專利名稱：一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種前向增益估計，更特別地說，是指一種采用偽隨機擾動辨識法對 全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益進行估計。
背景技術：
光纖陀螺是一種測量角速度的儀器，其硬件包括光源l、耦合器2、集成光學調 制器3、光纖環(huán)4、光電探測器5和信號處理裝置6組成(請參見圖1所示)。所述 的信號處理裝置6包括用于檢測光電探測器5輸出的光功率信號51的前置放大電路 61、 A/D轉換器62、中心處理器63、 D/A轉換器64和放大調理電路65組成(請 參見圖2所示)。隨著電子科技的發(fā)展，中心處理器63常采用DSP處理器芯片、或 者是FPGA處短器芯片、或者是DSP+FPGA的雙處理器芯片，并在處理器芯片中 通過計算機編程語言來實現(xiàn)多種模式的控制。光纖陀螺對角速度的測量是通過在光纖 環(huán)4中傳播的兩束相向的光在光纖陀螺自身的轉動中，引起的非互易相位差的大小 來表征的。陀螺是敏感相對于慣性空間角運動的裝置。它作為一種重要的慣性敏感器， 用于測量運載體的姿態(tài)角和角速度，是構成慣性系統(tǒng)的核心器件。應用在飛行器導航、 艦船導航和陸用導航中。
光纖陀螺在空間中應用時，如空間輻照和熱真空環(huán)境對光學器件的影響以及電子
元器件在輻照環(huán)境下的性能變化等?？臻gr射線對光纖環(huán)4的影響最為嚴重，會導致 光纖的光傳輸特性劣化，甚至不通光；大功率光纖光源i由于摻雜鉺纖的原因也易 受到z射線的影響，導致光源i的出纖功率下降；光電探測器5受到空間高能質子的 撞擊，光電響應度會減?。簧鲜鲇绊懢鶗构饫w陀螺檢測信噪比降低，陀螺隨機游走 誤差增大，則隨機游走誤差增大會影響衛(wèi)星導航和姿態(tài)定位的精度。
光纖陀螺在衛(wèi)星上敏感到的角速度很小，可能經(jīng)常工作在零角速度附近，在這種 情況下前向增益的大小與光纖陀螺死區(qū)有著密切關系，若光電探測器5接收到的光 功率信號51 (有用信號)小于階梯波信號651則光纖陀螺進入死區(qū)，嚴重影響光纖 陀螺在衛(wèi)星上的應用。發(fā)明 內容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)，該系 統(tǒng)采用偽隨機擾動辨識法對全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益進行在線估計，通過在階 梯波信號651上疊加偽隨機擾動信號111和方波調制信號151作為集成光學調制器 3的辨識輸入信號31;數(shù)字光強電壓信號621在進行方波解調的同時進行偽隨機解 調，實時提取出前向增益的值。本發(fā)明前向增益估計系統(tǒng)通過在FPGA芯片中實現(xiàn) 方式。
本發(fā)明是一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)，所述前向增益估 計系統(tǒng)包括有B信號產(chǎn)生單元(11)、偽隨機解調單元(12)、方波解調單元(13)、 積分處理單元(14)、 A信號產(chǎn)生單元(15)、偽隨機擾動相位解調信號單元(16)、 方波解調信號產(chǎn)生單元(17)、光功率控制單元(1A);
B信號產(chǎn)生單元(11)用于產(chǎn)生具有類似白噪聲特性的偽隨機信號(111),該 偽隨機信號(111) 一方面作為偽隨機擾動相位解調信號單元(16)的基準信號，該 偽隨機信號(111)另一方面作為集成光學調制器(3)的偽隨機調制信號；
A信號產(chǎn)生單元(15)用于產(chǎn)生具有光纖陀螺本征頻率特性的方波調制信號 (151)，該方波調制信號(151) —方面作為方波解調信號產(chǎn)生單元(17)的基準 信號，該方波調制信號(151)另一方面作為集成光學調制器(3)的方波調制信號， 該方波調制信號(151)第三方面作為偽隨機擾動相位解調信號單元(16)的方波調 制信號；
