[发明专利]一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置及基于该装置的光纤陀螺仪。

背景技术

光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，一直以来都被广泛的关注。光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，在航空、航天、航海和兵器等军用领域以及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用和发展前景。光纤陀螺是基于萨格奈克效应的角速度测量仪，干涉式光纤陀螺仪有两种基本结构：开环结构和闭环结构。

开环光纤陀螺直接检测光路中的萨格奈克相移，所以系统的工作点随输入角速度而改变；闭环光纤陀螺通过使用光波导构成反馈回路抵消光路中的萨格奈克相移，而将反馈信号作为检测信号，所以系统的工作点不随输入角速度而改变。基于这样的工作原理，这两类光纤陀螺仪都有各自的优点和不足：相较之下，闭环光纤陀螺仪的突出优势是更高的标度因数稳定性、更大的动态范围和更小的漂移；开环光纤陀螺仪由于没有使用光波导构成反馈回路而具有更好的抗温度冲击、机械冲击、机械振动特性，更好的抗电磁干扰能力，更高的可靠性以及更低的生产和使用维护成本。参考文献：张桂才，光纤陀螺原理与技术，国防工业出版社，2008。

开环光纤陀螺仪光路部分的基本结构示意图如图1所示，模块7探测器输出的探测信号为：

其中，为萨格奈克相移，I₀为探测信号的平均功率，由模块6调相器的输出信号决定。探测信号中包含相位调制信号的基频信号以及各次谐波信号。传统的开环光纤陀螺仪检测I_D(t)的一次谐波，即输出信号为：

由公式(2)可以得到：

1)传统开环光纤陀螺的性能和比例因子的关系非常密切。影响比例因子的关键因素a)探测器输出的信号幅度；b)调相器的调制深度。和闭环光纤陀螺仪相比，传统开环光纤陀螺仪的一大劣势就在于比例因子的稳定性受以上两个因素的影响较大。

2)和闭环光纤陀螺仪相比，传统开环光纤陀螺仪的动态范围较小。由公式(2)可以得到，传统开环光纤陀螺仪的动态范围最大为sin函数的单值区间[-π/2 π/2)。光纤陀螺萨格奈克相移和系统转动角速度Ω的关系表达式为：

其中，为模块1光源的平均波长，c为光在真空中的传输速度，R为模块5光纤线圈的半径，L为光纤线圈的长度。将(3)带进(2)可以得到，受限于sin函数的单值区间，开环光纤陀螺能够测量的角速度Ω的最大动态范围为从上面的分析可以得到，传统开环光纤陀螺的最大动态范围和线圈的半径以及长度是成反比，结合公式(3)，提高传统开环光纤陀螺的动态范围就要减小系统转动引起的萨格奈克相移从而降低陀螺仪的灵敏度和精度。

对于上述的问题1)，为了降低比例因子的不稳定性对开环光纤陀螺仪性能的影响，专利US 6429939B1中提出了一种有效的方法，通过探测器后端的数字信号处理(DSP)检测I_D(t)的一次谐波信号、二次谐波信号和四次谐波信号，使用二次以及四次谐波信号稳定PZT调相器的调制频率和调制深度，采用一次谐波和二次谐波信号相除再求反正切输出萨格奈克相移估计值的方法去除探测器输出的信号幅度波动对陀螺仪性能的影响。但是US 6429939B1中的方法无法解决上述的问题2)。

对于上述的问题2)，为了提高传统开环光纤陀螺的动态范围，处于公开阶段申请号为200710160367.X的发明专利中提出了一种方法，使用调相器对光纤陀螺进行多个不同幅度的相位调制，对相应的陀螺仪输出信号进行采样并进行数据处理和组合，达到扩展开环光纤陀螺单调区间范围的目的。申请号为200710160367.X的发明专利通过信号处理将开环光纤陀螺能够测量的单调萨格奈克相移区间由上面分析中提到的[-π/2 π/2)扩展到[-23π/16 23π/16)，即扩展了23/8倍，但是该发明的关键之处是调相器不再工作于上面描述的常规状态，而是在一个调制周期内工作在5个调制阶段，各个阶段有不同的固定的调制幅度，这对调相器输出的调制信号的精度要求高，调制幅度需要比较严格的控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置，并结合该方法提出了一种新型光纤陀螺仪。本发明提出的光纤陀螺的信号处理方法、装置，应用于开环光纤陀螺仪探测器的后端，在不改变开环光纤陀螺光路结构的前提下，可以大大提高光纤陀螺的动态范围，同时可以有效降低陀螺仪比例因子的不稳定性对开环光纤陀螺仪性能的不利影响。