一种闭环光纤陀螺固有频率测试方法和装置与流程

1.本发明涉及光纤陀螺固有频率测试技术领域，具体涉及一种闭环光纤陀螺固有频率测试方法和装置。


背景技术：

2.光纤陀螺是一种基于萨格奈克效应的角速度传感器。当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，再由探测器检测出相位差。光纤陀螺闭环控制电路根据检测出的相位差解算出光纤陀螺旋转的角速度。固有频率是光纤陀螺非常重要的性能指标，决定了光纤陀螺角速度输出的动态响应。固有频率测试方法是给光纤陀螺施加一个阶跃输入或一组正弦输入。若施加的是阶跃输入，根据光纤陀螺的角速度输出响应的超调量、上升时间可以得到固有频率。若施加的是一组不同频率的正弦输入，可以根据光纤陀螺对应的角速度输出幅值得到固有频率。
3.传统的阶跃输入或正弦输入的施加方法是：
4.1)使用突停台给光纤陀螺施加阶跃输入。但突停台产生的阶跃输入与理想的阶跃输入相比，误差较大，此时光纤陀螺角速度输出响应的超调量和上升时间与理想值差距较大，由此计算出的固有频率的误差较大。
5.2)使用角振动台给光纤陀螺施加正弦输入。光纤陀螺的固有频率最高可达几千hz，而角振动台最高仅为几百hz，远低于光纤陀螺固有频率。该方式不能测量高固有频率的光纤陀螺，具有很大的局限性。
6.并且上述两种设备均无法测试全温范围内光纤陀螺的固有频率。
7.目前还有一种方式，即3)在光纤陀螺闭环控制电路的闭环控制程序或光路中叠加正弦输入或阶跃输入，来测试光纤陀螺的固有频率。但该技术需要改变光纤陀螺的技术状态，不符合光纤陀螺大批量生产的规范，降低了生产效率，给技术状态控制带来不便。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种闭环光纤陀螺固有频率测试方法，在探测器输出端叠加正弦输入或阶跃输入，然后通过上位机采集光纤陀螺的角速度输出响应数据，根据响应数据计算得到光纤陀螺的固有频率，本发明能够实现光纤陀螺高达十几khz固有频率的测量，且无需改变光纤陀螺软硬件，适合批量生产，效率高，成本低。
9.本发明的闭环光纤陀螺固有频率测试方法，通过给光纤陀螺施加一个阶跃输入或一组正弦输入，计算获得其固有频率；其中，正弦输入或阶跃输入叠加在闭环光纤陀螺的探测器的输出信号中；其中，阶跃输入为：幅值为
±ai
，频率为的双极性方波，其中，τ为光纤陀螺的渡越时间；正弦输入为：幅值为
±bi
、频率为的双极性方波，其中bi按正弦规律变
化，变化频率为其中，fc为闭环控制电路晶振频率；df为模拟正弦输入的频率；n为累加数据的位数。
10.较优的，所述双极性方波的生成方法如下：
11.首先根据光纤陀螺闭环控制电路发送的同步时钟对幅值数据ai/bi进行差分处理，得到一对差分方波：同步时钟为上升沿时，差分输出的一路为ai/bi，另一路为0；同步时钟为下降沿时，差分输出反向；
12.然后将所述差分方波进行运放相减处理，得到一路双极性方波。
13.较优的，叠加阶跃输入时，根据光纤陀螺的角速度输出响应的超调量、上升时间计算光纤陀螺的固有频率；叠加正弦输入时，根据光纤陀螺对应的角速度输出幅值计算光纤陀螺的固有频率。
14.本发明还提供了一种闭环光纤陀螺固有频率测试装置，给光纤陀螺施加一个阶跃输入或一组正弦输入；包括：主控芯片、多通道d/a转换器、晶振、存储器、运放i和运放ii；其中，主控芯片与光纤陀螺闭环控制电路、晶振、存储器、上位机连接，根据光线陀螺闭环控制电路输出的同步时钟频率对幅值数据ai/bi进行差分处理；其中，叠加阶跃输入时，所述同步时钟频率为f
t
：τ为光纤陀螺的渡越时间；叠加正弦输入时，所述同步时钟频率为f
t
：正弦输入频率为f：fc为闭环控制电路晶振频率；df为模拟正弦输入的频率数据；n为累加数据的位数；
15.多通道d/a转换器根据主控芯片输出的差分处理后的数据生成一对差分方波；运放ii对多通道d/a转换器输出的差分方波进行运放相减处理，生成一路双极性方波；运放i将光纤陀螺的探测器输出与运放ii输出的双极性方波进行叠加，输出至光纤陀螺的闭环控制电路；
16.主控芯片根据光纤陀螺闭环控制电路解算的光纤陀螺数据计算光纤陀螺的固有频率。
17.较优的，所述主控芯片为dsp、fpga。
18.较优的，主控芯片进行差分处理时，具体为：当同步时钟为上升沿时，差分输出的一路为ai/bi，另一路为0；同步时钟为下降沿时，差分输出反向。
19.有益效果：
