輕小型光纖陀螺抗干擾技術(shù)

張　輝，唐　峰，王曉章，段德軍，李　曉

（西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安710065）

輕小型光纖陀螺抗干擾技術(shù)

張輝，唐峰，王曉章，段德軍，李曉

（西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安710065）

輕小型光纖陀螺內(nèi)部干擾嚴重影響了其正常工作。干擾可導致陀螺輸出死區(qū)，產(chǎn)生周期性噪聲和輸出非線性等現(xiàn)象。抑制干擾對提升陀螺性能和環(huán)境適應能力有重要的意義。對干擾的形成機理進行了理論分析，并提出了一些抑制干擾的方案。

輕小型光纖陀螺；內(nèi)部干擾；死區(qū)；抑制干擾

0 引言

光纖陀螺作為新型慣性傳感器的典型代表，與機電陀螺相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件和磨損部件，啟動快，壽命長，體積小、質(zhì)量小，耐振動、沖擊，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移，動態(tài)范圍大、成本低等優(yōu)越的性能［1］。由于光纖陀螺敏感角速度的部件是由光纖繞制成的敏感環(huán)，因此可實現(xiàn)小型化的設計。這是光纖陀螺相比于激光陀螺的重要優(yōu)勢之一。

隨著光纖陀螺體積的減小，內(nèi)部干擾對其性能的影響逐漸顯現(xiàn)出來，具體表現(xiàn)為陀螺輸出死區(qū)、噪聲和小角速度漂移等。干擾嚴重影響了光纖陀螺的檢測精度和正常工作。因此，抗干擾技術(shù)的研究對輕小型光纖陀螺有十分重要的意義。

1 輕小型光纖陀螺干擾特性

1.1干擾誤差源分析

光纖陀螺是基于Sagnac效應的干涉式角速度傳感器，其依靠檢測光纖環(huán)中相反方向傳輸?shù)膬墒庠谵D(zhuǎn)動下產(chǎn)生的相位差來感知角速度［2］。當前，光纖陀螺采用的檢測方案是閉環(huán)數(shù)字檢測方案［3-4］?？紤]光纖陀螺內(nèi)部干擾，其工作原理如圖1所示。干擾的來源主要是偏置調(diào)制信號對探測器輸出信號的串擾耦合［4-5］。在數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺中，調(diào)制信號電壓峰值可高達幾伏，而光探測器輸出的電流峰值卻可低至10-13A。因此，光探測器的輸出極易受到調(diào)制串擾信號的影響，調(diào)制串擾路徑如圖1中虛線部分所示［6］。

圖1　光纖陀螺工作原理Fig.1 The working principle of optical fiber gyroscope

1.2干擾的信號檢測本質(zhì)——器件和環(huán)節(jié)的非線性

干擾的信號檢測本質(zhì)對應著器件和環(huán)節(jié)的非線性特性?？紤]實際閉環(huán)工作條件，存在干擾通道的閉環(huán)光纖陀螺信號檢測的原理如圖2所示，各參數(shù)物理意義如表1所示。

圖2　信號檢測原理Fig.2 Detection theory of signal

表1　框圖中各環(huán)節(jié)物理意義Table 1 Various links of the physical meaning of the diagram

由光纖陀螺的檢測原理可以知道，當D/A全碼時對應的模擬電壓等于集成光學器件的2π電壓時，不影響正常的反饋。但是，由于干擾通道的存在，反饋階梯波的復位將引入非線性效應。為進一步簡化分析，將圖2所示的框圖抽象到連續(xù)域，建立如圖3所示的系統(tǒng)框圖。

圖3　連續(xù)域簡化模型框圖Fig.3 A simplified block diagram of a continuous domain model

圖3中，K0為前向通道增益；K1為干擾耦合系數(shù)，含義為D/A輸出最低有效位時干擾等效的Sagnac相移?？梢缘玫较到y(tǒng)的狀態(tài)方程如下:

