一种数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统

摘要

本发明公开了一种数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统，包括光学系统模块，前放模块，数字处理模块，反馈模块，通讯模块和地检及仿真试验系统。本发明可以在不借助转台的情况下，对光纤陀螺实现全回路检测；可以在不借助角振动台和突停台的情况下，完成光纤陀螺的单机带宽测试，测试过程中避开了传统机械设备自身的条件限制；可以在不增加任何地检辅助电路的情况下实现分系统的动力学仿真功能，避免辅助电路的参数限制，完成复杂的动力学仿真。本发明降低了产品的功耗、重量，降低了成本，实现了产品的小型化、低成本设计。

说明书

技术领域

本发明属于惯性姿态敏感器系统技术领域，涉及一种数字闭环光纤陀螺全 回路检测与仿真测试系统。

背景技术

近年来，由于微、小卫星市场的繁荣，低成本、小型化的惯性姿态敏感器 的研究得到了迅猛发展。卫星用产品为了进行地面物理仿真，所有单机均必须 有地检功能，所以需要增加实现地检功能的辅助电路，增大了产品的功耗、尺 寸和重量。

带宽测试作为一种重要的频率特性，是陀螺性能测试的一项重要内容。传 统的方法是采用突停台和角振动台等机械设备得到频率响应曲线，然后根据闭 环光纤陀螺的模型计算出光纤陀螺的带宽。受到突停台和角振动台等机械设备 自身条件的限制，无法对光纤陀螺的带宽做极限性的测试。

陀螺的地检功能（光纤陀螺动力学仿真）是整星在地面测试过程中不可缺 少的一项功能。传统的方法是通过辅助硬件电路给陀螺的闭环系统施加电信号 的激励，从而使陀螺输出有一定规律的角速度信号，该信号用来模拟卫星的运 动，从而完成地面整星轨控算法的动力学仿真验证。由于所增加的辅助硬件电 路，在卫星上天后就不再使用，可以说这部分硬件电路只在地面测试时才使用， 这对于对重量要求极为苛刻的卫星来说不能不说是一种资源的浪费。

综上所述，如果上述频率特性的测量和地检功能可以使用软件实现，则可 以对光纤陀螺的带宽做极限测试，可以降低产品的成本、减小产品的重量、以 及降低产品的试验费用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种数字闭环光纤 陀螺全回路检测与仿真测试系统，利用软件技术降低光纤陀螺研发、生产、试 验成本，可节省掉地检辅助电路，同时避免使用传统的突停台和角振动台等机 械设备，不但可以降低产品成本，缩小产品的外形尺寸，而且也简化了试验方 案，加速了产品的研发生产进度。

本发明的技术方案是：一种数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统， 包括光学系统模块，前放模块，数字处理模块，反馈模块，通讯模块和地检及 仿真试验系统；

地检及仿真试验系统通过通讯模块向数字处理模块发出测试指令；

数字处理模块包括数据解调单元、数字滤波单元、调制信号产生单元、信 号叠加单元和指令解析单元；其中指令解析单元接收地检及仿真试验系统通过 通讯模块发送的测试指令，并对该指令进行解析，得到该指令中的光纤陀螺角 速率信号；然后指令解析单元将该光纤陀螺角速率信号发送给信号叠加单元， 信号叠加单元将接收到的光纤陀螺角速率信号与数据解调单元输出的光纤陀螺 角速率信号以及调制信号产生单元产生的数字方波进行叠加形成包含光纤陀螺 角速率信号的调制信号，并将该调制信号输出给反馈模块，其中调制信号产生 单元产生的数字方波由相位调制器的电气参数决定；

