一種高速光纖陀螺頻率特性的測試方法與系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種頻率特性測試方法與系統，尤其是設及一種高速光纖巧螺頻率特 性的測試方法與系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，各國軍事領域研究熱點包括全球范圍快速打擊系統，導彈防御體系等，應 用系統對光纖巧螺動態性能中頻率特性提出了很高要求。
[0003]"全球范圍快速打擊系統"依托各種快速運載工具，從本±或全球分布的軍事基地 發射常規武器，在一小時內對全球任何地方實施精確打擊。"全球范圍快速打擊系統"的特 點就是"快"，主要指飛行器及響應速度快。飛行器高速機動時，角速度測量實時性直接影響 其導航精度，要求光纖巧螺具有高的頻帶寬度。
[0004]"導彈防御體系"用于保護本±及軍事基地的安全，典型的導彈防御系統如俄羅斯 的S-400遠程反導導彈、美國的"標準-3"中程反導導彈等，它們的特點是機動性強，響應速 度快，反導導彈需在幾秒內完成定位定向及姿態調整，該要求光纖巧螺的響應速度快、輸出 頻帶寬。
[0005] 綜上，頻率特性影響了光纖巧螺，特別是高速光纖巧螺對角速度測量的準確性，對 應用系統的性能發揮起著關鍵作用，對高速光纖巧螺的該一指標測試十分重要。
[0006] 偽隨機序列是最長線性反饋移存器序列的簡稱，它是由帶線性反饋的移存器產生 的周期最長的一種序列。偽隨機序列具有類似于隨機噪聲的一些統計特性同時又便于重復 產生和處理。由于它具有隨機噪聲的優點，又避免了他的缺點，因此獲得了日益廣泛的實際 應用。
[0007]FPGA巧片（FieldProgramm油leGateArray,現場可編程口陣列）是在專用集 成電路的基礎上發展起來的一種新型邏輯器件，也是當今數字系統設計的主要硬件平臺。 FPGA巧片繼承了專用集成電路的大規模、高集成度、高可靠性的優點，又克服了專用集成電 路設計周期長、投資大、靈活性差的缺點，規模越來越大、開發過程投資小、可反復編程及擦 除、保密性能好、開發工具智能化，涵蓋了實時化數字信號處理技術、高速數據收發器、復雜 計算W及嵌入式系統設計技術的全部內容。
[000引隨著各領域對光纖巧螺，特別是高速光纖巧螺的要求越來越高，其頻率特性，特別 是大頻帶寬度的頻率特性對高速光纖巧螺的性能越來越至關重要，因此如何快速準確的對 高速光纖巧螺大頻帶寬度頻率特性進行測量是一個十分重要的問題。原有的測量方法為 利用轉臺對光纖巧螺輸入特定頻率序列的角速率，同時測量光纖巧螺的輸出。比較輸出與 輸入獲得該頻率點下光纖巧螺的系統頻率響應。該方法需要進行掃頻測試，若需要獲得較 為完整的頻率響應函數需要多組測試頻率信號，在每個測試頻率下進行測量，導致測量時 間長；同時由于測試頻率點數有限，從而測試結果的頻率分辨率低，特別是對于高速光纖巧 螺，測量出高分辨率的頻率特性對其性能的評估非常重要；沒有針對相位特性進行測量，或 相位估計誤差大。
【發明內容】
[0009] 針對目前高速光纖巧螺頻率特性缺少快速準確及高頻率分辨率測試方法的現狀， 本發明的目的在于提供了一種高速光纖巧螺頻率特性的測試方法與系統，可快速準確地測 量高速光纖巧螺頻率特性。
[0010] 本發明方法的技術方案的具體步驟如下：
[0011] 一、一種高速光纖巧螺頻率特性的測試方法，步驟如下，如圖1所示：
[0012] 1)根據偽隨機序列的生成邏輯生成偽隨機序列測試數字信號；
[0013] 2)將偽隨機序列測試數字信號依次通過數字模擬轉換、信號驅動放大后轉換為偽 隨機序列測試模擬信號，將偽隨機序列測試模擬信號輸入到角振動臺的驅動電機中作為旋 轉的輸入信號；角振動臺的驅動電機經載物臺連接待測高速光纖巧螺；
[0014] 3)角振動臺帶動其上面的待測高速光纖巧螺進行運動，得到待測高速光纖巧螺輸 出信號序列Z(i)，其中i= 1，…，N，N是采樣點總數，i表示采樣點序數；
[0015] 4)測速電機與驅動電機同步連接，采集測速電機的角速度模擬信號并進行模擬數 字轉換，得到測速電機數字信號序列x(i)，其中i= 1，…，N;
[0016] 5)將步驟3)中得到的待測高速光纖巧螺輸出信號序列Z(i)和步驟4)得到的測 速電機數字信號序列X(i)進行計算獲得待測高速光纖巧螺的頻率響應函數H(j?)，根據 頻率響應函數H(j?)獲得待測高速光纖巧螺頻率特性參數，包括幅頻特性和相頻特性。
[0017] 所述步驟1)中采用W下公式1表示的生成邏輯通過邏輯電路生成反饋移位寄存 器，從而產生最終偽隨機序列a。；
[001引 a。= CA_i 0 C興,_2 ? …? C，訊
[0019] 其中，n表示移位寄存器電路的階數，3。_1、…、a。表示第一級、…、第n級寄存器， Cl、…、Cm、…、Cn_康示反饋線的連接方式，m=l,…，n-l，Cm等于1或者0，0隸示二元 域上的模二加法。
[0020] 所述步驟5)中得到的高速光纖巧螺頻率響應函數H(j?)具體計算步驟是：
