CN101408425B - 一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，包括：实时检测光纤陀螺本征频率，实现光纤陀螺相位调制频率的可调，光纤陀螺相位调制频率自动跟踪光纤陀螺本征频率。光纤陀螺本征频率的跟踪方法可以避免在环境温度变化时出现相位调制频率和本征频率的对不准，能够解决高精度光纤陀螺在温度环境中的噪声、死区和小信号下标度因数非线性指标劣化的问题，改善了高精度光纤陀螺的环境适应性，对高精度光纤陀螺的应用具有重要意义。

Description

一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，特别适用于在较大的环境温度范围内工作的高精度光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺是惯性导航系统的核心仪表，其性能直接决定了惯性导航系统的性能。随着光纤陀螺应用的不断深入和拓展，一些领域对能够在较大温度范围内工作的高精度光纤陀螺的需求日益迫切。全温度范围内的精度是高精度光纤陀螺工程应用的一项重要指标，该指标的影响因素较多，相位调制频率和本征频率对不准是其中之一。

光纤陀螺的本征频率是光信号在Sagnac敏感环路中的传输时间对应的频率。根据光纤陀螺的调制解调原理可知，基于方波调制的干涉式光纤陀螺，其调制频率必须和本征频率对准，否则会对光纤陀螺的性能产生影响。在现有的光纤陀螺中，调制频率依据光纤长度对应的本征频率来确定，是固定不变的。而光纤的长度和折射率会随温度的变化而变化，其中长度随温度变化小于10^-6/℃，可以忽略不计，折射率随温度的变化为10^-5/℃，是主要影响因素。工作温度范围为100℃时，折射率变化将达到10^-3，对应的光信号传输时间变化10^-3。

传输时间变化即为本征频率变化，因此在温度变化时光纤陀螺的调制频率和本征频率会出现对不准。调制频率和本征频率对不准，将导致光纤陀螺的噪声特性、死区特性和小信号下标度因数非线性特性劣化，这一影响在高精度光纤陀螺中尤为明显。为了提高高精度光纤陀螺在温度环境中的精度性能，须设法消除调制频率和本征频率之间的对不准。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够避免光纤陀螺在环境温度变化时出现相位调制频率和本征频率对不准，能够解决高精度光纤陀螺在温度环境中的噪声、死区和小信号下标度因数非线性指标劣化的问题，改善高精度光纤陀螺的环境适应性，且不会增大光纤陀螺的体积和重量的光纤陀螺本征频率的跟踪方法。

本发明的技术解决方案是：光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)实时检测光纤陀螺本征频率

(i)角速率信号的产生

光纤陀螺的FPGA产生一个频率为光纤陀螺固有的本征频率一半的调制信号，经过D/A转换和放大A后作用于光纤陀螺的干涉仪，进行相位调制，产生一个包含该调制信号信息的干涉光信号，干涉光信号经光电转换后成为电信号，电信号再经放大B、滤波后进行A/D采样转换，A/D转换后进入FPGA中进行闭环解调，得到对应的角速率信号；

(ii)脉冲调制信号的产生和施加

光纤陀螺的FPGA产生一个脉冲调制信号，该脉冲调制信号经过D/A转换和放大A后作用于光纤陀螺的干涉仪，对其相位进行调制，干涉仪产生一个含有该调制信息的响应信号，和步骤(1)(i)得到的角速率信号叠加在一起生成一个干涉光信号从干涉仪输出；

(iii)光纤陀螺本征频率解算

步骤(1)(ii)中干涉仪输出的干涉光信号，经光电转换后成为电信号，再经放大B、滤波后进行A/D采样转换，A/D转换后进入光纤陀螺的FPGA，FPGA计算出步骤(1)(ii)中响应信号与脉冲调制信号之间的时间延迟量，该时间延迟量再减去步骤(1)(ii)干涉光信号在干涉仪外部光路的传输时间后得到光纤陀螺Sagnac敏感环路渡越时间τ，τ对应的频率即为光纤陀螺当前时刻的本征频率；

(2)实现光纤陀螺相位调制频率的可调

相位调制频率＝时钟频率/分频数，将原来是固定数值的分频数设为可变量，控制分频数可变量的大小，即能实现相位调制频率可调；

(3)光纤陀螺相位调制频率自动跟踪光纤陀螺本征频率

(i)FPGA对步骤(1)(iii)解算得到的当前光纤陀螺的本征频率对应的渡越时间τ和步骤(1)(i)产生的当前相位调制信号半周期τ′进行比较，并计算两者的差值Δτ；