反馈模块包括驱动电路和D/A转换器，D/A转换器接收数字处理模块通过 信号叠加单元输出的调制信号，并将其转换为模拟信号后通过驱动电路输出给 光学系统模块；

光学系统模块包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环和光电转换器，光 源发出的光信号经耦合器传输到相位调制器，相位调制器将接收到的光信号分 为两束光，相位调制器根据反馈模块发送过来的调制信号对这两束光进行调制， 调制后的这两束光进入光纤环并分别绕光纤环的顺时针、逆时针方向传输，当 这两束光从光纤环再传输到相位调制器后，再次被相位调制器调制，经上述两 次调制作用后，两束光在相位调制器分光/合光处产生干涉，该干涉后的光信号 通过耦合器输出给光电转换器，由光电转换器将该干涉后的光信号转换为电信 号并输出给前放模块，该电信号包含光纤陀螺角速率信号和调制信号，该光纤 陀螺角速率信号包含光纤陀螺本体的输入角速率信号和地检及仿真试验系统发 出的测试指令中的光纤陀螺角速率信号；

前放模块包括前置放大器和A/D转换器，前置放大器对光学系统模块输出 的电信号进行放大后输出给A/D转换器，A/D转换器将放大后的电信号转换为 数字信号后输出给数字处理模块的数据解调单元，数字处理模块的数据解调单 元对接收到的数字信号进行解调，得到光纤陀螺角速率信号，该光纤陀螺角速 率信号一方面输出给数字处理模块的信号叠加单元进行下一轮闭环控制，另一 方面输出给数字滤波单元进行滤波，滤波后得到的光纤陀螺角速率信号通过通 讯模块发送给地检及仿真试验系统，地检及仿真试验系统根据接收到的光纤陀 螺角速率信号完成光纤陀螺闭环回路检测、带宽测试以及光纤陀螺动力学仿真 测试。

地检及仿真试验系统通过通讯模块发送给数字处理模块的测试指令由两个 字节组成，第一个字节为指令信息，第二个字节为光纤陀螺角速率信息。

所述地检及仿真试验系统根据接收到的光纤陀螺角速率信号完成光纤陀螺 闭环回路检测、带宽测试以及光纤陀螺动力学仿真测试的具体方式为：

当对光纤陀螺进行闭环回路检测时，地检及仿真试验系统通过通讯模块向 数字处理模块发出的测试指令为光纤陀螺闭环回路检测指令，地检及仿真试验 系统计算接收到的光纤陀螺角速率信号和光纤陀螺本体的输入角速率信号的 差，并通过判断上述两个角速率信号的差与光纤陀螺闭环回路检测指令中的光 纤陀螺角速率信号的一致性来完成光纤陀螺的闭环在线检测；

当对光纤陀螺进行带宽测试时，地检及仿真试验系统通过通讯模块向数字 处理模块发出的测试指令为光纤陀螺带宽测试指令，同时地检及仿真试验系统 记录发出指令的时刻和指令中光纤陀螺角速率信号的幅值；地检及仿真试验系 统采集光纤陀螺输出的每一个角速率信号，并记录收到每一个角速率信号的时 刻，通过公式计算光纤陀螺的带宽；

当对光纤陀螺进行动力学仿真时，地检及仿真试验系统通过通讯模块向数 字处理模块发出的测试指令为光纤陀螺动力学仿真指令；地检及仿真试验系统 根据整星控制周期对光纤陀螺输出的角速率信号进行采集，并将该角速率信号 引入动力学仿真系统的输入端，经过星上计算机的计算完成一个周期的动力学 仿真。

当对光纤陀螺进行带宽测试时，计算光纤陀螺带宽的公式如下：

$l=\frac{0.75}{t_2-t_1}$

其中，l为光纤陀螺带宽，t₂为地检及仿真试验系统接收到光纤陀螺输出的 角速率信号的时刻，且该时刻地检及仿真试验系统接收到的光纤陀螺角速率信 号与光纤陀螺本体的输入角速率信号之差的幅值为地检及仿真试验系统发出的 光纤陀螺带宽测试指令中光纤陀螺角速率信号幅值的95%，t₁为地检及仿真试 验系统发出光纤陀螺带宽测试指令的时刻。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）本发明充分利用了数字闭环光纤陀螺的“数字”优势，使用外加“数 字量”来模拟光纤陀螺的角速度信号，可以完成光纤陀螺光路、电路的全回路 功能自检。

