基于混沌信號的角速率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于混沌信號的角速率傳感器，包括用于發(fā)出混沌光信號的混沌光源發(fā)射模塊、于接收混沌光源發(fā)射模塊發(fā)出的混沌光信號，并將接收到的混沌光信號分支出兩路混沌光信號的耦合器、分別與耦合器的兩個輸出分支路連接的第一環(huán)形器及第二環(huán)形器、兩端與第一環(huán)形器和第二環(huán)形器相連的光纖環(huán)、分別與第一環(huán)形器和第二環(huán)形器相連的第一探測器及第二探測器以及與所述第一探測器及第二探測器相連的信號處理模塊。本發(fā)明的基于混沌信號的角速率傳感器，它的結構簡單，無需增加調制器即可實現(xiàn)角速率傳感器輸出旋轉角速率，由于該角速率傳感器采用的是混沌光信號，因此它的抗干擾能力強。
【專利說明】
基于混巧信號的角速率傳感器
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及光纖傳感領域，是一種基于混濁信號的角速率傳感器。
【背景技術】
[0002] 光纖巧螺儀由于其具有全固態(tài)、無運算部件、體積小、重量輕、響應快、結構靈活、 潛在精度高、測量范圍寬、使用壽命長等優(yōu)點，引起了國內外廣泛的研究，是一種新型的全 固態(tài)慣性儀表。國外研究光纖巧螺儀時間較早，其研制生產水平也較高，早在上世紀末，W 美國為首的西方發(fā)達國家就研制生產了精度達1(T4量級的高精度光纖巧螺儀。我國研制光 纖巧螺儀比國外晚，其水平也與國外存在很大差距。但是，隨著近幾年國家對光纖巧螺行業(yè) 的高度重視，我國光纖巧螺行業(yè)有了很大的進步，而且已經能夠研制生產中低精度水平光 纖巧螺儀，并開始投入了軍用和民用市場。
[0003] 光纖巧螺儀按照光學工作原理分為干設式光纖巧螺儀(IF0G)、諧振式光纖巧螺儀 和受激布里淵散射式光纖巧螺儀。其中干設式光纖巧螺儀是=者之中最成熟的，其技術水 平最高。但是干設式光纖巧螺儀對光路的要求很高，光路的非理想性引起的背向散射、光波 偏振態(tài)的演變、溫度引起的光纖折射率的變化對巧螺精度有著重要的影響。巧螺的解算周 期受光纖環(huán)渡越時間的限制，從而使得光纖巧螺的帶寬受到很大的影響。光纖環(huán)渡越時間 對A/D采樣(采集數據個數)也有重要影響。運些因素也是影響干設式光纖巧螺儀精度進一 步提升的重要因素。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種新型的基于 混濁信號的角速率傳感器，它的抗干擾力強。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是：提供一種基于混濁信號的 角速率傳感器，包括:混濁光源發(fā)射模塊、禪合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、光纖環(huán)、第一探 測器、第二探測器W及信號處理模塊；
[0006] 所述混濁光源發(fā)射模塊用于發(fā)出混濁光信號；
[0007] 所述禪合器，用于接收混濁光源發(fā)射模塊發(fā)出的混濁光信號，并將接收到的混濁 光信號分支出兩路混濁光信號；
[000引所述第一環(huán)形器，其具有第一接收端子、第一輸出端子及第二輸出端子;所述第一 接收端子用于接收禪合器分支出的第一路混濁光信號;所述第一輸出端子與所述光纖環(huán)的 第一端連接，用于將接收到的第一路混濁光信號從光纖環(huán)的第一端輸送至光纖環(huán)；
[0009]所述第二環(huán)形器，其具有第二接收端子、第=輸出端子及第四輸出端子;所述第二 接收端子用于接收禪合器分支出的第二路混濁光信號;所述第=輸出端子與所述光纖環(huán)的 第二端連接，用于將接收到的第二路混濁光信號從光纖環(huán)的第二端輸送至光纖環(huán);所述第 四輸出端子用于接收從光纖環(huán)的第二端輸出的第一路混濁光信號并輸出至第二探測器;所 述第二輸出端子用于接收從光纖環(huán)的第一端輸出的第二路混濁光信號并輸出至第一探測 器；
[0010] 所述第二探測器，用于接收所述第四輸出端子輸出的第一路混濁光信號，并將接 收到的第一路混濁光信號轉換為電信號輸出至所述信號處理模塊；
[0011] 所述第一探測器，用于接收所述第二輸出端子輸出的第二路混濁光信號，并將接 收到的第二路混濁光信號轉換為電信號輸出至所述信號處理模塊；
