阅读说明：本技术 一种激光陀螺抖动噪声的注入方法及电路 (Injection method and circuit of laser gyroscope jitter noise ) 是由 王亮 谢劲励 赵永力 杨彩云 钟智颖 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光陀螺抖动噪声的注入方法及电路,涉及激光陀螺控制技术领域。所述注入方法及电路,先根据与抖轮反馈频率同步的方波信号生成伪随机噪声、机械抖动控制信号,再根据不同陀螺对噪声比例的不同需求设置不同的噪声比例系数,伪随机噪声乘以该噪声比例系数得到陀螺所需噪声比例,与机械抖动控制信号叠加得到机械抖动驱动控制信号,再结合机械抖动反馈信号与机械抖动驱动控制信号得到实际的机械抖动驱动值,以控制激光陀螺抖轮的抖动强度；该注入方法能够实现对激光陀螺抖轮抖动的同步控制,且同频同相注入伪随机噪声,提高了伪随机噪声的注入效率,降低了动态闭锁误差,提高了陀螺的稳定性和精确度。(The invention discloses a method and a circuit for injecting jitter noise of a laser gyroscope, and relates to the technical field of laser gyroscope control. The injection method and the injection circuit generate pseudo-random noise and mechanical jitter control signals according to square wave signals synchronous with the feedback frequency of the jitter wheel, set different noise proportion coefficients according to different requirements of different gyros on noise proportions, multiply the pseudo-random noise by the noise proportion coefficients to obtain the noise proportions required by the gyros, superpose the noise proportions with the mechanical jitter control signals to obtain mechanical jitter driving control signals, and then combine the mechanical jitter feedback signals and the mechanical jitter driving control signals to obtain actual mechanical jitter driving values so as to control the jitter intensity of the jitter wheel of the laser gyroscope; the injection method can realize synchronous control on the dithering of the dithering wheel of the laser gyroscope, and the pseudo-random noise is injected in the same frequency and phase, so that the injection efficiency of the pseudo-random noise is improved, the dynamic locking error is reduced, and the stability and the accuracy of the gyroscope are improved.)

一种激光陀螺抖动噪声的注入方法及电路

技术领域

本发明属于激光陀螺控制技术领域，尤其涉及一种激光陀螺抖动噪声的注入方法及电路。

背景技术

激光陀螺作为惯组产品的核心组成部分，以其高精度、高稳定性、高可靠性等特点发挥着重要作用。随着经济社会的发展、军事斗争水平的提升，对惯组产品的可靠性、高精度、长期稳定性等性能指标提出了更高要求，为此，演化发展出了高精度、高可靠性激光捷联惯组系统。

武器系统的发展，对惯组产品的各项指标要求越来越高，从而对惯组产品中各个单板的指标要求越来越严，特别是在“三自”惯组的产生与推广后，对陀螺控制精度要求越来越高。

激光陀螺因其工作原理会产生的闭锁效应，为了尽量减小闭锁区对精度的影响，激光陀螺采取了机械抖动（即机抖）偏频技术。单纯的抖动偏频会使陀螺频繁进出闭锁区，每次都会产生一个较小的误差，该误差虽小，但随时间增长而被积累，最终表现为较大的误差，称为动态闭锁误差。为了进一步降低动态闭锁误差，需要在交变抖动中注入一个随机噪声，对抖动的幅度进行调制，使抖动幅度发生随机变化，从而将进出闭锁区所带来的误差随机化，在多个抖动周期内误差的平均值趋于零，从而可以有效减少机抖激光陀螺动态闭锁误差，提高控制精度。

现有的激光陀螺抖动噪声注入方式一般采用窄脉冲方波电路或者加法器电路注入，抖动噪声的有效值和抖动的驱动分开控制，难以做到噪声有效值按驱动所需比例注入来控制陀螺机械抖动，降低了陀螺的稳定性和精确度。

