CN101270991A - 采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，该系统中的中心处理器(63)由解调单元(631)、调频单元(632)、调幅单元(633)和直接数字合成单元(634)构成；解调单元(631)用于(A)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制正半周期Δt⁺的解调值P(Δt⁺)，(B)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制负半周期Δt^－的解调值P(Δt^－)，(C)对正半周期的解调值P(Δt⁺)与负半周期的解调值P(Δt^－)进行平均得到解调平均值P(Δt)，并将解调平均值P(Δt)输出给调幅单元(633)，(D)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的光功率平均值S(Δt)，并将光功率平均值S(Δt)输出给调频单元(632)。调制频率f_d满足条件为2f_e/5＜f_d＜8f_e/5，初始幅度A₀满足条件为π/8＜A₀＜π/2，这样宽的范围足够在工程当中应用。

Description

采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统

技术领域

本发明涉及一种测量干涉式光纤陀螺的本征频率和半波电压的方法，更特别地说，是指一种采用方波调制方法来测量干涉式光纤陀螺的本征频率和半波电压。

背景技术

干涉型光纤陀螺是一种测量角速率的传感器，其对角速度的测量是通过在光纤环中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

在专利申请号200610080857.4中介绍了一种干涉型光纤陀螺的硬件结构。其硬件包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和信号处理装置6组成(请参见图1所示)。所述的信号处理装置6包括用于检测探测器5输出的光功率信号的检测电路61、A/D转换器62、中心处理器63、D/A转换器64和放大调理电路65组成(请参见图2所示)。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环4中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。

在专利申请号200610144035.8中介绍了一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率。该方法通过控制模块FPGA控制DDS(Direct DigitalSynthesis直接数字合成)产生不同频率下的不对称方波对Y波导进行相位调制；并由信号处理模块DSP实时解算出A/D采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d，并对所述差值绝对值ΔP_d进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率f_e等于调制频率f_d。此种测量方法测得的本征频率f_e精度高，频率跟踪调整速度快，实时性高。

目前，干涉式光纤陀螺的2π电压也是通过离线的方法人工测得，其光纤的折射率n、干涉式光纤陀螺工作的环境温度、Y波导中电极板的变形会影响板波电压的值，从而影响干涉式光纤陀螺的性能。光纤环的光纤长度L和光纤折射率n受光纤曲率、强度及环境温度的影响较大，从而导致干涉式光纤陀螺的本征频率随外界因素而变化。

光纤陀螺设计和调试中光纤陀螺的本征频率一般根据公式 $f_e=\frac{C}{2\mathrm{nL}}$ 得到一个估计值，公式中：L为光纤环4的光纤长度，n为光纤的折射率，C为真空中的光速。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压，该测量方法利用解调单元对接收的光功率信息进行全周期内和有效调制区域内的光功率平均值的提取，以及控制DDS产生不同频率和不同振幅下的方波对Y波导进行相位调制；此种测量方法测得的半波电压V_g和本征频率f_e精度高，频率跟踪调整速度快，实时性高。

本发明是一种采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，所述干涉式光纤陀螺包括有光源(1)、耦合器(2)、Y波导(3)、光纤环(4)、光电探测器(5)和信号处理装置(6)，所述信号处理装置(6)包括有检测电路(61)、A/D转换器(62)、中心处理器(63)、D/A转换器(64)和放大调理电路(65)，其特征在于：所述中心处理器(63)由解调单元(631)、调频单元(632)、调幅单元(633)和直接数字合成单元(634)构成；

解调单元(631)用于(A)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制正半周期Δt⁺的解调值P(Δt⁺)，(B)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制负半周期Δt^-的解调值P(Δt^-)，(C)对正半周期的解调值P(Δt⁺)与负半周期的解调值P(Δt^-)进行平均得到解调平均值P(Δt)，并将解调平均值P(Δt)输出给调幅单元(633)，(D)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的光功率平均值S(Δt)，并将光功率平均值S(Δt)输出给调频单元(632)；