[0021] 將待測高速光纖巧螺輸出信號序列z[i]和測速電機測試數字信號序列x[i]進行 互相關運算得到互相關序列Ru，同時將測速電機測試數字信號序列x[i]進行自相關運算 得到自相關序列Ru;再對互相關序列Ru和自相關序列Ru進行傅里葉變換，獲得互功率譜 密度Su(j?)和自功率譜密度Su(j?)，將互功率譜密度和自功率譜密度相除獲得待測高 速光纖巧螺的頻率響應函數H(j?);
[0022]
[0023] 所述的頻率響應函數H(j?)在極坐標下表示形式為W下公式：
[0024]
[002引其中，|H(j?)I為待測巧螺的幅頻響應，Ww)為待測巧螺的相頻響應，分別作為 巧螺的幅頻特性和相頻特性，j表示虛部，《表示角頻率。
[0026] 所述的反饋線的連接方式Cm等于1表示連線接通，第n-m級輸出加入反饋中；Cm 等于0表示連線斷開，第n-m級未輸出加入反饋中。
[0027] 二、一種高速光纖巧螺頻率特性的測試系統：
[002引包括角振動臺的驅動電機和測速電機、載物臺、待測巧螺和FPGA (Field Programm油le Gate Array,現場可編程口陣列）處理器，載物臺固定在驅動電機的旋轉軸 上，待測光纖巧螺置于載物臺上，驅動電機與測速電機同步連接轉動；FPGA處理器依次經 數字模擬轉換器、功率放大器連接角振動臺的驅動電機，測速電機經模擬數字轉換器連接 FPGA處理器，待測光纖巧螺與FPGA處理器連接，FPGA處理器經串口通信與計算機連接。
[0029] 本發明根據偽隨機序列的生成邏輯生成偽隨機序列；將偽隨機序列測試數字信號 先后通過數字模擬轉換、信號驅動轉換為偽隨機序列測試模擬信號，將偽隨機序列模擬信 號輸入到角振動臺中的驅動電機，驅動電機帶動其上面的待測高速光纖巧螺根據輸入的模 擬信號進行相應的運動，得到待測高速光纖巧螺輸出信號序列；同時將用于測量角振動臺 角速度輸入的測速電機輸出信號進行模擬數字轉換，得到測速電機測試數字信號序列；將 得到的待測高速光纖巧螺輸出信號序列和測速電機測試數字信號序列發送到計算機；計算 機利用譜分析的方法計算待測高速光纖巧螺的頻率特性。
[0030] 本發明方法的有益效果為：
[0031] 本發明測量頻率分辨率高，可實現對高速光纖巧螺大頻帶寬度的快速測量；測量 精度高，同時單次測量即可獲得測試結果；可同時測量獲得高速光纖巧螺的幅頻特性和相 頻特性；測試速度快，對高速光纖巧螺輸出信號和偽隨機序列的采樣時間即為測試時間，整 體測試時間最少只要20s，并且可W在線測試；對測試量中噪聲的抑制效果好；測量頻率范 圍大；使用FPGA巧片作為控制部分，體積小、操作簡單、成本低；通過獲得高速光纖巧螺的 頻率特性，對高速光纖巧螺的性能加W評估，滿足高速光纖巧螺大頻帶寬度頻率特性的大 批量、快速和準確測試。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明方法的流程圖。
[0033] 圖2為本發明系統的示意圖。
[0034] 圖3為角振動臺安裝方式示意圖。
[0035] 圖4為產生偽隨機序列的n級移位寄存器電路示意圖。
[0036] 圖5為本發明實施例的流程圖。
[0037] 圖6為本發明方法結合系統的原理說明示意圖。
[003引圖7為產生17階偽隨機序列的移位寄存器電路示意圖。
[0039] 圖8為本發明實施例的幅頻特性和相頻特性測試結果圖。
[0040] 圖中：1、待測光纖巧螺，2、載物臺，3、驅動電機，4、測速電機。
【具體實施方式】
[0041] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0042] 本發明實施裝置如圖2所示，實施裝置包含角振動臺的驅動電機3和測速電機4、 載物臺2、待測高速光纖巧螺1和FPGA處理器，載物臺2固定在驅動電機3的旋轉軸上，待 測高速光纖巧螺1置于載物臺2上，驅動電機3與測速電機4同步連接轉動；FPGA處理器 依次經數字模擬轉換器、功率放大器連接角振動臺的驅動電機3,測速電機4經模擬數字轉 換器連接FPGA處理器，待測高速光纖巧螺1與FPGA處理器連接，FPGA處理器經串口通信 與計算機連接。
[0043] FPGA巧片；運行主控程序，根據偽隨機序列的生成邏輯生成偽隨機序列，控制裝 置中各個部分的工作；數字模擬轉換和信號驅動部分：將FPGA生成的偽隨機序列轉換成模 擬信號，輸入到信號驅動部分；信號驅動：包括功率放大器和角振動臺等，角振動臺的安裝 方式如圖3所示，測速電機與待測高速光纖巧螺固定在同一個轉動軸的兩端，測速電機固 定在下端，驅動電機安裝在中部，待測高速光纖巧螺安裝在載物臺的上端。
[0044] 本發明的高速光纖巧螺可看做是一個單輸入單輸出的線性系統，輸入角速度Q 可W得到數字量D，D=KQ，K為光纖巧螺的標度因數。將偽隨機序列模擬信號輸入到功率 放大器，信號經放大后輸入到角振動臺中的驅動電機中，驅動電機根據輸入的信號帶動載 物平臺上的待測光纖巧螺和下方的測速電機運動