20.(1)本发明可以实现光纤陀螺高达十几khz固有频率的测量，远高于角振动台几百hz的测量范围，也可得到比突停台更理想的阶跃响应，因此相对于角振动台、突停台具有更高的测量精度和范围。
21.(2)在测试固有频率过程中，不需要改变光纤陀螺原有已定型的软、硬件技术状态，且实现电路简单可靠，非常适合光纤陀螺的大批量生产，提高生产效率，节省生产成本。
22.(3)将光纤陀螺放置在温度试验箱中，可以非常方便地完成全温范围内光纤陀螺固有频率的测试。
附图说明
23.图1为本发明测试装置构成示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
25.本发明提供了一种闭环光纤陀螺固有频率测试方法，给光纤陀螺施加一组正弦输入或一个阶跃输入，进行固有频率测试，其中，正弦输入/阶跃输入是叠加在光纤陀螺的探测器的输出信号中；当探测器的输出信号中叠加的是阶跃输入，则根据光纤陀螺的角速度输出响应的超调量、上升时间计算光纤陀螺的固有频率；当探测器的输出信号中叠加的是正弦输入，则根据光纤陀螺对应的角速度输出幅值计算光纤陀螺的固有频率。
26.其中，正弦输入或阶跃输入均为双极性方波。
27.本发明的工作模式分为幅值模式和频率模式。主控芯片根据上位机发送的命令数据判断执行哪种模式。上位机发送的数据包含命令数据、幅值数据或频率数据。
28.(1)在幅值模式下，主控芯片接收的后续数据为模拟光纤陀螺输入角速度的幅值数据ai，既阶跃输入的双极性方波的幅值为
±ai
，频率与光纤陀螺闭环控制电路输出的同步时钟频率相同；其中，同步时钟的频率与光纤陀螺本征频率相同，并且与探测器输出同步。阶跃输入模式下，同步时钟频率为f
t
：
[0029][0030]
其中，τ为光纤陀螺的渡越时间。
[0031]
具体的，可以根据光纤陀螺闭环控制电路发送的同步时钟对幅值数据ai进行差分处理，得到一对差分方波：同步时钟为上升沿时，差分输出的一路为ai，另一路为0；同步时钟为下降沿时，差分输出反向，一路为0，另一路为ai，得到一对差分方波，所述差分方波频率与同步时钟相同，幅值为ai，差分方波相位相差180
°
，互为反向。然后将所述差分方波进行运放相减处理，即可得到一路双极性方波，双极性方波的幅值为
±ai
，频率与同步时钟f
t
相同。
[0032]
在同步时钟控制下，将双极性方波与光纤陀螺的探测器的输出叠加到一起，输出至光纤陀螺的闭环控制电路输入端，即相当于在光纤陀螺输入端叠加了一阶跃输入ai，光纤陀螺闭环控制电路解算出角速度数据ωi，根据角速度数据ωi得到光纤陀螺的阶跃响应。根据阶跃响应的超调量、上升时间计算光纤陀螺的固有频率。
[0033]
(2)若主控电路接收到的命令为频率模式，则主控芯片接收的后续数据为模拟光纤陀螺正弦输入的频率数据df。储存器存储的数据为一个完整周期的模拟正弦激励的幅值数据bi，储存器存储的bi的个数为2m。
[0034]
主控芯片接收频率数据df后，在晶振的控制下对df进行累加，累加数据的位数为n。模拟正弦输入的频率为f：
[0035][0036]
其中，fc为晶振频率；df为模拟正弦输入的频率；n为累加数据的位数。
[0037]
取累加数据的高m位作为读取储存器数据的指针，循环读取幅值数据bi。
[0038]
同样的，可以根据光纤陀螺闭环控制电路发送的同步时钟对幅值数据bi进行差分处理，得到一对差分方波：
[0039]
同步时钟为上升沿时，差分输出的一路为bi，另一路为0，并在同步时钟为高电平时，差分输出数据保持不变；同步时钟为下降沿时，差分输出反向，一路为0，另一路为bi，并在同步时钟为低电平时，差分输出数据保持不变，从而得到一对差分方波，所述差分方波频率与同步时钟相同，相位相差180
°
，互为反向。差分方波的幅值bi按照正弦规律变化，变化频率为f。然后将所述差分方波进行运放相减处理，即可得到一路双极性方波，双极性方波的幅值为
±bi
，频率与同步时钟相同，幅值bi按照正弦规律变化，变化频率为f。
[0040]
在同步时钟控制下，将双极性方波与光纤陀螺的探测器的输出叠加到一起，输出至光纤陀螺的闭环控制电路输入端，即相当于在光纤陀螺输入叠加了正弦激励，光纤陀螺闭环控制电路解算出对应频率的角速度数据ωi。
[0041]
改变df的数值，得到一组角速度数据ωi，再根据不同频率f下的角速度数据ωi与模拟正弦输入角速度的幅值计算光纤陀螺固有频率。
[0042]