调频单元(632)对接收的光功率平均值S(Δt)与频率功率累计最小值相比较，获取当前调频最小值，并用当前调频最小值替换频率功率累计最小值；然后将所述当前调频最小值表征的DDS相位M输出给直接数字合成单元(634)；

调幅单元(633)对接收的解调平均值P(Δt)与幅度功率累计最小值相比较，获取当前调幅最小值，并用当前调幅最小值替换幅度功率累计最小值；然后将所述当前调幅最小值表征的电压F输出给直接数字合成单元(634)；

直接数字合成单元(634)对接收的DDS相位M和电压F进行数字合成后输出方波数字量MF给D/A转换器(64)。

在本发明中，若先进行幅度调整，则初始调制频率f_d满足条件为 $\frac{2f_e}{5}<f_d<\frac{{8f}_e}{5}$ 时，对幅度的调整能够达到要求。

在本发明中，若先进行频率调制，则初始幅度A₀满足条件为 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{8}<A_0<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 对频率的调整能够达到要求。

本发明采用方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的优点在于：

(1)无论是振幅(电压)的调整还是频率的调整都与陀螺的转速和光功率没有显著的关系，对于200m的光纤，系统可在转速1000弧度/秒，光功率1000个单位的动态范围内正常的工作；(2)运用DDS(直接数字合成)可以实现可变频率步进步长，最小可达到1Hz级的频率步进步长，从而可以实现对光纤陀螺本征频率的精确测量；(3)调制解调的控制模块FPGA采用快速数值寻优算法实时解算，调幅和调频控制模块根据信号解调的反馈信息控制DDS产生不同振幅和不同频率的方波对Y波导进行调制，实现Vπ和本征频率自动跟踪；(4)调整速度快，实时性高。

附图说明

图1是干涉式光纤陀螺的结构简图。

图2是干涉式光纤陀螺的信号处理装置的结构框图。

图3是本发明采用方波调制解调的结构框图。

图4A是调制方波的振幅不等于半波电压、调制频率不等于本征频率时的光功率波形图。

图4B是调制方波的振幅等于半波电压、调制频率不等于本征频率时的光功率波形图。

图4C是调制方波的振幅等于半波电压、调制频率等于本征频率时的光功率波形图。

图5A是相邻功率差ΔP与方波振幅电压的关系图。

图5B是整个周期内的功率平均与调制信号的频率的关系图。

图中：      1.光源          2.耦合器      3.Y波导        4.光纤环5.光电探测器  6.信号处理装置  61.检测电路   62.A/D转换器   63.中心处理器631.解调单元  632.调频单元    633.调幅单元  634.直接数字合成单元64.D/A转换器  65.放大调理电路

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种采用方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，所述干涉式光纤陀螺中信号处理装置6的中心处理器63选取XC3S400型号的FPGA处理器芯片。

参见图3所示，中心处理器63由解调单元631、调频单元632、调幅单元633和直接数字合成单元634构成。

解调单元631用于(A)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制正半周期Δt⁺的解调值P(Δt⁺)，(B)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制负半周期Δt^-的解调值P(Δt^-)，(C)对正半周期的解调值P(Δt⁺)与负半周期的解调值P(Δt^-)进行平均得到解调平均值P(Δt)，并将解调平均值P(Δt)输出给调幅单元633，(D)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的光功率平均值S(Δt)，并将光功率平均值S(Δt)输出给调频单元632；

调频单元632对接收的光功率平均值S(Δt)与频率功率累计最小值相比较，获取当前调频最小值，并用当前调频最小值替换频率功率累计最小值；然后将所述当前调频最小值表征的DDS相位M输出给直接数字合成单元634；所述频率功率累计最小值是指在恒定幅度条件下多次采集得到的频率功率累计最小值。直接数字合成DDS，Direct Digital Synthesis。