[0012] 所述信號處理模塊，用于在預定時間周期內同時對兩路電信號進行高頻采樣，W 形成兩組具有相同時間間隔的采樣序列，每一時間周期長度大于光纖環(huán)旋轉引起的時間 差;將每一時間周期的兩組采樣序列進行相關運算，W得到相關函數的最大值和最大值對 應的時間差，并根據最大值對應的時間差解算得到角速率傳感器的旋轉角速率；
[0013] 角速率輸出模塊，用于輸出所述角速率傳感器的旋轉角速率。
[0014] 進一步的，所述信號處理模塊包括：
[0015] 高頻采樣子模塊，用于在預定時間周期內同時、同頻率的對兩個探測器發(fā)送過來 的電信號進行高頻采樣，W形成兩組具有相同時間間隔的采樣序列；
[0016] 相關運算子模塊，用于將所述兩組采樣序列進行相關運算，W得到相關函數的最 大值和最大值對應的時間差；
[0017] 角速率解算子模塊，用于根據最大值對應的時間差解算得到旋轉角速率。
[0018] 進一步的，所述相關運算子模塊通過相關函數R(T) = [x(t)*(A*x(t+At))]計算 得到相關函數R(T)的最大值和最大值對應的時間差;x(t)代表第一組采樣序列，At為兩組 采用序列相間隔的時間差，x(t+At)為第二組采樣序列，當x(t)為混濁信號，且T= At時， 相關函數才能取到最大值，從而通過相關運算得到混濁信號分成逆時針和順時針傳輸再匯 合時的時間差。
[0019] 進一步的，所述禪合器為1X2禪合器或為2X2禪合器。
[0020] 本發(fā)明的基于混濁信號的角速率傳感器，混濁光源輸出的混濁光信號經過1X2禪 合器分為兩束光波，兩束光波各自經過環(huán)形器后分別沿光纖環(huán)W順時針和逆時針方向傳 輸，經過光纖環(huán)后經環(huán)形器至探測器進行光電轉換，轉換后的電信號送至相關器進行相關 運算，得到相關函數的最大值和最大值的時延T，根據時延T計算光纖環(huán)的旋轉角速率，下面 推導時延T和光纖環(huán)旋轉角速率的關系。本發(fā)明的基于混濁信號的角速率傳感器，它的結構 簡單，無需增加調制器即可實現(xiàn)角速率傳感器輸出旋轉角速率，由于該角速率傳感器采用 的是混濁光信號，因此它的抗干擾能力強。
【附圖說明】
[0021] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W 根據運些附圖獲得其他的附圖。
[0022] 圖1是混濁信號的時序圖
[0023] 圖2是混濁信號的自相關函數圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明基于混濁信號的角速率傳感器一實施例的光路結構圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0026] 本發(fā)明首先分析了混濁信號的特點，然后介紹了相關運算，其次介紹基于混濁信 號的角速率傳感器的工作原理，并推導了巧螺儀輸出量和旋轉角速率的關系式。
[0027] -、混濁信號的特點：
[0028] 混濁信號由于具有不可預測性、類噪聲、寬頻譜、S型自相關函數等特點，引起了學 術界的廣泛研究?；鞚釡y距、混濁激光雷達、混濁光時域反射儀(CCOTDR)等都是利用混濁信 號的運些特點進行工作的。圖1是混濁信號的時序圖，圖2是混濁信號的自相關函數。
[0029] 對于一個時間函數(或時間序列巧(t)和Y(t)，相關函數R(T)定義如下：
[0030] R(T)=<X(t)*Y(t+T)>............................(1)
[0031] 若X(t)=Y(t)，則得到時間函數的自相關函數:< ?〉表示取平均。
[0032] R(T)=<X(t)*X(t+x)>.............................(2)
[003引對于白噪聲或混濁信號，其自相關函數呈S型，即：
[0034] ...................................(3)
[0035] 當時延T為加寸，即沒有時延時，相關函數為最大值。
[0036] 二、基于混濁信號的角速率傳感器
[0037] 請參見圖3,圖3是本發(fā)明基于混濁信號的角速率傳感器一實施例的光路結構圖。 本實施例的基于混濁信號的角速率傳感器包括混濁光源發(fā)射模塊10、禪合器11、第一環(huán)形 器12、第二環(huán)形器13、光纖環(huán)17、第一探測器14、第二探測器15W及信號處理模塊16。其中：
[0038] 所述混濁光源發(fā)射模塊10用于發(fā)出混濁光信號；
[0039] 所述禪合器11為1X2禪合器11，具有一個接收端和兩個輸出端。接收端用于接收混 濁光源發(fā)射模塊10發(fā)出的混濁光信號，兩個輸出端用于接收到的混濁光信號一分為二的輸 出兩路混濁光信號?？衫斫獾模谄渌膶嵤├?，禪合器11還可為其它類型的禪合器11， 例如2X2禪合器或其他具有分束功能的光學器件等，若為2X2禪合器，則閑置一個接收端即 可。