本发明还提供了一种闭环光纤陀螺固有频率测试装置，如图1所示，包括：包括运放i、运放ii、多通道d/a转换器、主控芯片(不限于dsp、fpga)、晶振、存储器和上位机。其中，主控芯片输入端分别与晶振输出端、存储器输出端、上位机输出端、光纤陀螺闭环控制电路输出端连接，主控芯片的输出端与多通道d/a转换器输入端连接。多通道d/a转换器输出端与运放ii输入端连接。运放ii输出端与运放i输入端连接。光纤陀螺的探测器的输出端与运放i的另一个输入端连接。运放i输出端与光纤陀螺的闭环控制电路输入端连接。
[0043]
本发明测试装置包括两种工作模式：幅值模式和频率模式。幅值模式给光纤陀螺施加阶跃输入，再根据光纤陀螺的角速度输出响应的超调量、上升时间计算光纤陀螺的固有频率；频率模式给光纤陀螺施加不同频率的正弦输入，根据光纤陀螺对应的角速度输出幅值计算光纤陀螺的固有频率。主控芯片根据上位机发送的命令数据判断执行哪种模式。上位机发送的数据包含命令数据、幅值数据或频率数据。
[0044]
1)若主控芯片接收到的命令为幅值模式，则主控芯片接收的后续数据为模拟光纤陀螺输入角速度的幅值数据ai。主控芯片同时接收光纤陀螺闭环控制电路发送的同步时钟，同步时钟的频率与光纤陀螺的本征频率相同，并且与探测器输出同步。
[0045]
同步时钟的频率为f
t
：
[0046][0047]
其中，τ为光纤陀螺的渡越时间。
[0048]
1-a)主控芯片根据同步时钟对幅值数据ai进行差分处理，得到一对差分数据：同步时钟为上升沿时，差分数据的一路为ai，另一路为0；同步时钟为下降沿时，差分数据反向，一路为0，另一路为ai。
[0049]
1-b)幅值数据ai经过差分处理后，输出至多通道d/a转换器，得到一对差分方波，差分方波频率与同步时钟相同，相位相差180
°
，互为反向，幅值均为ai。
[0050]
1-c)多通道d/a转换器输出的一对差分方波通过运放ii相减处理后，得到一路双极性方波，双极性方波的幅值为
±ai
，频率与同步时钟f
t
相同。
[0051]
1-d)在同步时钟控制下，双极性方波与探测器输出通过运放i叠加到一起，输出至
光纤陀螺闭环控制电路输入端，相当于在光纤陀螺输入端叠加了一阶跃输入ai，在阶跃输入的影响下，光纤陀螺闭环控制电路完成闭环控制过程，并将解算出的角速度数据ωi发送至主控芯片，即得到光纤陀螺的阶跃响应输出。主控芯片将光纤陀螺的阶跃响应输出数据发送至上位机。
[0052]
1-e)上位机接收光纤陀螺的阶跃响应输出ωi后，根据阶跃相应ωi的超调量、上升时间计算光纤陀螺的固有频率。
[0053]
2)若主控电路接收到的命令为频率模式，则主控芯片接收的后续数据为模拟光纤陀螺正弦输入的频率数据df。储存器存储的数据为一个完整周期的模拟正弦激励的幅值数据bi，储存器存储的bi的个数为2m。
[0054]
2-a)主控芯片接收频率数据df后，在晶振的控制下对df进行累加，累加数据的位数为n。则模拟正弦输入的频率f为：
[0055][0056]
其中，fc为晶振频率。
[0057]
2-b)取累加数据的高m位数据作为主控芯片读取储存器数据的指针，循环读取2m个幅值数据bi。
[0058]
2-c)主控芯片同时接收光纤陀螺发送的同步时钟，主控芯片在同步时钟控制下对幅值数据bi进行差分处理：
[0059]
同步时钟为上升沿时，主控芯片将读取到的bi作为多通道d/a转换器第一路输出，第二路输出为0。并在同步时钟为高电平时，差分输出数据保持不变。
[0060]
同步时钟为下降沿时，主控芯片将读取到的bi作为多通道d/a转换器第二路输出，第一路输出为0。并在同步时钟为低电平时，差分输出数据保持不变。
[0061]
2-d)bi经过差分处理后，输出至多通道d/a转换器，得到一对差分方波，差分方波频率与同步时钟相同，相位相差180
°
，互为反向。差分方波的幅值bi按照正弦规律变化，变化频率为f。
[0062]
2-e)多通道d/a转换器输出的差分方波通过运放ii相减处理后，得到一路双极性方波，双极性方波频率与同步时钟f相同，其幅值为
±bi
，并按频率为f的正弦规律变化。
[0063]
2-f)双极性方波与探测器输出通过运放i叠加到一起，输出至光纤陀螺闭环控制电路输入端，相当于在光纤陀螺输入端叠加了一个正弦激励。在正弦激励下，闭环控制电路将解算出的角速度数据ωi发送至主控芯片。主控芯片将采集到ωi发送至上位机。
[0064]
2-g)改变频率数据df的数值，得到一组不同频率f下的光纤陀螺角速度数据ωi。
[0065]
2-h)上位机根据不同的频率f下的角速度数据ωi与模拟正弦激励的幅值bi计算光纤陀螺固有频率。
[0066]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。