调幅单元633对接收的解调平均值P(Δt)与幅度功率累计最小值相比较，获取当前调幅最小值，并用当前调幅最小值替换幅度功率累计最小值；然后将所述当前调幅最小值表征的电压F输出给直接数字合成单元634；所述幅度功率累计最小值是指在恒定频率条件下多次采集得到的幅度功率累计最小值。

直接数字合成单元634对接收的DDS相位M和电压F进行数字合成后输出方波数字量MF给D/A转换器64。

在本发明中，利用了方波调制原理对不同方波频率和幅度产生的光功率响应的不同现象，参见图4A、图4B、图4C所示。

图4A中，ΔT表示一个调制周期，Δt⁺表示在一个调制周期ΔT内的有效调制正半周期，Δt^-表示在一个调制周期ΔT内的有效调制负半周期。横坐标表示采样时间t，纵坐标表示光功率P(t)。图中尖峰是无效调制部分(虚线框)，调制频率f_d与本征频率f_e相差越大，则此尖峰的宽度越大，调制频率越接近本征频率尖峰的宽度越小，当调制频率等于本征频率时尖峰的宽度达到最小值，此时采集到的光功率平均值最小。

图4B中，表示的是当调制方波的振幅调到半波电压V_g时的功率响应，此时在Δt⁺、Δt^-的调制区中光功率响应的平均值等于光源1到达光电探测器5的光功率，此时的光功率就是图5A所示的光功率最小值。

图4C中，表示的是在图4B的方波的振幅下，进一步将方波的频率调到本征频率时，所得到的光功率响应，从图中可以看出尖峰的宽度(虚线框)达到了最小值，此最小值就是图5B中所示的光功率的最小值。

本发明是一种采用方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压，该测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的处理包括有下列步骤：

(A)系统上电后，由FPGA处理器的调频单元632产生初始调制振幅A₀和初始频率f₀为下的方波；

(B)所述方波经D/A转换器64、放大调理电路65后，加载至Y波导3进行相位调制；

(C)探测器5接收到干涉后的光功率信息转换为电流信号输出给检测电路61，检测电路61对接收的电流信号经放大、滤波处理后输出模拟量的光功率V₀给A/D转换器62，经A/D转换器62转换后输出数字量的光功率V₁给中心处理器63的解调单元631；

(D)解调单元631对接收到的数字量光功率V₁中(A)提取在一个调制周期ΔT内的有效调制正半周期Δt⁺的解调值P(Δt⁺)，(B)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制负半周期Δt^-的解调值P(Δt^-)，(C)对正半周期的解调值P(Δt⁺)与负半周期的解调值P(Δt^-)进行平均得到解调平均值P(Δt)，并将解调平均值P(Δt)输出给调幅单元633，(D)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的光功率平均值S(Δt)，并将光功率平均值S(Δt)输出给调频单元632；(E)调频单元632对接收的光功率平均值S(Δt)与频率功率累计最小值相比较，获取当前调频最小值，并用当前调频最小值替换频率功率累计最小值；然后将所述当前调频最小值表征的DDS相位M输出给直接数字合成单元634；

(F)调幅单元633对接收的解调平均值P(Δt)与幅度功率累计最小值相比较，获取当前调幅最小值，并用当前调幅最小值替换幅度功率累计最小值；然后将所述当前调幅最小值表征的电压F输出给直接数字合成单元634；

(G)依次控制直接数字合成单元634产生在调制频率f_d(d＝1，2，3……m，m表示自然数)下的方波MF；其中，调制频率f_d是在初始调制频率f₀的基础上以频率步进步长K步进产生的；

