光纖陀螺尖峰脈沖研究

洪 偉，潘子軍，王夢麒，魏志武，吉世濤

(中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第十六研究所，西安710100)

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光纖陀螺尖峰脈沖研究

洪 偉，潘子軍，王夢麒，魏志武，吉世濤

(中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第十六研究所，西安710100)

對光纖陀螺尖峰脈沖進(jìn)行了深入研究，建立了光纖陀螺前放電路的噪聲模型，分析了兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)帶寬和放大倍數(shù)對陀螺噪聲和信噪比的影響，仿真結(jié)果指出降低前放帶寬、提高放大倍數(shù)可以大幅度提高陀螺的信噪比，由于光纖陀螺信號特性的限制，這些改變必須在切除尖峰脈沖后才可以實(shí)現(xiàn)。對比分析了常見的幾種光纖陀螺尖峰脈沖抑制方案，選擇了模擬開關(guān)切除尖峰脈沖方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，尖峰脈沖抑制方案對光纖陀螺的輸出數(shù)據(jù)噪聲性能提升效果顯著，改進(jìn)后的陀螺噪聲降低了13%。

光纖陀螺；前放電路；帶寬；尖峰脈沖；模擬開關(guān)

0 引言

光纖陀螺以其成本低、體積小、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在國防工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，中低精度光纖陀螺已基本成熟，高精度光纖陀螺及其環(huán)境適應(yīng)性為國內(nèi)的研究重點(diǎn)。

尖峰脈沖是數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺所固有的一種輸出信號模式，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了大量研究。本文分析了光纖陀螺中尖峰脈沖的產(chǎn)生機(jī)理及其影響，對常見解決方案進(jìn)行了分析，針對現(xiàn)有的數(shù)字解調(diào)電路，提出了尖峰脈沖切除和前放電路改進(jìn)方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 尖峰脈沖的產(chǎn)生機(jī)理

圖1為光纖陀螺的方波調(diào)制及輸出信號示意圖[1]，由于方波上下沿持續(xù)時(shí)間的存在、方波占空比不是嚴(yán)格的50%、調(diào)制頻率與本征頻率的不對準(zhǔn)等原因，陀螺輸出波形中含有2倍于本征頻率的尖峰脈沖誤差信號。在尖峰的有限持續(xù)時(shí)間內(nèi)，沒有有用的旋轉(zhuǎn)速率信息可以提取。但是，作為調(diào)制信號在干涉曲線上的映射結(jié)果，方波調(diào)制干涉式光纖陀螺輸出中這種固有的光強(qiáng)尖峰現(xiàn)象導(dǎo)致了許多問題。

圖1 光纖陀螺的方波調(diào)制及輸出信號示意圖Fig.1 Square wave modulationand output signal of FOG

2 尖峰脈沖對前向放大器噪聲的影響

在數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)中，干涉信號的前置放大部分是無法數(shù)字化的，而且由于信號幅值較小，信噪比要求較高，是最容易受到電路噪聲影響的部分，為了提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，需要對光電轉(zhuǎn)換器組件PINFET的輸出信號進(jìn)行放大，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而且尖峰脈沖很窄，含有多種高次諧波信號，這給干涉信號的放大和濾波帶來了困難，因?yàn)槿舨捎脤拵Х糯笃鳎m然可以保持信號的原貌，但會(huì)將信號中的噪聲放大，同時(shí)在信號放大過程中，還容易引入其他的電路噪聲，使信號的信噪比下降，一般對微弱信號的放大應(yīng)采用窄帶放大器，對信號既起到放大作用，又起到濾波作用，但由于尖峰脈沖的存在，將導(dǎo)致放大后的信號雖然噪聲減小了，但卻產(chǎn)生了畸變，使光纖陀螺的輸出產(chǎn)生一個(gè)較大的零偏，且該零偏容易受到放大器溫漂的影響。通過上述分析可知，尖峰脈沖的存在需要較高的前放帶寬，而較高的前放帶寬會(huì)導(dǎo)致較大的電路噪聲；另外，尖峰脈沖的存在限制了前放的放大倍數(shù)，由于尖峰脈沖的幅值為伏量級，而轉(zhuǎn)速所導(dǎo)致的相位波動(dòng)僅為毫伏量級，因此過大的放大倍數(shù)將導(dǎo)致運(yùn)放電路飽和。下面將帶寬和放大倍數(shù)對前放噪聲的影響進(jìn)行理論分析。