(ii)对步骤(3)(i)中的差值Δτ进行积分，积分结果经过平滑之后产生负反馈，作用于步骤(2)中的分频数，从而控制相位调制半周期τ′；

(iii)将Δτ始终控制在0附近，使相位调制信号的半周期τ′和光纤陀螺的本征频率对应的渡越时间τ保持一致，实现光纤陀螺的相位调制频率对本征频率的跟踪。

所述步骤(1)(ii)的脉冲调制信号的频率为100Hz～步骤(1)(i)光纤陀螺产生的当前相位调制频率的1/10。

所述步骤(1)(ii)的脉冲调制信号作用于干涉仪后产生的相位调制幅度为2π/3～π。

所述步骤(1)(i)产生的调制信号的半周期τ′的调节精度Δτ′，表征相位调制频率的调节精度，

$\mathrm{\Δ\τ}\′=\frac{1}{f_C},$ f_C为时钟频率。

所述步骤(1)(ii)的脉冲调制信号施加于方波调制半周期的前1/3部分，脉冲宽度不大于半周期的1/6。

所述步骤(1)(iii)用于光纤陀螺本征频率解算的A/D采样在方波调制半周期的前1/3部分进行。

所述步骤(1)(i)用于角速率解调的A/D采样在方波调制半周期的后2/3部分进行。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明对光纤陀螺的本征频率实时测量，通过控制相位调制频率的变化量，使光纤陀螺的本征频率和相位调制频率始终保持一致，可以消除光纤陀螺在环境温度变化时出现相位调制频率和本征频率的对不准的问题。

(2)本发明消除了光纤陀螺相位调制频率和本征频率的对不准的问题，从而解决了高精度光纤陀螺在温度变化的环境中的噪声、死区和小信号下标度因数非线性指标劣化的问题，增强了高精度光纤陀螺的环境适应性，对高精度光纤陀螺的应用具有重要意义。

(3)本发明不增加新的硬件，直接利用光纤陀螺现有的FPGA、D/A转换、运放、干涉仪、光电探测器、运放及A/D转换完成光纤陀螺相位调制频率跟踪本征频率，不会增大光纤陀螺的体积和重量以及成本。

附图说明

图1为本发明信号处理示意图；

图2为本发明光纤陀螺本征频率调制解调示意图。

具体实施方式

本发明步骤包括：实时检测光纤陀螺本征频率，实现光纤陀螺相位调制频率的可调，光纤陀螺相位调制频率自动跟踪光纤陀螺本征频率。

1、实时检测光纤陀螺本征频率

如图1所示，光纤陀螺的FPGA15产生一个频率为光纤陀螺固有的本征频率一半的调制信号，经过D/A16转换和放大A17后作用于光纤陀螺的干涉仪18，进行相位调制，产生一个包含该调制信号信息的干涉光信号，干涉光信号经光电转换11后成为电信号，电信号再经放大B12、滤波13后进行A/D14采样转换，A/D14转换后进入FPGA15中进行闭环解调，得到对应的角速率信号；同时光纤陀螺的FPG15产生一个频率为100Hz～(1)(i)光纤陀螺产生的当前相位调制频率的1/10的脉冲调制信号，脉冲调制信号作用于干涉仪后产生的相位调制幅度为2π/3～π。该脉冲调制信号经过D/A16转换和放大A17后作用于光纤陀螺的干涉仪18，对其相位进行调制，干涉仪18产生一个含有该调制信息的响应信号，和角速率信号叠加在一起生成一个干涉光信号从干涉仪18输出；干涉仪18输出的干涉光信号，经光电转换11后成为电信号，再经放大B12、滤波13后进行A/D14采样转换，A/D14转换后进入光纤陀螺的FPGA15，FPGA15计算出响应信号与脉冲调制信号之间的时间延迟量，时间延迟量再减去干涉光信号在干涉仪15外部光路的传输时间后得到光纤陀螺Sagnac敏感环路渡越时间τ，τ对应的频率即为光纤陀螺当前时刻的本征频率。

2、实现光纤陀螺相位调制频率的可调

要实现对光纤陀螺本征频率的跟踪，相位调制频率就必须能以一定的调节量进行调整。相位调制频率＝时钟频率/分频数，将原来是固定数值的分频数设为可变量，控制分频数可变量的大小，即能实现相位调制频率可调；频率为光纤陀螺固有的本征频率一半的调制信号的半周期τ′的调节精度Δτ′，表征相位调制频率的调节精度，存在 $\mathrm{\Δ\τ}\′=\frac{1}{f_C},$ f_C为时钟频率。调节精度越小，相位调制频率和本征频率对准的精度就越高，能够补偿Sagnac敏感环圈的等效光程长度的变化量也越小，但是所需要的时钟频率也越高。过高的时钟频率在工程上不适用，所以调制频率调节量的选取应适中。一般来说，将本征频率和调制频率的对不准量降低80％，就能基本消除对不准对光纤陀螺性能的影响。

以1000m长的Sagnac敏感环圈为例，在100℃范围内其等效光程长度的变化量为1m，降低80％后对应的变化量为0.2m，相应的调制频率调节量为20Hz。根据所要实现的调制频率调节量，能够计算出FPGA需要的时钟频率，这个频率通常较高，可通过对晶振频率倍频的办法实现。

