导引用光纤陀螺带宽的仿真与实验对比

虞翔

摘要    本文根据光纤陀螺闭环原理，陀螺行业内提出了软件模拟的方式进行带宽检测方法，本文通过实验，通过两种方法的数据比对关系，得出结论。

【关键词】光纤陀螺 带宽实验 仿真

1 概述

光纤陀螺作为新型全固态的陀螺，具有体积小、重量轻、寿命长、抗冲击能力强等优点，已经成为中、低精度捷联惯性导航、制导系统中的理想的惯性器件。光纤陀螺的带宽，是导引用光纤陀螺的必需的测试参数。但是，由于带宽测试尤其是相频测试同步难度高，对机械设备的要求高，因此，成为该参数测试的主要障碍，本研究课题就是计划以对比的方式，验证光纤陀螺带宽测试中基于软件模拟的方式和实测结果的差异，从而验证软件模拟的可行性。

2 理论基础

通过在陀螺反馈阶梯波上叠加信号产生的陀螺输出与通过外部输入信号经过陀螺后产生的输出经过一定系数的转换后是等效的。数字闭环光纤陀螺简化模型如图1。其中，K1为光纤陀螺的Sagnac标度因数;K2为光电转换器、前置放大电路、A/D转换器和数字解调环节的比例增益;   公式   为陀螺积分环节;K3为D/A转换器、阶梯波驱动、相位调制器环节的比例增益;X（z）

为陀螺外部输入;Y（z）为陀螺输出;P（z）为阶梯波上添加的等效输入。

系统闭环传递函数可表示为：

公式

等效输入环路的闭环传递函数可表示为：

公式

通过比较公式1、2可知，等效输入与外部输入引起的传递函数仅相差一个比例系数   公式   ，其余形式完全相同，因此在反馈阶梯波上叠加的信号与外部输入信号是等价的，可以通过在反馈阶梯波上添加信号来等价外部输入信号。

在陀螺带宽测试时，根据等效输入原理，在陀螺反馈阶梯波上添加正弦波信号来模拟外部输入信号，在陀螺内部对输出解调信号进行判断处理可得到频带宽度，由于陀螺闭环的因素，陀螺的输出响应与输入响应大小相等，符号相反，只需要数据处理时进行相位提前一定的角度即可，在输入激励信号频率较低时，可以认为光纤陀螺应能跟上速率输入，陀螺输出与输入激励信号大小相等方向相反，因而可将陀螺输出信号提前180°进行归一化处理。

3 实验和实施

3.1 实验手段和对比方法

如图2所示，在同一个待测产品条件下，将输出带宽提高为1000Hz，依据采样定理，对本次200Hz内的评测验证范围不构成影响。

借助于输出滤波器，可以调整陀螺的响应带宽，因此在本次实验中，选择8阶深度和16阶深度的一般滑动均值滤波器，完成实验内容。

3.2 角振动实测

由于需要实时匹配，带宽试验中，幅频特性可以通过信号的直接输出来获得。相頻特性则需要一个频率响应基准，作为输入比对参考。

因而在进行实测实验时，选择某型号MEMS传感器，作为相频特性的等效基准。实施状态和试验安装图如图3a、图3b、图3c所示。

3.3 数据比对

根据以上的仿真试验方法和实测手段，叠加不同滤波器后详细试验结果如表1所示。

4 结论

本次实验证明，仿真模型应用于光纤陀螺响应带宽的方法基本可行，但仅限于模拟预估，在幅频特性响应中，符合度较高，在相频特性响应中，受限于被测件及响应参考基准的稳定性，存在一定的差异，但不排除是由于被测件算法存在缺陷导致的。

参考文献

[1]张桂才，王巍，译.LefèvreHC.光纤陀螺仪[M].北京：国防工业出版社，2002，106.

[2]吴衍记等.数字闭环光纤陀螺频率特性分析与测试[J].中国惯性技术学报，2008，12（06）：733-734.

[3]宋凝芳，李洪全，李敏等.基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法[J].中国惯性技术学报，2010，18（01）：102-103.