（2）本发明通过数字通讯接口实现全回路检测和动力学仿真，方法简单便 于实现。

（3）本发明可以避免地检辅助电路自身能力的限制，完成更加复杂的物理 仿真试验。

（4）本发明通过通讯的方式对产品施加“数字激励”，实现了“在线式” 测量和模拟角速度。

（5）本发明所采用的“数字激励”的方法，避免了传统突停台和角振动台 等机械设备的自身限制，可以完成光纤陀螺频率特性的极限测试。

附图说明

图1数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统原理框图；

图2为全回路检测与仿真测试系统传递函数框图；

图3为数字闭环光纤陀螺阶梯波波形示意图；

图4为数字闭环光纤陀螺相位差波形示意图。

具体实施方式

在数字闭环光纤陀螺中，外界角速度作为输入信号，引起顺、逆两束光间 相位差。阶梯波作为反馈信号，加在相位调制器上，也引起两束光间的相位差， 相位差和阶梯波台阶高度成正比，由数字信号处理电路给出。用特定的阶梯波 （正弦、或阶跃）来模拟所需的外加角速度输入信号，可以方便的实现光纤陀 螺光路、电路的功能检测、动态特性的测试和动力学仿真功能的实现。

在数字闭环光纤陀螺中，反馈信号和输出信号都是由数字控制器计算得到 的数字阶梯波的台阶高度。数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统原理 框图如图1所示，包括光学系统模块100，前放模块200，数字处理模块300， 反馈模块400，通讯模块500和地检及仿真试验系统600；

地检及仿真试验系统600通过通讯模块500向数字处理模块300发出测试 指令。

数字处理模块300由FPGA芯片及其内部硬件算法组成，包括数据解调单 元、数字滤波单元、调制信号产生单元、信号叠加单元和指令解析单元；其中 指令解析单元接收地检及仿真试验系统600通过通讯模块500发送的测试指 令，并对该指令进行解析，得到该指令中的光纤陀螺角速率信号；然后指令解 析单元将该光纤陀螺角速率信号发送给信号叠加单元，信号叠加单元将接收到 的光纤陀螺角速率信号与数据解调单元输出的光纤陀螺角速率信号以及调制信 号产生单元产生的数字方波进行叠加形成包含光纤陀螺角速率信号的调制信 号，并将该调制信号输出给反馈模块400，其中调制信号产生单元产生的数字 方波由相位调制器的电气参数决定。

反馈模块400包括驱动电路和D/A转换器，D/A转换器接收数字处理模块 300通过信号叠加单元输出的调制信号，并将其转换为模拟信号后通过驱动电 路输出给光学系统模块100。

光学系统模块100包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环和光电转换器， 光源发出的光信号经耦合器传输到相位调制器，相位调制器将接收到的光信号 分为两束光，相位调制器根据反馈模块400发送过来的调制信号对这两束光进 行调制，调制后的这两束光进入光纤环并分别绕光纤环的顺时针、逆时针方向 传输，同时光纤环在光纤陀螺本体的输入角速率作用下旋转，从而将光纤陀螺 本体的输入角速率叠加到这两束光上，当这两束光从光纤环再传输到相位调制 器后，再次被相位调制器根据下一周期反馈模块400发送过来的调制信号调制， 经上述两次调制作用后，两束光在相位调制器分光/合光处产生干涉，该干涉后 的光信号通过耦合器输出给光电转换器，由光电转换器将该光信号转换为电信 号并输出给前放模块200，该电信号包含光纤陀螺角速率信号和调制信号，该 光纤陀螺角速率信号包含光纤陀螺本体的输入角速率信号和地检及仿真试验系 统600发出的测试指令中的光纤陀螺角速率信号。