[0040] 所述第一環(huán)形器12,其具有第一接收端子、第一輸出端子及第二輸出端子;所述第 一接收端子用于接收禪合器分支出的第一路混濁光信號;所述第一輸出端子與所述光纖環(huán) 17的第一端連接，用于將接收到的第一路混濁光信號從光纖環(huán)17的第一端輸送至光纖環(huán) 17;
[0041] 所述第二環(huán)形器13,其具有第二接收端子、第=輸出端子及第四輸出端子;所述第 二接收端子用于接收禪合器分支出的第二路混濁光信號;所述第=輸出端子與所述光纖環(huán) 17的第二端連接，用于將接收到的第二路混濁光信號從光纖環(huán)17的第二端輸送至光纖環(huán) 17;所述第四輸出端子用于接收從光纖環(huán)17的第二端輸出的第一路混濁光信號并輸出至第 二探測器15;所述第二輸出端子用于接收從光纖環(huán)17的第一端輸出的第二路混濁光信號并 輸出至第一探測器14;
[0042] 所述第二探測器15,用于接收第四輸出端子輸出的第一路混濁光信號，并將接收 到的第一路混濁光信號轉換為電信號輸出至所述信號處理模塊16;
[0043] 所述第一探測器14,用于接收所述第二輸出端子輸出的第二路混濁光信號，并將 接收到的第二路混濁光信號轉換為電信號輸出至所述信號處理模塊16;
[0044] 所述信號處理模塊16,用于在預定時間周期內同時對兩路電信號進行高頻采樣， W形成兩組具有相同時間間隔的采樣序列，每一時間周期長度大于光纖環(huán)17旋轉引起的時 間差，即光纖環(huán)17旋轉引起的第一路信號和第二路信號之間的時間差;將每一時間周期的 兩組采樣序列進行相關運算，W得到相關函數的最大值和最大值對應的時間差，并根據最 大值對應的時間差解算得到角速率傳感器的旋轉角速率。其中：
[0045] 所述信號處理模塊16包括高頻采樣子模塊、相關運算子模塊W及角速率解算子模 塊。
[0046] 所述高頻采樣子模塊，用于在預定時間周期內同時、同頻率的對兩個探測器發(fā)送 過來的電信號進行高頻采樣，W形成具有相同間間隔的兩組相同幅度的采樣序列。
[0047] 所述相關運算子模塊，用于將所述兩組采樣序列進行相關運算，W得到相關函數 的最大值和最大值對應的時間差；具體的，所述相關運算子模塊通過相關函數R(T) = [X (t)*(A*x(t+ A t))]計算得到相關函數R(T)的最大值和最大值對應的時間差;X (t)代表第 一組采樣序列，At為光纖環(huán)旋轉引起的兩束混濁光信號的時間差，A*x(t+At)為第二組采 樣序列，
[0048] 禪合器分束只是將混濁信號的功率進行分配，不改變混濁信號隨時間變化的類噪 聲等特性，因此分束后兩路信號一路可表示為x(t)，另一路可表示為A*x(t)，A為與禪合器 分光比有關的系數，當禪合器分光比為50:50時，A= 1。兩路信號延光纖環(huán)相反方向傳輸，經 過光纖環(huán)后分別到達兩個探測器，由于光纖環(huán)旋轉，則會引入時間差At,即高頻采樣后的 時間序列一路可表示為x(t)，另一路可表示為A*x(t+A t)，由于兩路信號均為來源于同一 個混濁源的混濁信號，只是存在時間差而已，根據混濁信號相關運算的特點，只有當T= A t 時，相關函數才能取到最大值，從而通過將兩路信號進行相關運算可得到最大值及最大值 對應的時間差At。
[0049] 角速率解算子模塊根據所確定的時間差解算光纖環(huán)旋轉角速率。
[0050] 本實施例中，根據時間差A t計算光纖環(huán)17的旋轉角速率，時間差A t與旋轉角速 率呈正比的，下面推導時延A t和光纖環(huán)17旋轉角速率的關系。
[0051] 假設光纖環(huán)半徑為r，應數為N，光速為C，光纖折射率為n，順時針標記為CW，逆時針 標記為CCW，則有：
[0052] 順時針光波經光纖環(huán)傳輸時間為：
[0054] 逆時針光波經光纖環(huán)傳輸時間為：
[0化3] .................................. a)
[0化5]
[0化5]
[0057] .........." <3> ...................,(2)[0056] 兩束化掘傳輸的時間差郵為匯合巧關運算的時延A t，為：
[0化引
[0化9]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 通過W上公式推導，可W得知時間差與光纖環(huán)旋轉角速率的關系，因此相關運算 函數得到時延后即可計算光纖環(huán)的旋轉角速率。
