一種閉環光纖陀螺參數的自動調試裝置及方法與流程

2023-12-09 17:01:56 4

本發明屬於閉環光纖陀螺控制技術，具體涉及一種閉環光纖陀螺參數的自動調試裝置及方法。

背景技術：

閉環光纖陀螺調試工序是陀螺生產流程中非常重要的環節，調試參數的準確與否直接影響光纖陀螺的性能。光纖陀螺調試參數主要包括：本徵頻率、集成光學調製器2π電壓以及陀螺軸向三個參數。國內現主流陀螺生產過程採取的調試參數獲取方法是分別下載固定階梯波邏輯、2π電壓調試邏輯以及正常陀螺採集邏輯來獲取光纖陀螺的三個參數，並且需要藉助數字示波器進行陀螺本徵頻率和集成光學調製器2π電壓的量取，量取的準確性及客觀性無法保證，存在較大誤差。現有專利也提到了採用方波調製或者鋸齒波周期遍歷採樣及解調方案在線測量陀螺本徵頻率的方法，但該方案解調過程複雜且耗時相對較長，且只能測量陀螺本徵頻率單一參數，不利於陀螺量產。

技術實現要素：

本發明的目的是：提供一種在不增設示波器等外設的情況下，自動一次性生成光纖陀螺本徵頻率、集成光學調製器2π電壓及陀螺軸向三個調試參數的閉環光纖陀螺參數的自動調試裝置及方法。

本發明的技術方案：光纖陀螺參數自動調試裝置，其包括前置放大器6、模數轉換器7、串行數模轉換器9、數模轉換器10、處理器11、速率信息解調器12、集成光電調製器2π電壓解調器13、三態調製信號產生器14、部分階梯波信號產生器15、先入先出緩存器16、模數轉換器時鐘產生器17、發送時鐘產生器18，其中，前置放大器6、模數轉換器7、速率信息解調器12、集成光學調製器2π電壓解調器13、串行數模轉換器9、數模轉換器10順次連接，三態調製信號產生器14設置在數模轉換器10與集成光學調製器2π電壓解調器13之間，部分階梯波信號產生器15連接在數模轉換器10上，模數轉換器7經過先入先出緩存器16與處理器11相連，速率信息解調器12與處理器11相連，集成光學調製器2π電壓解調器13與處理器11相連，發送時鐘產生器18設置在處理器11和先入先出緩存器16之間，模數轉換器時鐘產生器17設置在模數轉換器7與先入先出緩存器16之間，且前置放大器6接收光纖陀螺光電探測器5發出的信號，數模轉換器10與光纖陀螺的集成光學調製器3連接。

速率信息解調器12、集成光學調製器2π電壓解調器13、三態調製信號產生器14、部分階梯波信號產生器15、先入先出緩存器16、模數轉換器時鐘產生器17、發送時鐘產生器18均集成在FPGA8上。

一種基於所述的光纖陀螺參數自動調試裝置的光纖陀螺參數自動調試方法，數模轉換器將FPGA產生的數字調製信號轉換為模擬信號，並施加在集成光學調製器上，完成部分階梯波調製，結合先入先出緩存器的不同頻讀寫方法實現對光纖陀螺特徵頻率參數的自動調試；串行數模轉換器實現對數模轉換器參考電壓的控制，結合三態調製實現集成光學調製器2π電壓參數及軸向參數的自動調試。