前放模块200包括前置放大器和A/D转换器，前置放大器对光学系统模块 100输出的电信号进行放大后输出给A/D转换器，A/D转换器将放大后的电信 号转换为数字信号后输出给数字处理模块300的数据解调单元，数字处理模块 300的数据解调单元对接收到的数字信号进行解调，得到光纤陀螺角速率信号， 该光纤陀螺角速率信号一方面输出给数字处理模块300的信号叠加单元进行下 一轮闭环控制，另一方面输出给数字滤波单元进行滤波，滤波后得到的光纤陀 螺角速率信号通过通讯模块500发送给地检及仿真试验系统600，地检及仿真 试验系统600根据发出的测试指令和接收到的光纤陀螺角速率信号完成光纤陀 螺闭环回路检测、带宽测试以及光纤陀螺动力学仿真测试。

地检及仿真试验系统600由地检测控箱、计算机、仿真算法组成，实现光 纤陀螺闭环回路检测、带宽测试以及光纤陀螺动力学仿真测试的具体方式为： 当对光纤陀螺进行闭环回路检测时，地检及仿真试验系统600通过通讯模块 500向数字处理模块300发出的测试指令为光纤陀螺闭环回路检测指令，该指 令中含有模拟的光纤陀螺角速率信号，地检及仿真试验系统600计算接收到的 光纤陀螺角速率信号和光纤陀螺本体的输入角速率信号的差，并通过判断上述 两个角速率信号的差与光纤陀螺闭环回路检测指令中的光纤陀螺角速率信号的 一致性来完成光纤陀螺的闭环在线检测。

当对光纤陀螺进行带宽测试时，地检及仿真试验系统600通过通讯模块 500向数字处理模块300发出的测试指令为光纤陀螺带宽测试指令，该指令中 含有模拟的光纤陀螺角速率信号，同时地检及仿真试验系统600记录发出指令 的时刻（根据需要精确到秒级、毫秒级、甚至微秒级）和指令中光纤陀螺角速 率信号的幅值；地检及仿真试验系统600采集光纤陀螺输出的每一个角速率信 号，并记录地检及仿真试验系统600收到每一个角速率信号的时刻，通过公式 计算光纤陀螺的带宽。

计算光纤陀螺带宽的公式如下：

$l=\frac{0.75}{t_2-t_1}$

其中，l为光纤陀螺带宽，t₂为地检及仿真试验系统600接收到光纤陀螺输 出的角速率信号的时刻，且该时刻地检及仿真试验系统600接收到的光纤陀螺 角速率信号与光纤陀螺本体的输入角速率信号之差的幅值为地检及仿真试验系 统600发出的光纤陀螺带宽测试指令中光纤陀螺角速率信号幅值的95%，t₁为 地检及仿真试验系统600发出光纤陀螺带宽测试指令的时刻。

当对光纤陀螺进行动力学仿真时，地检及仿真试验系统600通过通讯模块 500向数字处理模块300发出的测试指令为光纤陀螺动力学仿真指令，该指令 中含有模拟的光纤陀螺角速率信号，要与卫星系统的执行机构所产生的角速率 一致；地检及仿真试验系统600根据整星控制周期对光纤陀螺输出的角速率信 号进行采集，并将该角速率信号引入动力学仿真系统的输入端，经过星上计算 机的计算完成一个周期的动力学仿真。

地检及仿真试验系统600通过通讯模块500发送给数字处理模块300的测 试指令由两个字节组成，第一个字节为指令信息，第二个字节为光纤陀螺角速 率信息。

数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统的实现原理如下：

数字处理模块300的数据解调单元输出的是光纤陀螺角速率的台阶量，在 对台阶高度累加得到数字阶梯波之前，另外加入一个外加信号P（即由地检及 仿真试验系统600通过通讯模块500向数字处理模块300发出的测试指令中的 光纤陀螺角速率信号），改变阶梯波的台阶高度，同时与调制信号产生单元产生 的数字方波进行叠加得到新的阶梯波。阶梯波引起的两束光间的相位差与台阶 高度成正比，阶梯波引起的相位差ΔΦ_JT=ΔΦ_R+ΔΦ_P，其中ΔΦ_R是反馈量引起的 相位差，ΔΦ_P是外加信号引起的相位差。假设输入角速度为零,即ΔΦ_S=0。初始 加入外加信号P时，解调后的误差信号不为零，数字控制器根据控制算法改变 反馈量的大小，动态跟踪外加信号，直到误差为零，即ΔΦ_R=-ΔΦ_P，反馈量可 以反映外加信号的大小。经过输出模块可以得到光纤陀螺的输出角速度，通过 对输出数据的分析可得到光纤陀螺的动态相应特性，光纤陀螺的输出可以作为 动力学仿真的输入信号。