運(yùn)算放大器是前放濾波電路的核心器件，運(yùn)算放大器電路常見的噪聲源包括電壓噪聲、電流噪聲和電阻噪聲。三者疊加可得運(yùn)算放大器電路的等效輸入噪聲[4-5]：

(1)

其中，en_in為等效輸入噪聲，en_v、en_i、en_r分別為電壓噪聲、電流噪聲和電阻噪聲。

現(xiàn)參考某光纖陀螺型號進(jìn)行分析。PINFET輸出后連接一階低通濾波電路，如圖2所示。

圖2 一階低通濾波電路Fig.2 First order low pass filter circuit

下面按照圖2所示電路分別對三種噪聲進(jìn)行計(jì)算，三種噪聲通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為等效輸入電壓噪聲，隨后根據(jù)噪聲增益就可以得到電路的輸出電壓噪聲。首先，確定電路的噪聲增益與噪聲帶寬。

電路的噪聲增益

(2)

電路的閉環(huán)帶寬

(3)

其中，GB為增益帶寬。

1)運(yùn)算放大器本身的輸入電壓噪聲

噪聲等效帶寬

(4)

其中，Kn為放大器截止頻率系數(shù)，一般取Kn=1.57。

寬帶電壓噪聲

(5)

目前運(yùn)放的1/f噪聲在總電壓噪聲中所占比重較小，為簡化計(jì)算過程，忽略1/f噪聲。

2)電流噪聲轉(zhuǎn)換為等效輸入電壓噪聲

寬帶電流噪聲為

(6)

等效電阻為

(7)

等效輸入電壓噪聲可以表示為

(8)

3)電阻噪聲轉(zhuǎn)換為等效輸入電壓噪聲可以寫作

(9)

4)綜上可得總輸入電壓噪聲

(10)

輸出噪聲可以表示為

en_out=en_inNG

(11)

圖3 放大倍數(shù)變化的情況下，噪聲與帶寬的關(guān)系Fig.3 The relationship between noise and bandwidth in the case of magnification change

3 試驗(yàn)方案

針對尖峰脈沖對光纖陀螺的影響，常見解決方案主要有以下幾種：

1)增加電路帶寬，減小尖峰脈沖；

2)采用特殊的四態(tài)調(diào)制。

據(jù)了解上述解決方案僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，并未見相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用報(bào)道。采用大帶寬電路會(huì)增加陀螺電路噪聲，實(shí)際應(yīng)用中并不可行；四態(tài)方波調(diào)制增加了光纖陀螺調(diào)制信號的復(fù)雜程度，降低了可靠性，而且其需要的采樣點(diǎn)較多，對光纖環(huán)長度的要求較高，并不適合中低精度光纖陀螺。

本文在對模擬開關(guān)進(jìn)行了大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了采用模擬開關(guān)對光纖陀螺尖峰脈沖進(jìn)行抑制的改進(jìn)方案，其中模擬切換開關(guān)采用2選1開關(guān)，并將其中的一個(gè)輸入端接PINFET輸出的干涉信號，另一輸入端接地，為了保證切換開關(guān)準(zhǔn)確地切掉尖峰脈沖，不影響所要檢測的信號部分，模擬切換開關(guān)的控制脈沖由時(shí)序控制器統(tǒng)一提供，然后將切換后的信號送入放大器。

采用電開關(guān)方案對尖峰脈沖進(jìn)行抑制，改進(jìn)后的解調(diào)電路加入了隔直電路和尖峰脈沖切除電路，新增電路如圖4所示。

圖4 隔直電路和尖峰脈沖切除電路Fig.4 Blocking circuit and peak pulse excision circuit

圖4中，C141為隔直電容，與R318形成高通濾波器。光電聯(lián)調(diào)后PINFET輸出波形和模擬開關(guān)CLK信號如圖5所示，圖6為切除尖峰脈沖后的陀螺信號。