偽隨機擾動相位解調信號單元(16)對接收的偽隨機信號(111)進行差分運算 獲得具有相位差的偽隨機信號；然后采用方波調制信號(151)對該偽隨機信號進行 方波調制得到偽隨機擾動相位解調信號(161);
方波解調信號產(chǎn)生單元(17)對接收的方波調制信號(151)進行進行差分運算 獲得方波解調信號(171);
偽隨機解調單元(12)對接收的數(shù)字光強電壓信號(621)、偽隨機擾動相位解 調信號(161)進行偽隨機解調處理后輸出隨機解調信號(121);
方波解調單元(13)對接收的數(shù)字光強電壓信號(621)、方波解調信號(171) 進行方波解調處理后lT出方波解調信號U31);積分處理單元(14)對接收的方波解調信號(131)進行積分累加，產(chǎn)生反饋信號 (141)，該反饋信號(141)通過D/A轉換單元(64)和放大調理電路(65)輸出模 擬階梯波信號(651);該^莫擬階梯波信號(651)疊加到集成光學調制器(3)上；
光功率控制單元(1A) X報收的隨機解調信號(121)進行光功率控制，產(chǎn)生具有 光功率控制功能的光功率控制信號(1B)，該光功率控制信號(1B)作用于光源(1)上。
全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的光電探測器(5)輸出的光功率信號(51)經(jīng)前置放大電 路(61)進行放大處理后，經(jīng)A/D轉換器(62)轉換為數(shù)字光強電壓信號(621) 后輸出給本發(fā)明的前向增益估計系統(tǒng)。
本發(fā)明的前向增益估計系統(tǒng)優(yōu)點在于
(1) 在階梯波信號651上疊加偽隨機擾動信號111和方波調制信號151對集成光 學調制器3調制，能夠估計出空間輻射環(huán)境和熱真空環(huán)境對光學器件的影響 以及電子元器件在輻照環(huán)境下的性能變化。
(2) 光源1所需的光功率控制信號是光電探測器5輸出的光強信號與偽隨機擾動 相位解調信號共同作用完成的，提高了光源的穩(wěn)定性。
(3) 階梯波信號651的獲取是由光電探測器5輸出的光強信號與方波解調信號 171共同作用完成的，完成了全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的正常工作。
(4) 采用在FPGA芯片上實現(xiàn)，調制方便、可靠。
(5) 整個前向增益估計系統(tǒng)可以在全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的正常工作情況下進行在 線估計，可以實時監(jiān)測陀螺檢測信噪比和死區(qū)非線性效應帶來的影響。


圖l是光纖陀螺的結構圖。
圖2是光纖陀螺中信號處理裝置的結構圖。
圖3是本發(fā)明前向增益估計系統(tǒng)的結構圖。
圖4是輻照過程中陀螺輸出與輻照時間的關系圖。
圖5是前向增益估計值與輻照時間的關系圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。參見圖3所示，本發(fā)明是一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng), 該前向增益估計系統(tǒng)在FPGA芯片中采用VerilogHDL語言編寫實現(xiàn)，該FPGA芯
片為全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的主要中心處理器。本發(fā)明采用偽隨機擾動辨識法對前向增 益進行在線估計，通過在反饋的階梯波信號651上疊加偽隨機信號111、方波調制 信號151作為集成光學調制器3的辨識輸入信號31;數(shù)字光強電壓信號621在進 行方波解調的同時進行偽隨機解調，實時提取出前向增益的值。
全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的光電探測器5輸出的光功率信號51經(jīng)前置放大電路61 進行放大處理后，經(jīng)A/D轉換器62轉換為數(shù)字光強電壓信號621后輸出給本發(fā)明 的前向增益估計系統(tǒng)(偽隨機解調單元12和方波解調單元13)。