发明内容

针对现有技术中，抖动噪声的有效值难以按照不同陀螺所需比例注入来控制陀螺机械抖动的问题，本发明提供一种激光陀螺抖动噪声的注入方法及电路，将抖动噪声有效值按所需比例注入至抖动驱动控制信号中，以提高抖动噪声有效值的可调可控性，提高抖动噪声对激光陀螺的适应性。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种激光陀螺抖动噪声的注入方法，包括以下步骤：

步骤1：采集机械抖动的反馈信号、以及该反馈信号有效值；

步骤2：根据机械抖动的反馈信号生成与机械抖动频率同步的方波信号；

步骤3：由步骤1中机械抖动噪声反馈信号有效值与抖动强度目标值通过PI控制生成机械抖动控制信号；

步骤4：根据步骤2中的方波信号产生一与方波信号同频率的伪随机噪声，根据不同陀螺对噪声比例的不同需求设置不同噪声比例系数，由该伪随机噪声和噪声比例系数得到机械抖动噪声瞬时值；

步骤5：将步骤4中机械抖动噪声瞬时值与步骤3中机械抖动控制信号叠加得到机械抖动驱动控制信号；

步骤6：根据步骤1中机械抖动的反馈信号与步骤5中机械抖动驱动控制信号得到实际的机械抖动驱动正弦信号，通过控制机械抖动驱动正弦信号的幅值来控制激光陀螺抖轮的抖动强度，以降低动态闭锁误差。

本发明激光陀螺机械抖动噪声的注入方法，机械抖动控制信号的生成、伪随机噪声的生成均与机械抖动频率同步，能够实现对激光陀螺抖轮抖动的同步控制，并同步注入伪随机噪声，提高了伪随机噪声的注入效率，降低了动态闭锁误差；该注入方法中，机械抖动驱动控制信号是由机械抖动噪声瞬时值和机械抖动控制信号共同组成的，且机械抖动噪声瞬时值是由伪随机噪声乘以噪声比例系数而得到，通过不同陀螺对噪声比例的不同需求调节噪声比例系数，即可实现注入伪随机噪声的调节，提高了机械抖动对不同陀螺的适应性，同时对伪随机噪声的调节是根据机械抖动频率来进行的，实现了对伪随机噪声调节的同步控制；因此，该注入方法通过对伪随机噪声的注入比例进行调节，使注入的机械抖动噪声更加平滑，根据不同陀螺对噪声比例的不同需求，可以注入任意比例的机械抖动噪声，提高了陀螺的稳定性和精确度，提高了对不同陀螺的适应性。

进一步地，所述步骤1中，机械抖动的反馈信号经反馈信号调理电路转换成正弦电压信号，正弦电压信号的幅值为0～2.5伏，将反馈信号调整到一个合适的范围以适应后续电路处理。

进一步地，所述反馈信号调理电路是由F620型高精密仪表放大器构成的信号调理电路，通过一个外部电阻器即可将增益精确设置到1～10000，最大误差在±0.3%之间。

进一步地，所述正弦电压信号经有效值转换电路转换成直流电压值，该直流电压值即为步骤1中采集的机械抖动反馈信号有效值，以适应控制器（如单片机）的采样处理。

进一步地，所述有效值转换电路是由RMS-DC转换器构成的转换电路，可以检测正弦电压信号的有效值，并将其转换成直流电压值，以便后续控制器能够采集并处理。

进一步地，所述步骤6中，反馈信号与机械抖动驱动控制信号经模拟乘法器电路处理后得到实际的机械抖动驱动正弦信号，通过模拟乘法器电路得到实际的机械抖动驱动正弦信号，降低了电路和控制程序的复杂度，使电路更简单、稳定和可靠。

进一步地，所述模拟乘法器电路的主芯片型号为AD835，该AD835噪声低至50nV/vHz，***电路器件少，降低了设计难度。

相应的，一种激光陀螺抖动噪声的注入电路，包括：

反馈信号采集电路，用于采集机械抖动的反馈信号；

反馈信号调理电路，用于将所述反馈信号转换成正弦电压信号；

有效值转换电路，用于将所述正弦电压信号转换成直流电压值；

有效值采集电路，用于采集所述直流电压值，该直流电压值即为机械抖动反馈信号有效值；

周期检测电路，用于将所述正弦电压信号转换成与机械抖动频率同步的方波信号；

沿检测电路，用于检测所述方波信号的上升沿；

伪随机噪声发生器，用于在所述方波信号的上升沿时产生一与方波信号同频率的伪随机噪声；

控制器电路，用于在所述方波信号上升沿时，将直流电压值与抖动强度目标值经PI调整后得到机械抖动控制信号，并将所述伪随机噪声乘以噪声比例系数后与所述机械抖动控制信号叠加，得到机械抖动驱动控制信号；