在反馈量中加入外加信号后的陀螺系统的传递函数框图如图2所示，外加 信号用P(Z)表示。令输入角速度Ω(Z)=0，可以得出输出信号D_OUT(Z)相对与外 加信号P(Z)的传递函数为：

$\left(\begin{array}{c}{G}_P\left(Z\right)=\frac{D_{\mathrm{OUT}}\left(Z\right)}{P\left(Z\right)}=\frac{P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_C{K}_f{Z}^{-3}D\left(Z\right)}{1+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_C{K}_f{Z}^{-3}D\left(Z\right)}\\ =\frac{P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_C{K}_{f}D\left(Z\right)}{Z^3+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_C{K}_{f}D\left(Z\right)}\end{array}\right)---\left(1\right)$

令外加信号P(Z)=0，可以得出输出信号D_OUT(Z)相对与输入角速度Ω(Z)的 传递函数为：

$\left(\begin{array}{c}G\left(Z\right)=\frac{D_{\mathrm{OUT}}\left(Z\right)}{\Omega \left(Z\right)}=K_0{Z}^{-1}\frac{P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{Z}^{-1}D\left(Z\right)}{1+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_C{K}_f{Z}^{-3}D\left(Z\right)}\\ =\frac{P_0{K}_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4\mathrm{ZD}\left(Z\right)}{Z^3+P_0{K}_1{K}_2{K}_3{K}_4{K}_C{K}_{f}D\left(Z\right)}\end{array}\right)---\left(2\right)$

对比式（1）和式（2）可以看出，两式的分母完全相同，分子仅相差说明外加信号引起的输出和输入角速度引起的输出，形状完全相同，只是幅度 上相差一个比例系数（即陀螺的标度因数），时间上有一个周期的滞后， 这种滞后可以在后续数据处理中加以补偿。可见通过在相位调制器的反馈信号 上叠加模拟的角速度的信号，能完全等效角速度输入，实现光纤陀螺全回路检 测，动态特性的测试以及动力学仿真功能的实现。

以阶跃响应为例说明模拟光纤陀螺输入角速度的原理，测试闭环光纤陀螺 的带宽时，为得到阶跃响应曲线，外加信号应为固定大小的数字量，它与前向 通道形成的反馈量相迭加，经积分后最终形成的模拟阶梯波V_JT(t)波形如图3 所示，其中实线为V_JT(t)，虚线为V_JT(t-τ)。图4为阶梯波引起的正反两束光间 的相位差ΔΦ_JT，ΔΦ_R是反馈量引起的相位差，ΔΦ_P是外加信号引起的相位差。

如希望外加信号引起的输出和输入角速度引起的输出数值相同，则二者之 间相差一个比例系数即在本项目中对于阶跃响应测试，并 不需要知道此比例系数的具体数值，因为按照自动控制理论和光纤陀螺闭环原 理，只要外加信号的幅值不超过光纤陀螺的最大角加速度，任何外加信号所得 到的响应时间应该是一致的。

数字闭环光纤陀螺全回路检测与仿真测试系统，能够实现光纤陀螺全回路 检测功能，可以在不借助转台的情况下，对光纤陀螺的工作状态进行功能性检 测；可以避开传统机械设备自身的条件限制，完成光纤陀螺带宽的极限测试， 简化单机带宽测试流程；可以实现的地检功能，可以在不增加任何地检辅助电 路的情况下实现分系统的动力学仿真功能，避免辅助电路的参数限制，完成复 杂的动力学仿真；从而降低了产品的功耗、重量，降低了成本，实现了产品的 小型化、低成本设计。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，简单的 推演或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。