所述的光纖陀螺參數自動調試方法，其本徵頻率參數自動調試過程如下：

a、部分階梯波信號產生器產生固定步進階梯波信號，該信號起始碼值在階梯波產生器最大碼值附近，當達到最大碼值時自動從碼值0開始遞增；

b、模數轉換器對光電探測器信號進行轉換，並以採樣時鐘將數據送入先入先出緩存器中存儲；

c、先入先出緩存器存儲一個部分階梯波調製周期數據後，處理器以通訊時鐘接收先入先出緩存器中存儲的數據；

d、處理器自動尋找信號中脈衝位置，進行脈衝信號多項式擬合併經過多次測量得到精確的陀螺本徵頻率參數，生成相應FPGA分頻參數；

e、FPGA接收對應本徵頻率的分頻參數，產生頻率等於2倍本徵頻率的三態調製信號。

所述的光纖陀螺參數自動調試方法，其集成光學調製器2π電壓參數自動調試過程如下：

a、三態信號產生器產生頻率等於2倍本徵頻率的三態調製信號，集成光學調製器2π電壓解調器對三態調製信號第2和第3種狀態對應的信號進行解調，得到2π電壓誤差；

b、集成光學調製器2π電壓解調器產生2π電壓誤差反饋量並調整串行數模轉換器輸出，以調整數模轉換器加在集成光學調製器上的調製信號幅值；

c、調整三態調製信號幅值直至2π電壓誤差消除，產生2π電壓參數，處理器接收並存儲該參數，三態調製信號產生器生成頻率等於2倍本徵頻率、幅值達到消除2π電壓誤差效果的三態調製信號。

所述的光纖陀螺參數自動調試方法，其軸向參數自動調試過程如下：

a、速率信息解調器對三態調製信號第1種和第3種狀態對應的信號進行解調，得到陀螺速率信息；

b、處理器接收速率信息，通過判定數據正負生成陀螺軸向參數。

處理器將接收到的陀螺本徵頻率、集成光學調製器2π電壓及陀螺軸向三參數綜合，生成該調試陀螺對應的FPGA邏輯。

本發明的有益效果：本發明閉環光纖陀螺參數自動調試方法可以不增設示波器等測量儀器，準確、快速、自動化完成閉環光纖陀螺本徵頻率、集成光學調製器2π電壓及陀螺軸向三個主要參數的調試，可大幅提高光纖陀螺調試效率，降低調試成本，同時提升調試參數客觀性及準確性。

附圖說明

圖1為本發明閉環光纖陀螺參數自動調試裝置的結構框圖；

1-光源、2-耦合器、3-集成光學調製器、4-光纖環、5-光電探測器、6-前置放大器、7-模數轉換器、8-FPGA、9-串行數模轉換器、10-數模轉換器、11-處理器、12-速率信息解調器、13-波導2π電壓解調器、14-三態調製信號產生器、15-部分階梯波信號產生器、16-先入先出緩存器、17-模數轉換器時鐘產生器、18-發送時鐘產生器。

圖2為本發明自動調試方法流程框圖；

圖3為部分固定階梯波調製信號及光纖陀螺產生的響應信號示意圖；

圖4為三態調製信號及光纖陀螺響應示意圖。

具體實施方法

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：

如圖1所示，本發明閉環光纖陀螺參數自動調試裝置包括光源1、耦合器2、集成光學調製器3、光纖環4、光電探測器5、前置放大器6、模數轉換器7、串行數模轉換器9、數模轉換器10、處理器11、速率信息解調器12、集成光電調製器2π電壓解調器13、三態調製信號產生器14、部分階梯波信號產生器15、先入先出緩存器16、模數轉換器時鐘產生器17、發送時鐘產生器18。其中光源、耦合器、集成光學調製器、光纖環和光電探測器組成閉環光纖陀螺的光路部分。光電探測器將光信號轉換為電信號；前置放大器將電信號放大後供後續處理；模數轉換器將模擬電信號轉換為數位訊號，以便FPGA進行相應的處理；速率解調器、波導2π電壓解調器、三態調製信號產生器、部分階梯波信號產生器、先入先出緩存器、模數轉換器時鐘產生器以及發送時鐘產生器均為FPGA中相應調製解調及信號處理模塊，共同完成調試參數生成；數模轉換器實現將FPGA產生的數字調製信號轉換為模擬信號，並施加在集成光學調製器上，完成部分階梯波調製或者三態調製；串行數模轉換器實現對數模轉換器參考電壓的控制，結合三態調製實現集成光學調製器2π電壓參數跟蹤及生成；處理接收FPGA產生的數據，並進行擬合、計算、判定等以實現最終調試參數的產生及待調試陀螺FPGA邏輯生成。