初始狀態(tài):x1（0）=0，x2（0）=0，狀態(tài)約束:非線性模型退化為二階線性系統(tǒng)模型。A為階躍輸入的幅度，求解可得:

反饋階梯波的仿真波形如圖4所示。

可以看出，當A·K_SAG＜2nK1時，輸入被干擾抵消，階梯波臺階高度為零，階梯波高度不再增加，故不復位，即陀螺在“死區(qū)”；當A·K_SAG=2nK1時，由于延時環(huán)節(jié)的存在，階梯波雖然復位，但復位周期長達幾十秒且存在明顯的非線性；當A· K_SAG＞2nK1時，越靠近反饋階梯波復位點，干擾越大，階梯波臺階高度越小，階梯波高度增加越緩慢。

圖4　反饋階梯波仿真波形Fig.4 The simulate waveform of the feedback step wave

1.3干擾的物理環(huán)節(jié)

（1）方波調(diào)制誤差的影響

根據(jù)數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的方波調(diào)制、解調(diào)原理，若調(diào)制方波的占空比不等于1:1，且調(diào)制頻率不等于光纖環(huán)特征頻率，則在干涉信號中產(chǎn)生脈沖寬度不等的周期矩形脈沖干擾信號，利用理想方波對脈沖干擾信號進行解調(diào)后得到方波調(diào)制誤差。方波調(diào)制誤差的產(chǎn)生如圖5所示。

圖5　方波調(diào)制誤差示意圖Fig.5 The schematic of square wave modulation error

若將輸出P（t）看作是2個脈沖寬度不等的周期矩形脈沖干擾信號之和，則可表示為:

其中，f1（t）、f2（t）的周期同為Tm，脈沖寬度為τ1、τ2，相位差為π弧度。其傅里葉級數(shù)展開式可表示為:

數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的解調(diào)方波可認為是與調(diào)制方波同頻、占空比為1∶1、幅值為±1的理想方波，其傅里葉級數(shù)展開式為:

解調(diào)的本質(zhì)是干涉信號與解調(diào)方波進行相關(guān)，得到的結(jié)果為:

式中，Eme代表了解調(diào)后的方波調(diào)制誤差，t0= QTm（Q為整數(shù)），而N可表示為:

由于在電路中，信號的上升和下降時間總有差異，且各個參數(shù)受環(huán)境因素的影響會產(chǎn)生漂移，因此，很難使方波調(diào)制誤差穩(wěn)定為零。輸出偏置和各個參數(shù)的關(guān)系曲線如圖6、圖7所示。

圖6　脈沖干擾信號相位，群延時和輸出偏置的關(guān)系Fig.6 The relationship among the phase of pulse signal，the group delay and the output bias

圖7　調(diào)制方波周期、方波占空比和輸出偏置的關(guān)系Fig.7 The relationship among the period of square wave，the duty cycle of the square wave and the output bias

（2）其他環(huán)節(jié)

方波調(diào)制的頻率偏差和占空比不理想均會對輸出造成影響，輸出偏置與其密切相關(guān)。在光纖陀螺工作原理框圖中，各個部分的非理想和非線性特性，都會最終影響陀螺的輸出性能和工作特性。

干擾對應著器件和環(huán)節(jié)的非線性特性還包括波導增益非線性、DA積分非線性、DA運放增益非線性、波導附加強度調(diào)制、前放運放尖峰非線性和線性失真等等［5］。同時，光源、探測器、波導的封裝的設計與更改都將導致信號分布和特性的變化，對陀螺特性也有很大的影響。與方波調(diào)制誤差類似，根據(jù)檢測理論分析和仿真可以找到各個環(huán)節(jié)干擾與陀螺輸出誤差的對應關(guān)系。

干擾源和干擾物理環(huán)節(jié)的確定和準確分析，為輸出出現(xiàn)的各種干擾偏差找到了誤差源和理論依據(jù)，為抑制干擾、提升陀螺性能打下了理論基礎(chǔ)。

1.4干擾的陀螺表現(xiàn)

（1）死區(qū)