圖5 PINFET輸出波形和模擬開關(guān)CLK信號Fig.5 Output signal of PINFET andCLK of analog switch

圖6 切除尖峰脈沖后的陀螺信號Fig.6 FOG signal afterpeak pulse excision circuit

另外，重新對運(yùn)放進(jìn)行了選擇，由于采用了尖峰脈沖切除電路，尖峰脈沖切除后的信號帶寬大大降低，因此運(yùn)放增益帶寬由改進(jìn)前的110MHz降低到8MHz，同時(shí)放大倍數(shù)由改進(jìn)前的3倍提高到了10倍。

對改進(jìn)前后的陀螺進(jìn)行對比測試，改進(jìn)前陀螺數(shù)據(jù)見圖7，0.1s零偏穩(wěn)定性為0.95(°)/h，改進(jìn)后陀螺數(shù)據(jù)如圖8所示，0.1s零偏穩(wěn)定性為0.83(°)/h，零偏穩(wěn)定性提高了13%。

圖7 改進(jìn)前陀螺0.1s零偏穩(wěn)定性(橫坐標(biāo)單位為0.1s，縱坐標(biāo)單位為(°)/h)Fig.7 Bias stability of FOG before improvement in 0.1s unit (X-coordinate unit is 0.1s,Y-coordinate unit is(°)/h)

圖8 改進(jìn)后陀螺0.1s零偏穩(wěn)定性(橫坐標(biāo)單位為0.1s，縱坐標(biāo)單位為(°)/h)Fig.8 Bias stability of FOG after improvement in 0.1s unit(X-coordinate unit is 0.1s,Y-coordinate unit is(°)/h)

4 結(jié)論

本文對光纖陀螺尖峰脈沖的產(chǎn)生原因及其對陀螺的影響進(jìn)行了研究。研究表明尖峰脈沖的存在使光纖陀螺前放電路的帶寬增大，且限制了電路的放大倍數(shù)，導(dǎo)致陀螺信噪比降低。在對現(xiàn)有方案進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)方案并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，新型解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)了隔直和尖峰脈沖切除功能，尖峰脈沖切除電路對抑制光纖陀螺的信號噪聲、提高陀螺的性能有較好的作用。

[1] 張桂才,王巍，譯.光纖陀螺儀[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

[2] 張桂才.光纖陀螺原理與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3] 盛鐘延,季杭峰,周柯江.光纖陀螺的最新進(jìn)展[J].紅外與激光工程，1995,28(3):59-63.

[4] 賽爾吉?dú)W·佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[5] 王夢麒,吉世濤,洪偉,徐瑞峰.光纖陀螺前置放大濾波電路的噪聲分析[J].導(dǎo)航與控制,2013,12(4):42-46.

Research on Peak Pulse of Fiber Optic Gyros

HONG Wei，PAN Zi-jun，WANG Meng-qi，WEI Zhi-wu，JI Shi-tao

(No.16 Institute,The 9th Academy，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi’an 710100，China)

The peak pulse of fiber optic gyroscopes(FOG)is deeply researched，noise model of preamplifier circuit is established，then the influence of two key parameters bandwidth and magnification times to the FOG noise and SNR is analyzed.Simulation results show that the reducing of bandwidth and increasing of magnification could significantly improve the SNR of FOG.Due to the limitations of FOG signal characteristics，these changes must be implemented after the removal of the peak pulses.Analog switch scheme is selected after comparison of several common methods.Experimental results show that this scheme could significantly improve the FOG noise performance，the noise is reduced by 13%.

FOG；Preamplifier circuit；Bandwidth；Peak pulse；Analog switch

2015 - 06 - 10;

2015 - 07 - 14。

洪偉(1987 - )，男，博士，工程師，主要從事高精度光纖陀螺的研究。

TP391.9

A

2095-8110(2015)06-0059-04