模拟乘法器电路，用于将机械抖动驱动控制信号与所述反馈信号相乘后得到实际的机械抖动驱动正弦信号；

放大器电路，用于将实际的机械抖动驱动正弦信号进行放大后输入至激光陀螺的抖轮，以实现对激光陀螺抖轮的抖动强度控制。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种激光陀螺抖动噪声的注入方法及电路，先根据与抖轮频率同步的方波信号生成伪随机噪声、机械抖动控制信号，再根据不同陀螺对噪声比例的不同需求设置噪声比例系数，伪随机噪声乘以该噪声比例系数后，与机械抖动控制信号叠加而得到机械抖动驱动控制信号，最后通过机械抖动的反馈信号与机械抖动驱动控制信号得到实际的机械抖动驱动正弦信号，以控制激光陀螺抖轮的抖动强度；该注入方法能够实现对激光陀螺抖轮抖动的同步控制，且同步注入伪随机噪声，提高了伪随机噪声的注入效率，降低了动态闭锁误差；同时通过调节噪声比例系数，实现对注入伪随机噪声的调节，以及对伪随机噪声调节的同步控制，提高了陀螺的稳定性和精确度，提高了对不同陀螺的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中激光陀螺抖动噪声的注入方法的流程图；

图2是本发明实施例中反馈信号调理电路的原理图；

图3是本发明实施例中周期检测电路的原理图；

图4是本发明实施例中有效值转换电路的原理图；

图5是本发明实施例中乘法器电路的原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的一种激光陀螺抖动噪声的注入方法，包括以下步骤：

1、采集机械抖动的反馈信号

激光陀螺的抖轮由静止状态在其固有频率附近启动并产生抖动，当抖动达到一定的幅值且幅值稳定（稳幅状态）时，关闭启抖信号，机械抖动运动产生反馈信号，本实施例中，反馈信号为磁捡抖反馈，具体为抖轮抖动带动陀螺本体上磁珠运动，使固定与陀螺腔体上的铜线圈切割磁感应线圈产生微弱信号，即为所需的反馈信号。

2、将反馈信号转换成正弦电压信号

由于反馈信号微弱，为了适应后续电路的处理，将机械抖动的反馈信号经反馈信号调理电路转换成正弦电压信号。如图2所示，反馈信号调理电路是由F620型高精密仪表放大器构成的信号调理电路，通过一个外部电阻器即可将增益精确设置到1～10000，最大误差在±0.3%之间，经反馈信号调理电路调理后的正弦电压信号的幅值为0～2.5伏，即F620的引脚6输出0～2.5V的正弦电压信号，该幅值范围是根据后续电路的输入电压和AD转换器的采样值来确定的。

3、生成方波信号

正弦电压信号经周期检测电路转换成与机械抖动频率同步的方波信号，如图3所示，周期检测电路采用迟滞比较器电路，生成的方波信号作为后续产生机械抖动控制信号、伪随机噪声的时间基准，以实现伪随机噪声的有效注入，并同步控制激光陀螺抖轮的抖动。

4、采集机械抖动反馈信号有效值

正弦电压信号经有效值转换电路转换成直流电压值，该直流电压值即为机械抖动反馈信号有效值，转换成直流电压值便于后续控制器，例如单片机的采集和处理。如图4所示，有效值转换电路是由RMS-DC转换器构成的转换电路，可以检测正弦电压信号的有效值，并将其转换成直流电压值，该直流电压值为抖动强度的实际值，用来进行抖动强度控制。

5、生成机械抖动控制信号

控制器（例如单片机）获取直流电压值，该直流电压值经过AD转换后，与抖动强度目标值进行比较，且在方波信号上升沿时经PI调整得到机械抖动控制信号。

6、产生伪随机噪声

在方波信号上升沿时产生一与方波信号同频率的伪随机噪声，根据陀螺所需的噪声比例设置噪声比例系数，该噪声比例系数乘以伪随机噪声得到机械抖动噪声瞬时值。噪声比例系数可以采用试错法来设置，具体操作为：先设置一个初值（本实施例中，噪声比例系数的初值为0.5），然后测试陀螺的精度，再调整噪声比例系数，直到陀螺的精度达到所需精度要求。本实施例中，伪随机噪声为控制电路伪随机函数产生，每个周期产生一次，通过噪声比例系数与伪随机噪声的运算得到实际噪声瞬时值。本发明中，伪随机噪声的产生不需要外加移位寄存器等硬件电路，降低了电路设计成本和复杂度，且噪声量级可以适应不同陀螺需要而改变。

7、生成机械抖动驱动控制信号

将机械抖动噪声瞬时值与机械抖动控制信号叠加得到机械抖动驱动控制信号，该机械抖动驱动控制信号采用机械抖动反馈信号作为控制指令，减少了对陀螺输出AB相信号的解调，简化了控制电路。

8、得到实际的机械抖动驱动正弦信号

将机械抖动的反馈信号、机械抖动驱动控制信号经模拟乘法器电路处理后得到实际的机械抖动驱动正弦信号，通过控制实际的机械抖动驱动正弦信号来控制激光陀螺抖轮的抖动强度，进而实现对动态闭锁误差的控制。如图5所示，模拟乘法器电路的主芯片型号为AD835，该AD835芯片噪声低至50nV/vHz，***电路器件少，降低了电路的设计难度和控制复杂度，提高了电路的稳定性和可靠性。机械抖动驱动控制信号通过电阻R9和R10分压后输入至AD835的引脚8，机械抖动噪声的反馈信号通过电阻R11和R12分压后输入至AD835的引脚1，经过乘法器AD835处理后在其引脚5输出实际的机械抖动驱动值。

本发明中，实际的机械抖动驱动正弦信号与机械抖动的反馈信号为同频同相的正弦信号，相对于方波驱动信号，正弦信号作为驱动信号具有更好的驱动效率，且给激光陀螺带来了更小更柔和的噪声，减小了对激光陀螺的冲击；在机械抖动反馈信号每次过零点时加入伪随机噪声，使噪声注入控制更为简单，噪声加入效率更高。该注入方法对应的注入电路仅需一个迟滞比较器电路、一个模拟乘法器、一个RMS-DC转换器、两个运放电路以及一个单片机即可，在大大降低电路设计成本的同时也大大提高了电路的可靠性。

相应的，一种激光陀螺抖动噪声的注入电路，包括：

反馈信号采集电路，用于采集机械抖动的反馈信号；

反馈信号调理电路，用于将所述反馈信号转换成正弦电压信号；

有效值转换电路，用于将所述正弦电压信号转换成直流电压值；

有效值采集电路，用于采集所述直流电压值，该直流电压值即为机械抖动反馈信号有效值；

周期检测电路，用于将所述正弦电压信号转换成与机械抖动频率同步的方波信号；

沿检测电路，用于检测所述方波信号的上升沿；

伪随机噪声发生器，用于在所述方波信号的上升沿时产生一与方波信号同频伪随机噪声；

控制器电路，用于在所述方波信号上升沿时，将直流电压值与抖动强度目标值经PI调整后得到机械抖动控制信号，并将所述伪随机噪声乘以噪声比例系数后与所述机械抖动控制信号叠加，得到机械抖动驱动控制信号；

模拟乘法器电路，用于将机械抖动驱动控制信号与所述反馈信号相乘后得到实际的机械抖动驱动正弦信号；

放大器电路，用于将实际的机械抖动驱动正弦信号进行放大后输入至激光陀螺的抖轮，以实现对激光陀螺抖轮的抖动强度控制。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。