IEEE528-2001標準中關(guān)于“死區(qū)”的定義為:輸入變化導致的輸出變化小于按標稱標度因數(shù)計算值的10％（或更?。┑囊欢屋斎虢撬俣确秶Ｄ壳?，國軍標GJB2426A-2004中并未給出“死區(qū)”定義，只給出了“閾值”和“分辨率”的定義。閾值的定義為:陀螺儀能敏感的最小輸入角速率；分辨率的定義為:陀螺儀在規(guī)定的輸入角速率下，能敏感的最小輸入角速率增量。根據(jù)死區(qū)產(chǎn)生的機理，死區(qū)只出現(xiàn)在輸出角速率為零的區(qū)域附近，如圖8所示。由于光纖陀螺輸出有可能包含非互易偏置誤差，當輸入角速率為零時，陀螺將有一個偏置角速率Bo輸出。因此，當Bo=0時，測量死區(qū)和測量閾值是一致的；當Bo≠0時，測量死區(qū)與測量輸入角速率為-Bo時的分辨率相當。

調(diào)制串擾在陀螺理想模型中引入了部分積分反饋環(huán)節(jié)，調(diào)制階梯波電壓VF小于積分門限H（VT）時，陀螺輸出出現(xiàn)死區(qū)［7］。

圖8　陀螺輸出死區(qū)示意圖Fig.8 The schematic of gyroscope's dead zone

（2）周期噪聲干擾

當陀螺輸入角速度大于死區(qū)邊界值時，陀螺輸出產(chǎn)生振蕩，調(diào)制串擾誤差表現(xiàn)為周期性噪聲干擾，若階梯波電壓增長周期遠大于系統(tǒng)采樣周期，則陀螺輸出振蕩。設輸入恒定角速度為3（°）/h，仿真曲線如圖9所示，在圖9（a）中調(diào)制串擾誤差為0.46（°）/h，在圖9（b）中調(diào)制串擾誤差為0.18（°）/h。其中，Kc表示串擾通道的增益。

圖9　周期噪聲仿真曲線Fig.9 The simulate curve of period noise

（3）輸出非線性

隨著輸入角速度減小，周期噪聲的頻率降低，若其小于陀螺輸出帶寬，則表現(xiàn)為小角速度漂移誤差，由調(diào)制串繞引起的周期性小角速度漂移將使陀螺小角速度線性度和小角速度分辨率等指標惡化。

小角速度輸入時的輸出非線性，輸入角速度ΩIN范圍為0.4334（°）/h～2.6006（°）/h，對應的輸出理想值如圖10中曲線A所示，對應的輸出均值如曲線B所示，對應的直流偏置誤差如曲線C所示。可見，在小角速度輸入時（即將進入死區(qū)時），和ΩIN之間保持線性關(guān)系，而和ΩIN之間表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系；直流偏置誤差并不是一個固定值，隨著ΩIN的增大趨于固定值

圖10　小角速度輸入時的輸出非線性仿真圖Fig.10 The nonlinear output simulation figure of small angular velocity input

（4）其他表現(xiàn)

除了以上三種表現(xiàn)，在陀螺測試的過程中還發(fā)現(xiàn)干擾對陀螺的影響還體現(xiàn)在開機重復性變差、在常溫或全溫下輸出出現(xiàn)跳臺階、標度因數(shù)低速下線性度變差等現(xiàn)象上。通過抑制干擾通道的增益、選擇合適的調(diào)制方式和信號處理方式可以有效地抑制干擾的影響。

2 輕小型光纖陀螺抗干擾技術(shù)

根據(jù)1.3節(jié)的分析，特征頻率與調(diào)制頻率的差異可產(chǎn)生很大的干擾，為抑制干擾使用方波調(diào)制時，應保證調(diào)制頻率和特征頻率的一致性和占空比的盡量理想。此外為抑制干擾，也可以從以下幾個方面開展工作。

