)線性擬合係數，D0+為Δφ+(D)輸出偏置，υ+表示Δφ+(D)擬合線性殘差量，K_為Δφ_(D)線性擬合係數，D0-為Δφ_(D)輸出偏置，υ_表示Δφ-(D)擬合線性殘差量。利用最小二乘法求得K、D0、K_、D0-、K+、D0+，再利用擬合直線獲得：實際數據與線性模型逐點非線性偏差為：反饋迴路不對稱性可以通過以下公式求得：式中，K+為Δφ+(D)線性擬合係數，K_為Δφ_(D)線性擬合係數。反饋迴路重複性可通過多次實驗，利用多次實驗結果計算獲得，其計算公式如下：式中，Q為重複測試次數，i為測試序號，範圍為1到Q，Ki為第i次測量的反饋調製增益，即為Q次反饋調製增益均值。以一組仿真數據進行說明，圖3中，上下兩圖分別代表光強信號與光纖陀螺主控晶片輸出數位訊號的平均函數I(D)和Sagnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號Δφ(D)，對agnac相位差與光纖陀螺主控晶片輸出數字量D對應的相位信號Δφ(D)進行線性擬合後進行逐點非線性、不對稱性的計算，其中逐點非線性可以通過圖4表示；不對稱性為693ppm。計算過程如下：利用最小二乘法線性擬合後獲得：K＝0.0016436D0＝-3.365542K_＝0.0016482D0-＝-3.368514K+＝0.0016494D0+＝-3.385091利用以上參數可獲得：對於重複性，對於多次重複測量，獲得多次線性擬合後的反饋調製增益如下表：序號12345反饋調製增益K0.00164360.00165330.00164400.00165090.0016480根據以上參數，進行如下計算，可得由上式可得重複性為2.572‰。在光纖陀螺高精度應用場合，可使用多項式擬合或表格記錄，如此可進一步減少光纖陀螺標度因數非線性及不對稱性。在進行測試前，為達到更高精度，需要對測試裝置中模數轉換器(AD晶片)進行標定，即如圖5所示。再完成標定後才進行上述測試。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp