導引用光纖陀螺帶寬的仿真與實驗對比

虞翔

摘要??? 本文根據光纖陀螺閉環原理，陀螺行業內提出了軟件模擬的方式進行帶寬檢測方法，本文通過實驗，通過兩種方法的數據比對關系，得出結論。

【關鍵詞】光纖陀螺 帶寬實驗 仿真

1 概述

光纖陀螺作為新型全固態的陀螺，具有體積小、重量輕、壽命長、抗沖擊能力強等優點，已經成為中、低精度捷聯慣性導航、制導系統中的理想的慣性器件。光纖陀螺的帶寬，是導引用光纖陀螺的必需的測試參數。但是，由于帶寬測試尤其是相頻測試同步難度高，對機械設備的要求高，因此，成為該參數測試的主要障礙，本研究課題就是計劃以對比的方式，驗證光纖陀螺帶寬測試中基于軟件模擬的方式和實測結果的差異，從而驗證軟件模擬的可行性。

2 理論基礎

通過在陀螺反饋階梯波上疊加信號產生的陀螺輸出與通過外部輸入信號經過陀螺后產生的輸出經過一定系數的轉換后是等效的。數字閉環光纖陀螺簡化模型如圖1。其中，K1為光纖陀螺的Sagnac標度因數;K2為光電轉換器、前置放大電路、A/D轉換器和數字解調環節的比例增益;?? 公式?? 為陀螺積分環節;K3為D/A轉換器、階梯波驅動、相位調制器環節的比例增益;X（z）

為陀螺外部輸入;Y（z）為陀螺輸出;P（z）為階梯波上添加的等效輸入。

系統閉環傳遞函數可表示為：

公式

等效輸入環路的閉環傳遞函數可表示為：

公式

通過比較公式1、2可知，等效輸入與外部輸入引起的傳遞函數僅相差一個比例系數?? 公式?? ，其余形式完全相同，因此在反饋階梯波上疊加的信號與外部輸入信號是等價的，可以通過在反饋階梯波上添加信號來等價外部輸入信號。

在陀螺帶寬測試時，根據等效輸入原理，在陀螺反饋階梯波上添加正弦波信號來模擬外部輸入信號，在陀螺內部對輸出解調信號進行判斷處理可得到頻帶寬度，由于陀螺閉環的因素，陀螺的輸出響應與輸入響應大小相等，符號相反，只需要數據處理時進行相位提前一定的角度即可，在輸入激勵信號頻率較低時，可以認為光纖陀螺應能跟上速率輸入，陀螺輸出與輸入激勵信號大小相等方向相反，因而可將陀螺輸出信號提前180°進行歸一化處理。

3 實驗和實施

3.1 實驗手段和對比方法

如圖2所示，在同一個待測產品條件下，將輸出帶寬提高為1000Hz，依據采樣定理，對本次200Hz內的評測驗證范圍不構成影響。

借助于輸出濾波器，可以調整陀螺的響應帶寬，因此在本次實驗中，選擇8階深度和16階深度的一般滑動均值濾波器，完成實驗內容。

3.2 角振動實測

由于需要實時匹配，帶寬試驗中，幅頻特性可以通過信號的直接輸出來獲得。相頻特性則需要一個頻率響應基準，作為輸入比對參考。

因而在進行實測實驗時，選擇某型號MEMS傳感器，作為相頻特性的等效基準。實施狀態和試驗安裝圖如圖3a、圖3b、圖3c所示。

3.3 數據比對

根據以上的仿真試驗方法和實測手段，疊加不同濾波器后詳細試驗結果如表1所示。

4 結論

本次實驗證明，仿真模型應用于光纖陀螺響應帶寬的方法基本可行，但僅限于模擬預估，在幅頻特性響應中，符合度較高，在相頻特性響應中，受限于被測件及響應參考基準的穩定性，存在一定的差異，但不排除是由于被測件算法存在缺陷導致的。

參考文獻

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