2.1隨機調(diào)制

隨機調(diào)制的思路是，利用調(diào)制信號狀態(tài)轉(zhuǎn)移方向的隨機性和三角函數(shù)的周期性，使調(diào)制信號序列和解調(diào)信號序列相互獨立，且解調(diào)信號序列的均值為零，則調(diào)制信號序列和解調(diào)信號序列相關(guān)解調(diào)的結(jié)果為零［8］。隨機調(diào)制信號與解調(diào)信號關(guān)系如圖11所示。

圖11　隨機調(diào)制信號調(diào)制解調(diào)波形Fig.11 The modulation and demodulation waveform of random modulation signal

通過以上仿真可知，在本文設計的參數(shù)條件下，隨機調(diào)制信號和解調(diào)信號的相關(guān)值比方波調(diào)制信號和解調(diào)信號的相關(guān)值減小約1×103倍。使用隨機調(diào)制前后輸出對比如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)隨機調(diào)制有效降低了干擾和噪聲。

圖12　采用隨機調(diào)制和方波調(diào)制的陀螺輸出Fig.12 The random modulation and square wave modulation of the gyroscope's output

2.2去尖電路的使用

前放濾波電路是對Pin信號進行調(diào)理，使其在AD采樣前具有高信噪比、無失真的特性。陀螺的干涉信號是一個帶尖峰的方波信號，理想的信號如圖13所示，具有無限的帶寬，尖峰表現(xiàn)為一個理想的脈沖信號，方波的過渡時間為零。

圖13　理想的陀螺干涉信號Fig.13 The ideal gyroscope's interference signal

在實際系統(tǒng)中，Pin-Fet的帶寬為50MHz，方波具有上千次諧波，可近似為理想方波信號，尖峰信號的過渡時間也小于調(diào)制信號的準確度，因此可以認為Pin-Fet輸出的信號可以近似滿足無失真的條件。但是，由于尖峰信號的幅值遠遠大于方波信號的幅值，在靜態(tài)時能達到105量級，受限于尖峰信號的幅值，含有轉(zhuǎn)速信號的方波得不到有效的放大，使得AD的量化位數(shù)不能得到有效的利用。

信號在低通濾波后將不再近似為理想干涉信號，尖峰信號過渡時間加長，在調(diào)制信號的調(diào)制頻率不嚴格等于光纖環(huán)特征頻率時，方波正負半周期的尖峰信號過渡時間將不一致，導致解調(diào)后將產(chǎn)生一個固定偏置，該偏置對陀螺性能將造成極為不利的影響，如圖14所示。

圖14　非理想干涉信號Fig.14 Non ideal interference signal

采用時域去尖的方法，在電路Pin-Fet后接一個開關(guān)，使光纖陀螺干涉信號在理想狀態(tài)下就把尖峰信號去除，這樣可以最大程度抑制上述干擾。同時，去掉尖峰的方波信號可以進行放大、濾波等信號調(diào)理措施，使得干涉信號在AD之間具有無失真、高信噪比的特性，如圖15所示。

圖15　時域去尖后的信號Fig.15 The Time-domain signal after the tip was removed

2.3其他措施

在使用隨機調(diào)制技術(shù)減弱調(diào)制信號與探測器輸出信號的相關(guān)性和利用時域去尖減小前放電路的噪聲和信號畸變的基礎(chǔ)上，對電路各個部分進行優(yōu)化設計都對抑制干擾有重要的意義。

為減小干擾，在電路部分設計上應注意，在電源上退耦［5］、單獨供電和濾波；在線纜上應加屏蔽、隔離和采用雙絞形式；此外，在器件選型、PCB設計等方面也是抑制干擾的重要途徑。