本發(fā)明的前向增益估計系統(tǒng)包括有B信號產(chǎn)生單元ll、偽隨機解調單元12、方 波解調單元13、積分處理單元14、 A信號產(chǎn)生單元15、偽隨機擾動相位解調信號單 元16、方波解調信號產(chǎn)生單元17、光功率控制單元1A。各個單元實現(xiàn)的功能為
B信號產(chǎn)生單元11用于產(chǎn)生具有類似白噪聲特性的偽隨機信號111。該偽隨機 信號111可以作為偽隨機擾動相位解調信號單元16的基準信號。該偽隨機信號111 也可以作為集成光學調制器3的偽隨機調制信號。
A信號產(chǎn)生單元15用于產(chǎn)生具有光纖陀螺本征頻率特性的方波調制信號151。 該方波調制信號151可以作為方波解調信號產(chǎn)生單元17的基準信號。該方波調制信 號151也可以作為集成光學調制器3的方波調制信號。該方波調制信號151也可以 作為偽隨機擾動相位解調信號單元16的方波調制信號。
偽隨機擾動相位解調信號單元16對接收的偽隨機信號111進行差分運算獲得具 有相位差的偽隨機信號；然后采用方波調制信號151對該偽隨機信號進行方波調制 得到偽隨機擾動相位解調信號161。
方波解調信號產(chǎn)生單元17對接收的方波調制信號151進行進行差分運算獲得方 波解調信號171。
偽隨機解調單元12對接收的數(shù)字光強電壓信號621、偽隨機擾動相位解調信號 161進行偽隨機解調處理后輸出隨機解調信號121。
方波解調單元13對接收的數(shù)字光強電壓信號621、方波解調信號171進行方波 解調處理后輸出方波解調信號131。積分處理單元14對接收的方波解調信號131進行積分累加，產(chǎn)生反饋信號141， 該反饋信號141通過D/A轉換單元64和放大調理電路65輸出模擬階梯波信號 651。該模擬階梯波信號651疊加到集成光學調制器3上。
光功率控制單元1A對接收的隨機解調信號121進行光功率控制，產(chǎn)生具有光功 率控制功能的光功率控制信號1B，該光功率控制信號1B作用于光源1上。
在本發(fā)明中，全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計的具體實現(xiàn)方法如下
在前向增益估計系統(tǒng)的結構圖3中，偽隨機擾動相移信號161是由加在集成光 學調制器3上的偽隨機擾動信號111產(chǎn)生的。全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的方波調制信號 151也是加在集成光學調制器3上的，偽隨機擾動相移信號161同時也受到了方波 調制信號151的調制。
在有偽隨機擾動信號111加載至集成光學調制器3上時，加載時刻記為Z，光電 探測器5上輸出光功率信號51可表示為
A {l + cos(A(0 + ^(0 + A") + ^(0)} + <0 ，其中，
x(O表示,時刻的輸出光功率信號51;
A(0表示^時刻光電探測器5檢測到的光功率；
A(O表示f時刻的Sagnac效應產(chǎn)生的相移；
^ (0表示'時刻的階梯波反饋相移；
A(0表示f時刻的偽隨機擾動信號in產(chǎn)生的偽隨機擾動相移； 《(O表示方波調制信號151的調制相位； e(O表示光電探測器產(chǎn)生的噪聲信號(如白噪聲)。
數(shù)字光強電壓信號621進入到兩個解調單元， 一個是方波解調單元13，使用方 波解調信號171做解調參考信號進行解調；另一個是偽隨機解調單元12，使用偽隨 機擾動相位解調信號161做解調參考信號進行解調。
在本發(fā)明中，方波解調信號171可以表示為
當前時刻的方波信號，r表示光纖陀螺的渡越時間，n表示當前時刻釆樣樣本數(shù)，
1)表示周期為2r，幅值為土l的前一時刻方波信號，l表示前一時刻的采
0 -0>-1)>。
，式中，OXn)表示周期為2ir，幅值為土l的樣樣本數(shù)。在本發(fā)明中，對于方波解調信號171的表達形式中，"1"、 "0"為兩種條 件，即采用VerilogHDL語言編寫，在當前時刻的方波信號0 幅值減去前一時 刻的方波信號0 ("-1)的幅值大于0時，計算機語言編寫記為"1";當前時刻的方 波信號a(")幅值減去前一時刻的方波信號a("-1)的幅值小于等于0時，計算機語 言編寫記為"0"。在本發(fā)明中，偽隨機擾動相位解調信號161是偽隨機擾動信號111 進行差分運算后再被方波調制信號151調制后得到的。該偽隨機擾動相位解調信號 161可表示為:a(") = -rm("-l))，式中，0 表示周期為21，幅值為 ± 1的當前時刻的方波信號，表示當前加載在集成光學調制器3上的偽隨機擾 動信號111， 1)表示前一時刻加載在集成光學調制器3上的偽隨機擾動信號。
