[发明专利]一种小型光纤陀螺的闭环控制系统

说明书

本发明公开了一种小型光纤陀螺的闭环控制系统，其包括光纤环、Y波导、耦合器与探测器通过光纤依次相连，探测器、第一滤波放大电路、A/D转换器、微控制器、D/A转换器和第二滤波放大电路依次进行电连接，第二滤波放大电路的输出端连接Y波导的相位控制端；所述微控制器包括解调模块、控制校正模块、阶梯波生成模块、相加模块、±(π/2)相位差调制模块；微控制器还包括复位误差累加模块、2π复位电压修正模块；所述复位误差累加模块、2π复位电压修正模块和阶梯波生成模块构成第二闭环控制回路。该方案能够缩减闭环控制系统的体积，克服了传统闭环控制系统无法应用在小型光纤陀螺的缺点。

技术领域

本发明涉及光纤陀螺的闭环控制技术领域，具体涉及一种小型光纤陀螺的闭环控制系统。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnae)效应的角速度传感器。在光纤陀螺相对惯性空间旋转时，沿光纤陀螺内部光纤环顺时针和逆时针方向传输的两束光因萨格奈克效应产生相位差，根据相位差来解算出光纤陀螺旋转的角速度。

两束光的相位差的测量只能通过检测两束光的干涉光强信号来测量。光强信号与相位差之间成余弦关系，在零相位差附近通过光强信号检测相位差的灵敏度最小，同时相位差的正负也无法识别。所以，需要施加一个±(π/2)的相位差，即调制电压值V_π/2，使光强信号与相位差成正弦关系，此时，在零相位差附近光强信号与相位差成线性关系，并具有最高的灵敏度，此过程被称为±(π/2)相位调制。同时，通过闭环控制，使光纤陀螺旋转时产生的相位差Φ_X作为误差信号反馈到控制系统中，控制系统生成阶梯波控制信号，控制Y波导产生相位差Φ_j，用Φ_j抵消掉萨格奈克相位差Φ_X，从而使光强信号始终保持不变，其中阶梯波的台阶高度与Φ_X成正比例关系。

一般的阶梯波调制闭环控制系统主要分为主闭环控制回路和第二闭环控制回路，如图1所示。主闭环控制回路由Y波导、耦合器、探测器、模拟开关、第一滤波放大器、A/D转换器、微控制器、D/A转换器A、第二滤波放大器组成。在主闭环控制回路中，微控制器完成如下处理环节，包括：解调、累加、阶梯波生成、±(π/2)相位调制。第二闭环控制回路由微控制器中的复位误差累加环节、增加在微控制器之外的D/A转换器B以及主闭环控制回路中的D/A转换器A构成。

在主闭环控制回路中，探测器将光纤陀螺旋转产生的由光强表示的相位差转换为电压信号，微控制器根据时钟或中断时序逻辑，每隔渡越时间T更新1次阶梯波控制信号，探测器输出的电压信号中会存在脉冲误差，该脉冲误差是由阶梯波的跳变沿产生的，也就是说在每个跳变沿处会存在一个尖峰，该尖峰是噪声数据，需要的是尖峰之间的平坦区域，尖峰的间隔是固定的，即为渡越时间(与阶梯波台阶宽度相同，＝光纤环长度除以光速)，因此尖峰位置已知，通过模拟开关的开关控制，当跳变沿到来时，模拟开关断开，跳变沿未到来时，模拟开关闭合，从而阻止尖峰电压通过，只令“平坦区域”的有效电压通过，达到消除电压信号中的脉冲误差的目的。被模拟开关滤除脉冲误差的探测器电压信号经过滤波放大后被A/D转换器采样，转换为数字量，微控制器得到探测器电压信号后对其进行解调、固定时长累加处理后，得到阶梯波台阶高度ΔV_J，该ΔV_J一方面作为解算出来的光纤陀螺角速率结果输出至外部，另一方面用于阶梯波生成。阶梯波生成是指将上一周期阶梯波幅值V_J累加上当前的台阶高度ΔV_J，再附加上调制电压值V_π/2后，通过D/A转换器A、滤波放大电路的处理后输出给Y波导的相位控制端。

阶梯波的两个阶梯电压之间的差值(即台阶高度)与光纤陀螺旋转时产生的相位差Φ_X成正比例关系。该阶梯波进入Y波导相位控制端用于控制Y波导产生相位差Φ_j，用Φ_j抵消掉萨格奈克相位差Φ_X，从而使光强信号被拉回到零相位，即高灵敏度位置，实现光纤陀螺的主闭环控制。