3 存在的問題

電路干擾對陀螺性能的影響因素很多，電路每一部分設計的不合理和電子元器件的不理想都會造成干擾的產(chǎn)生。另外，干擾還與使用環(huán)境和內(nèi)部參數(shù)的變化密切相關(guān)。在實驗中還發(fā)現(xiàn)干擾和調(diào)頻的參數(shù)、解調(diào)延遲、運放帶寬都有密切聯(lián)系，有待進一步研究和量化計算。除以上幾點外，在光源驅(qū)動電路上，由于光源制冷電流的脈沖會產(chǎn)生很大的電磁干擾，對探測器信號影響十分嚴重。因此，對光源驅(qū)動電路上干擾的測量和消除對提升陀螺性能也有十分重要的意義。

4 結(jié)論

輕小型光纖陀螺中干擾對陀螺性能的影響十分顯著，可表現(xiàn)為輸出死區(qū)、周期噪聲干擾、輸出非線性和環(huán)境適應性差等方面。干擾的信號檢測本質(zhì)是器件和環(huán)節(jié)的非線性，將原有的線性關(guān)系畸變，導致性能變差。為解決干擾問題，可采用隨機調(diào)制技術(shù)［8］和前放電路中的時域去尖，以及在電路設計和實際使用過程中的參數(shù)優(yōu)化。

［1］宋凝芳，李立京，金靖，等.光纖陀螺的死區(qū)研究［J］.彈箭與制導學報，2005，25（1）:22-23+26. SONG Ning-fang，LI Li-jing，JIN Jing，et al.The study on deadband of fiber optic gyro［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2005，25（1）:22-23 +26.

［2］Herve C L.光纖陀螺儀［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002. Herve C L.The fiber optic gyroscope［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2002.

［3］Lefèvre H C.，Graindorge P，Arditty H J，et al.Double closed-loop hybrid fiber gyroscope using digital phase rampe［C］.Proceedings of OFS3/'85，San Diego，OSA/ IEEE，Postdeadline Paper 7，1985，SPIE MS 8，444-447.

［4］Pavlath G A.Closed-loop fiber optic gyros［C］.SPIE's 1996 International Symposium on Optical Science，Engineering，and Instrumentation，International Society for Optics and Photonics，1996:46-60.

［5］潘軍.閉環(huán)光纖陀螺的死區(qū)現(xiàn)象及克服死區(qū)實驗［J］.航空學報，2001，22（2）:177-179. PAN Jun.Dead band phenomena of closed-loop fiber optic gyroscope and the experiment to eliminate dead band［J］. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2001，22（2）: 177-179.

［6］余濤，卿立，吳衍記.光纖陀螺儀死區(qū)的原因分析及誤差補償［J］.中國慣性技術(shù)學報，2007，15（3）: 363-365. YU Tao，QING Li，WU Yan-ji.FOG deadband reason analysis and error compensation［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2007，15（3）:363-365.

［7］Lange C H，Chen C J.Apparatus and methods for deadband error suppression in fiber optic gyroscopes［P］.US: 2484201，2002-04-30.

［8］金靖，李敏，宋凝芳，等.基于4態(tài)馬爾可夫鏈的光纖陀螺隨機調(diào)制［J］.北京航空航天大學學報，2008，34（7）:769-772. JIN Jing，LI Min，SONG Ning-fang，et al.Random modulation for fiber optic gyroscope based on four-states Markov chain［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2008，34（7）:769-772.

Anti-jamming Technology for Light and Small Fiber Optic Gyroscope

ZHANG Hui，TANG Feng，WANG Xiao-zhang，DUAN De-jun，LI Xiao
（Xi'an Modern Control Technology Research Institute，Xi'an 710065）

The internal jamming of light and small fiber optic gyroscope has seriously affected the normal operation which can cause the output of the gyro dead zone and result in the phenomenon of periodic noise and nonlinear output and so on.The suppression of internal interference has important significance to improve the performance of the gyroscope and the environmental adaptability.In this paper，the formation mechanism of interference is analyzed theoretically and some schemes for restraining the internal interference are proposed.

light and small fiber optic gyroscope；internal jamming；dead zone；suppression of internal interference

V241.5

A

1674-5558（2016）02-01177

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.009

張輝，男，光信息科學與技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師，研究方向為光纖陀螺及其應用技術(shù)。

2015-08-10