[0064] 所述角速率解算子模塊，用于根據相關函數最大值對應的時間差解算得到旋轉角 速率。
[0065] 本發(fā)明實施方式，混濁光源輸出的混濁光信號經過1X2禪合器分為兩束光波，兩 束光波各自經過環(huán)形器后分別沿光纖環(huán)W順時針和逆時針方向傳輸，經過光纖環(huán)后經環(huán)形 器至探測器進行光電轉換，轉換后的電信號送至相關器進行相關運算，得到相關函數的最 大值和最大值的時延T，根據時延T計算光纖環(huán)的旋轉角速率，下面推導時延T和光纖環(huán)旋轉 角速率的關系。本發(fā)明的基于混濁信號的角速率傳感器，它的結構簡單，無需增加調制器即 可實現(xiàn)角速率傳感器輸出旋轉角速率，由于該角速率傳感器采用的是混濁光信號，因此它 的抗干擾能力強。
[0066] W上僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明 說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術 領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種基于混沌信號的角速率傳感器，包括:混沌光源發(fā)射模塊、耦合器、第一環(huán)形器、 第二環(huán)形器、光纖環(huán)、第一探測器、第二探測器以及信號處理模塊； 所述混沌光源發(fā)射模塊用于發(fā)出混沌光信號； 所述耦合器，用于接收混沌光源發(fā)射模塊發(fā)出的混沌光信號，并將接收到的混沌光信 號分支出兩路混純光信號； 所述第一環(huán)形器，其具有第一接收端子、第一輸出端子及第二輸出端子;所述第一接收 端子用于接收耦合器分支出的第一路混沌光信號;所述第一輸出端子與所述光纖環(huán)的第一 端連接，用于將接收到的第一路混沌光信號從光纖環(huán)的第一端輸送至光纖環(huán)； 所述第二環(huán)形器，其具有第二接收端子、第三輸出端子及第四輸出端子;所述第二接收 端子用于接收耦合器分支出的第二路混沌光信號;所述第三輸出端子與所述光纖環(huán)的第二 端連接，用于將接收到的第二路混沌光信號從光纖環(huán)的第二端輸送至光纖環(huán);所述第四輸 出端子用于接收從光纖環(huán)的第二端輸出的第一路混沌光信號并輸出至第二探測器;所述第 二輸出端子用于接收從光纖環(huán)的第一端輸出的第二路混沌光信號并輸出至第一探測器； 所述第二探測器，用于接收所述第四輸出端子輸出的第一路混沌光信號，并將接收到 的第一路混沌光信號轉換為電信號輸出至所述信號處理模塊； 所述第一探測器，用于接收所述第二輸出端子輸出的第二路混沌光信號，并將接收到 的第二路混沌光信號轉換為電信號輸出至所述信號處理模塊； 所述信號處理模塊，用于在預定時間周期內同時對兩路電信號進行高頻采樣，以形成 兩組具有相同時間間隔的采樣序列，每一時間周期大于光纖環(huán)旋轉引起的時間差;將每一 時間周期的兩組采樣序列進行相關運算，以得到相關函數的最大值和最大值對應的時間 差，并根據最大值對應的時間差解算得到角速率傳感器的旋轉角速率； 角速率輸出模塊，用于輸出所述角速率傳感器的旋轉角速率。2. 如權利要求1所述的基于混沌信號的角速率傳感器，其特征在于，所述信號處理模塊 包括： 高頻采樣子模塊，用于在預定時間周期內同時、同頻率的對兩個探測器發(fā)送過來的電 信號進行高頻采樣，以形成兩組具有相同時間間隔的采樣序列； 相關運算子模塊，用于將所述兩組采樣序列進行相關運算，以得到相關函數的最大值 和最大值對應的時間差； 角速率解算子模塊，用于根據最大值對應的時間差解算得到旋轉角速率。3. 如權利要求2所述的基于混沌信號的角速率傳感器，其特征在于:所述相關運算子模 塊通過相關函數1?(_0 = |^(1:)*(4*1(丨+么1:))]計算得到相關函數1?(1：)的最大值和最大值對 應的時間差;x(t)代表第一組采樣序列，At為兩組采樣序列由于光纖環(huán)旋轉引起的時間 差，A*x(t+Δ t)為第二組采樣序列，當x(t)為混沌信號，且τ= Δ t時，相關函數才能取到最大 值，從而通過相關運算得到混沌信號分成逆時針和順時針傳輸再匯合時的時間差。4. 如權利要求1至3中任一項權利要求所述的基于混沌信號的角速率傳感器，其特征在 于:所述耦合器為1X2耦合器或為2X2耦合器。
【文檔編號】G01C19/72GK105953784SQ201610279242
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】李光輝
【申請人】重慶華渝電氣集團有限公司