方波解調單元13中進行光纖陀螺正常工作需要的方波解調，產(chǎn)生的方波解調信 號131送到積分處理單元14，在經(jīng)過積分處理單元14生成反饋信號141,該反饋 信號141經(jīng)過D/A轉換器64和階梯波驅動模塊65后生成階梯波信號651,階梯 波信號651再和偽隨機擾動信號111、方波調制信號151疊加后共同作用于集成光 學調制器3，形成陀螺的閉環(huán)控制，使陀螺能夠正常的工作。
偽隨機解調單元12中進行偽隨機解調，該偽隨機解調是為了實現(xiàn)光纖陀螺的前 向增益估計的需要。在本發(fā)明中，前向增益估計的偽隨機解調原理為偽隨機擾動信 號111能夠在反饋環(huán)節(jié)通過集成光學調制器3加入，在經(jīng)過前向通道后進入到電路 解調環(huán)節(jié)，利用信號的相關性將偽隨機擾動信號從陀螺調制信號中提取出來，得到前 向增益值。光纖陀螺前向通道可以簡化成一個線性SISO系統(tǒng)，使用相關辨識法能夠
得到其前向增益。
偽隨機解調單元12輸出的偽隨機解調信號121用于光功率控制單元1A產(chǎn)生光 功率控制信號1B，光功率控制信號1B用于控制光源1的光功率，使得整個光纖陀 螺系統(tǒng)能夠根據(jù)前向增益變化調整光功率的大小。
本發(fā)明通過前向增益的估計能夠反映出全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺隨機游走系數(shù)的變 化趨勢，實現(xiàn)該陀螺在線狀態(tài)估計和控制。參見圖4和圖5所示，對全數(shù)字閉環(huán)光 纖陀螺中的SFS光源1進行小輻照劑量率下的;K射線輻照試驗，該陀螺的其它部分 與輻照環(huán)境隔離， 一方面監(jiān)測陀螺的輸出，另一方面釆用偽隨機擾動辨識法對陀螺的 前向增益進行在線估計而得到前向增益值。圖4中表示在輻照過程中光纖陀螺的輸出與輻照時間的關系，從圖中可以看出陀螺輸出噪聲呈現(xiàn)隨時間增大的趨勢說明由于 輻照對SFS光源的影響使光源出纖功率不斷降低，導致前向增益減小，陀螺檢測信 噪比(SNR)劣化，陀螺隨機游走系數(shù)(RWC)指標變大。圖5中表示陀螺前向增 益在線估計值與輻照時間的關系，從圖中可以看出，SFS光源在輻照過程中出纖功 率隨輻照劑量積累量的增加而減小，導致陀螺前向增益值也相應隨之降低；前向增益 的減小與陀螺輸出噪聲的變化是對應的，通過前向增益的估計能夠反映出隨機游走系 數(shù)的變化趨勢，實現(xiàn)陀螺在線狀態(tài)估計。同時通過光功率控制單元1A產(chǎn)生光功率控 制信號可以調節(jié)光源1的光功率，補償由于輻照因素引起的光功率減小，調節(jié)光纖 陀螺隨機游走系數(shù)使陀螺工作在正常狀態(tài)，提高全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的環(huán)境適應性和 可靠性。
權利要求
1、一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)，全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的光電探測器(5)輸出的光功率信號(51)經(jīng)前置放大電路(61)進行放大處理后，經(jīng)A/D轉換器(62)轉換為數(shù)字光強電壓信號(621)后輸出給本發(fā)明的前向增益估計系統(tǒng)，其特征在于所述前向增益估計系統(tǒng)包括有B信號產(chǎn)生單元(11)、偽隨機解調單元(12)、方波解調單元(13)、積分處理單元(14)、A信號產(chǎn)生單元(15)、偽隨機擾動相位解調信號單元(16)、方波解調信號產(chǎn)生單元(17)、光功率控制單元(1A)；B信