(H)所述方波MF经D/A转换器64、放大调理电路65后作用到Y波导3上，从而实现对光波的调制。

一般干涉式光纤陀螺的结构如图1所示，关于信号处理装置6的处理过程如图2所示。在本发明中，为了精确测量干涉式光纤陀螺的本征频率f_e和半波电压Vπ，采用在FPGA处理器控制(DDS)直接数字合成单元634输出不同频率的方波MF，在通过调幅单元633对方波的幅度进行调整，以及检测电路61输出的模拟量光功率V₀(所述模拟量光功率V₀是干涉后光功率信息P(t)随时间t变化的电压信号波形)，以及解调单元631实时解算出A/D采样的正半周期时间Δt⁺、负半周期时间Δt^-在一个调制周期ΔT内的解调平均值P(Δt)、光功率平均值S(Δt)，当P(Δt)趋近于零时，则有方波调制电压等于光纤陀螺的半波电压的一半，当S(Δt)取得极小值时，则有光纤陀螺本征频率f_e等于调制频率f_d，如图5所示。

关于振幅和频率初值的设置问题：图5中的曲线关系并不是在所有范围内都满足，若先进行幅度调整，则初始调制频率f_d满足条件为 $\frac{{2f}_e}{5}<f_d<\frac{{8f}_e}{5}$ 时，对幅度的调整能够达到要求。若先进行频率调制，则初始幅度A₀满足条件为 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{8}<A_0<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 对频率的调整能够达到要求。在本发明中调制频率f_d满足条件为 $\frac{{2f}_e}{5}<f_d<\frac{{8f}_e}{5},$ 初始幅度A₀满足条件为 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{8}<A_0<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 这样宽的范围足够在工程当中应用。

Claims (5)

1、一种采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，所述干涉式光纤陀螺包括有光源(1)、耦合器(2)、Y波导(3)、光纤环(4)、光电探测器(5)和信号处理装置(6)，所述信号处理装置(6)包括有检测电路(61)、A/D转换器(62)、中心处理器(63)、D/A转换器(64)和放大调理电路(65)，其特征在于：所述中心处理器(63)由解调单元(631)、调频单元(632)、调幅单元(633)和直接数字合成单元(634)构成；

解调单元(631)用于(A)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制正半周期Δt⁺的解调值P(Δt⁺)，(B)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的有效调制负半周期Δt^-的解调值P(Δt^-)，(C)对正半周期的解调值P(Δt⁺)与负半周期的解调值P(Δt^-)进行平均得到解调平均值P(Δt)，并将解调平均值P(Δt)输出给调幅单元(633)，(D)从接收的光功率信息V₁中提取在一个调制周期ΔT内的光功率平均值S(Δt)，并将光功率平均值S(Δt)输出给调频单元(632)；

调频单元(632)对接收的光功率平均值S(Δt)与频率功率累计最小值相比较，获取当前调频最小值，并用当前调频最小值替换频率功率累计最小值；然后将所述当前调频最小值表征的DDS相位M输出给直接数字合成单元(634)；

调幅单元(633)对接收的解调平均值P(Δt)与幅度功率累计最小值相比较，获取当前调幅最小值，并用当前调幅最小值替换幅度功率累计最小值；然后将所述当前调幅最小值表征的电压F输出给直接数字合成单元(634)；

直接数字合成单元(634)对接收的DDS相位M和电压F进行数字合成后输出方波数字量MF给D/A转换器(64)。

2、根据权利要求1所述的采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，其特征在于：所述频率功率累计最小值是指在恒定幅度条件下多次采集得到的频率功率累计最小值。

3、根据权利要求1所述的采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，其特征在于：所述幅度功率累计最小值是指在恒定频率条件下多次采集得到的幅度功率累计最小值。

4、根据权利要求1所述的采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，其特征在于：中心处理器(63)选取XC3S400型号的FPGA处理器芯片。

5、根据权利要求1所述的采用方波调制测量干涉式光纤陀螺本征频率和半波电压的系统，其特征在于：调制频率f_d满足条件为 $\frac{{2f}_e}{5}<f_d<\frac{{8f}_e}{5},$ 初始幅度A₀满足条件为 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{8}<A_0<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}.$

Images