(1)本徵頻率參數生成

圖1中前置放大器、模數轉換器、部分階梯波信號產生器、先入先出緩存器、模數轉換器時鐘產生器、發送時鐘產生器以及處理器構成了本徵頻率參數自動生成迴路，參數生成過程如下：

a、如圖2所示，由部分階梯波信號產生器生成部分階梯波，該階梯波以碼值1為步進，一個調製周期512個碼值，從碼值為65279開始，當碼值達到65535時部分階梯波復位，此時從碼值為0開始繼續累加，累加至255再變為65279，完成一個周期調製(圖3上圖)；在部分階梯波復位時，模數轉換器會接收到時間間隔為光纖陀螺周期τ的兩個脈衝(圖3下圖)。

b、光電探測器和模數轉換器對脈衝信號進行採集和模數轉換，送入FPGA中的先入先出緩存器，先入先出緩存器由圖1中模數轉換器時鐘產生器和發送時鐘產生器兩個模塊控制，模數轉換器時鐘是模數轉換器的驅動時鐘以及先入先出緩存器的讀時鐘，該時鐘上升沿模數轉換器進行數據轉換，先入先出緩存器讀取當前階梯波碼值下的數據並存儲；

c、存儲一個調製周期的數據後，先入先出緩存器將存儲的數據發送給處理器，由發送時鐘產生器產生先入先出緩存器的寫時鐘及處理器的接收時鐘；

d、處理器接收到該周期數據後，自動尋找兩個脈衝位置，對脈衝進行多項式擬合，得到脈衝在一個周期數據中的位置序號T1和T2，則待測光纖陀螺的本徵頻率由下式自動算出：

式中，Tad為模數轉換器時鐘。

e、重複以上步驟N次得到測試結果的平均值，該值經過自動計算適合於FPGA的分頻係數並發送回FPGA，FPGA接收到分頻係數後由模數轉換器時鐘發生器實時調整模數轉換器時鐘，使調製信號頻率等於待調陀螺本徵頻率。

因此，本發明通過部分固定階梯波調製及多周期脈衝間隔平均解調，快速準確實現閉環光纖陀螺本徵頻率自動測量及分頻係數產生。

(2)集成光學調製器2π電壓參數生成

圖1中光源、前置放大器、模數轉換器、串行數模轉換器、波導2π電壓解調器、三態調製信號產生器、數模轉換器、處理器構成了集成光學調製器2π電壓參數自動生成迴路，參數生成過程如下：

a、三態信號產生器產生頻率等於2倍本徵頻率的三態調製信號(如圖4下圖)，其中三態調製信號3個狀態的偏置相位如式(2)和式(3)所示：

φb+aφb＝2π (3)

當集成光學調製器的2π電壓參數不準時，採集到的信號如圖4右圖所示；

b、集成光學調製器2π電壓解調器對三態調製信號第2和第3種狀態對應的信號進行解調，得到2π電壓誤差；

c、集成光學調製器2π電壓解調器產生2π電壓誤差反饋量並調整串行數模轉換器輸出，以調整數模轉換器加在集成光學調製器上的調製信號幅值；

d、調整三態調製信號幅值直至2π電壓誤差消除，產生2π電壓參數，處理器接收並存儲該參數，三態調製信號產生器生成頻率等於2倍本徵頻率、幅值達到消除2π電壓誤差效果的三態調製信號。

(3)陀螺軸向參數生成

圖1中前置放大器、模數轉換器、速率信息解調器、三態調製信號產生器、數模轉換器、處理器構成了陀螺軸向參數自動生成迴路，參數生成過程如下：

a、速率信息解調器對三態調製信號第1種和第3種狀態對應的信號進行解調，得到陀螺速率信息；

b、將速率信息發送給處理器，處理器接收到速率信息後判定速率信息的正負，在地球自轉情況下，陀螺速率信息應為正，若接收到的速率信息為負說明應當反向軸向參數，由此完成陀螺軸向參數自動調試。

本發明將三態調製信號施加在集成光學調製器上，快速實現波導2π電壓調整，並同時實現集成光學調製器2π電壓和陀螺軸向參數獲取。

(4)三參數綜合

將第(1)、(2)、(3)步自動生成的本徵頻率、集成光學調製器2π電壓和陀螺軸向參數存儲，並生成適用於待調陀螺的專用FPGA邏輯。