號產(chǎn)生單元(11)用于產(chǎn)生具有類似白噪聲特性的偽隨機信號(111)，該偽隨機信號(111)一方面作為偽隨機擾動相位解調信號單元(16)的基準信號，該偽隨機信號(111)另一方面作為集成光學調制器(3)的偽隨機調制信號；A信號產(chǎn)生單元(15)用于產(chǎn)生具有光纖陀螺本征頻率特性的方波調制信號(151)，該方波調制信號(151)一方面作為方波解調信號產(chǎn)生單元(17)的基準信號，該方波調制信號(151)另一方面作為集成光學調制器(3)的方波調制信號，該方波調制信號(151)第三方面作為偽隨機擾動相位解調信號單元(16)的方波調制信號；偽隨機擾動相位解調信號單元(16)對接收的偽隨機信號(111)進行差分運算獲得具有相位差的偽隨機信號；然后采用方波調制信號(151)對該偽隨機信號進行方波調制得到偽隨機擾動相位解調信號(161)；方波解調信號產(chǎn)生單元(17)對接收的方波調制信號(151)進行進行差分運算獲得方波解調信號(171)；偽隨機解調單元(12)對接收的數(shù)字光強電壓信號(621)、偽隨機擾動相位解調信號(161)進行偽隨機解調處理后輸出隨機解調信號(121)；方波解調單元(13)對接收的數(shù)字光強電壓信號(621)、方波解調信號(171)進行方波解調處理后輸出方波解調信號(131)；積分處理單元(14)對接收的方波解調信號(131)進行積分累加，產(chǎn)生反饋信號(141)，該反饋信號(141)通過D/A轉換單元(64)和放大調理電路(65)輸出模擬階梯波信號(651)；該模擬階梯波信號(651)疊加到集成光學調制器(3)上；光功率控制單元(1A)對接收的隨機解調信號(121)進行光功率控制，產(chǎn)生具有光功率控制功能的光功率控制信號(1B)，該光功率控制信號(1B)作用于光源(1)上。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)，其 特征在于在有偽隨機擾動信號(111)加載至集成光學調制器(3)上時，加載 時刻記為^，光電探測器(5)上輸出光功率信號(51)表示為 柳=W) {1 + cos(A (/) + A (0 + A (0 + 0 (/))} + 。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的Ml增益估計系統(tǒng)，其特征在于方波解調信號U7i)表示為込(")=& ，，一，，m<formula>formula see original document page 3</formula>
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)，其 特征在于偽隨機擾動相位解調信號(161)表示為=0 0)-。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的前向增益估計系統(tǒng)，該前向增益估計系統(tǒng)在FPGA芯片中采用Verilog HDL語言編寫實現(xiàn)，該FPGA芯片為全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的主要中心處理器。本發(fā)明采用偽隨機擾動辨識法對前向增益進行在線估計，通過在反饋的階梯波信號(651)上疊加偽隨機信號(111)、方波調制信號(151)作為集成光學調制器(3)的辨識輸入信號(31)；數(shù)字光強電壓信號(621)在進行方波解調的同時進行偽隨機解調，實時提取出前向增益的值。本發(fā)明前向增益估計系統(tǒng)可以在全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的正常工作情況下進行在線估計，可以實時監(jiān)測陀螺檢測信噪比和死區(qū)非線性效應帶來的影響。
文檔編號G01C25/00GK101458095SQ200910076510
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權日2009年1月6日
發(fā)明者宋凝芳, 敏 李, 李洪全, 楊德釗, 松 林, 銳 袁, 婧 陳 申請人:北京航空航天大學