3、光纤陀螺相位调制频率自动跟踪光纤陀螺本征频率

假设相位调制信号的半周期为τ′与光纤陀螺的本征频率对应的渡越时间τ相等。当外界温度发生变化时，渡越时间τ发生变化，此时，相位调制信号的半周期τ′和光纤陀螺的本征频率对应的渡越时间τ不再相等，出现一个差值Δτ，这个过程可以表示为：

τ′-τ＝Δτ   (1)

Δτ的出现意味着调制频率和本征频率出现了对不准，对Δτ进行积分，积分结果经过平滑之后产生负反馈，由于存在相位调制频率＝时钟频率/分频数和 $\mathrm{\Δ\τ}\′=\frac{1}{f_C},$ 负反馈作用于分频数，从而控制相位调制半周期τ′；将Δτ控制在0附近(Δτ→0)，使调制信号的半周期τ′和渡越时间τ始终保持一致，就可实现调制频率对本征频率的跟踪，消除对不准。

如图2所示，脉冲调制波施加于方波调制半周期的前1/3部分，脉冲宽度不大于半周期的1/6，用于本征频率解算的A/D采样在半周期的前1/3部分进行，用于角速率解调的A/D采样在半周期的后2/3部分进行。

光纤陀螺最终输出的角速率是在跟踪本征频率不断变化的调制频率下解调得到的。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)实时检测光纤陀螺本征频率

(i)角速率信号的产生

光纤陀螺的FPGA(15)产生一个频率为光纤陀螺固有的本征频率一半的调制信号，该调制信号的半周期为τ′，经过D/A(16)转换和放大A(17)后作用于光纤陀螺的干涉仪(18)，进行相位调制，产生一个包含该调制信号信息的干涉光信号，干涉光信号经光电转换(11)后成为电信号，电信号再经放大B(12)、滤波(13)后进行A/D(14)采样转换，A/D(14)转换后进入FPGA(15)中进行闭环解调，得到对应的角速率信号；

(ii)脉冲调制信号的产生和施加

光纤陀螺的FPGA(15)产生一个脉冲调制信号，该脉冲调制信号经过D/A(16)转换和放大A(17)后作用于光纤陀螺的干涉仪(18)，对其相位进行调制，干涉仪(18)产生一个含有该脉冲调制信号的响应信号，响应信号和步骤(1)(i)得到的角速率信号叠加在一起生成一个干涉光信号从干涉仪(18)输出；

(iii)光纤陀螺本征频率解算

步骤(1)(ii)中干涉仪(18)输出的干涉光信号，经光电转换(11)后成为电信号，再经放大B(12)、滤波(13)后进行A/D(14)采样转换，A/D(14)转换后进入光纤陀螺的FPGA(15)，FPGA(15)计算出步骤(1)(ii)中响应信号与脉冲调制信号之间的时间延迟量，该时间延迟量再减去步骤(1)(ii)干涉光信号在干涉仪(15)外部光路的传输时间后得到光纤陀螺Sagnac敏感环路渡越时间τ，τ对应的频率即为光纤陀螺当前时刻的本征频率；

(2)实现光纤陀螺相位调制频率的可调

相位调制频率＝时钟频率/分频数，将原来是固定数值的分频数设为可变量，控制分频数可变量的大小，即能实现相位调制频率可调；

(3)光纤陀螺相位调制频率自动跟踪光纤陀螺本征频率

(i)FPGA(15)对步骤(1)(iii)解算得到的当前光纤陀螺的本征频率对应的渡越时间τ和步骤(1)(i)光纤陀螺的FPGA(15)产生的调制信号的半周期τ′进行比较，并计算两者的差值Δτ；

(ii)对步骤(3)(i)中的差值Δτ进行积分，积分结果经过平滑之后产生负反馈，作用于步骤(2)中的分频数，从而控制步骤(1)(i)光纤陀螺的FPGA(15)产生的调制信号的半周期τ′；

(iii)将Δτ始终控制在0附近，使步骤(1)(i)光纤陀螺的FPGA(15)产生的调制信号的半周期τ′和光纤陀螺的本征频率对应的渡越时间τ保持一致，实现光纤陀螺的相位调制频率对本征频率的跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)(ii)的脉冲调制信号的频率为大于100Hz、小于步骤(1)(i)光纤陀螺的FPGA(15)产生的调制信号频率的1/10。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)(ii)的脉冲调制信号作用于干涉仪后产生的相位调制幅度为2π/3～π。

4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)(i)光纤陀螺的FPGA(15)产生的调制信号的半周期τ′的调节精度Δτ′，表征相位调制频率的调节精度，存在 ${\mathrm{\Δ\τ}}^{\′}=\frac{1}{f_C},$ f_C为时钟频率。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)(ii)的脉冲调制信号施加于步骤(1)(i)光纤陀螺的FPGA(15)产生的调制信号半周期的前1/3部分，脉冲宽度不大于半周期的1/6。

6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)(iii)用于光纤陀螺本征频率解算的A/D采样在方波调制半周期的前1/3部分进行。

7.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺本征频率的跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)(i)用于角速率解调的A/D采样在方波调制半周期的后2/3部分进行。

Images