CN101701819B - 一种双轴复用光纤陀螺及其信号调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴复用光纤陀螺及其信号调制解调方法，在硬件配置上使用两个光纤长度比为1∶3，敏感轴相互垂直的光纤环通过光纤耦合器进行并联复用；在信号调制解调方法上，采用方波调制信号进行调制，方波调制信号的周期等于光在两个光纤环中传播时间的累加值，占空比为50％，峰峰值不等于整数倍半波电压的电压，均值为零；在一个方波调制信号的周期内，将光纤陀螺的输出信号按时间顺次分为四个等长部分，并对各个部分的信号进行采样，根据这些采样值，按照解调公式进行计算，从而得到对应于两个不同方向角速度信息。该方法能有效降低双轴光纤陀螺的等效成本，具有很强的应用价值和推广价值。

Description

一种双轴复用光纤陀螺及其信号调制解调方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺及其信号调制解调方法，尤其是涉及一种双轴复用光纤陀螺及其信号调制解调方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速度测量仪，由于其具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制系统中。光纤陀螺的工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转角速率的赛格奈克相位差，通过检测该相位差，可推算得到环形干涉仪所在系统的角速率。赛格奈克相移φ_Sag和系统角速率Ω的关系如下：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Sag}}=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω}$

其中L为光纤陀螺光纤环光纤长度，D为光纤环直径，λ光纤陀螺所用光源波长，c为真空中光速。

一个单轴光纤陀螺只能检测一个方向的角速度信号，但在光纤陀螺的大部分应用系统中，需要检测多个方向的角速度信号，从而需要两个或两个以上非简并配置的光纤陀螺，这将使得应用系统随着角速度检测维数的增加而近似的成正比增加，这将提高应用系统的成本，阻碍了光纤陀螺的广泛应用。

可以通过复用的技术的方法减低整系统的成本，典型的复用方法是采用光源复用的配置方法，该方法对于一个多轴陀螺只需要采用1个光源，并增加数个光纤耦合器即可，但该方法也只能降低光源的成本，他依旧需要采用多个不同的调制通道和采样通道，而这两个通道中所采用的相位调制器、光电探测器、数模转换电路和模数转换电路占据了整个光纤陀螺系统的大部分成本，这一部分无法降低；从而光源复用的方案并不能够有效的降低系统的有效成本，需要其他的新的复用技术，以有效的降低其应用成本，促进光纤陀螺的广泛应用。

发明内容

鉴于现有光纤陀螺的复用技术并不能有效的降低其等效成本，本发明的目的在于提供一种双轴复用光纤陀螺及其信号调制解调方法，只需在现有单轴光纤陀螺的基础上增加两个光纤耦合器和一个垂直配置的光纤环，并通过合理的信号调制解调的方法，以实现同时两个轴向的角速度的检测，并大幅度降低每轴角速度的检测的成本。

本发明的发明原理是：

典型的光纤陀螺的光学系统由光源、光纤耦合器、光电探测器、相位调制器、光纤环构成，其中主要的成本来源于相位调制器、光电探测器和光源，其中又以相位调制器的成本为主要部分，约为整个光学系统的2/3左右，而光纤耦合器及光纤环，特别是采用单模光纤绕制而成的光纤环，其成本仅占光学系统非常小的一部分，大概在几十分之一的量级。本发明的思想就是，通过增加一定数量的低成本器件，通过改进调制解调的方法实现两个方向角速度的检测，也即实现双轴陀螺的复用，这等价于用一个略高于单轴陀螺的成本实现双轴角速度的检测，其等价于降低单一个方向的角速度信号检测的成本，若忽略只占系统成本几十分之一的光纤耦合器和光纤环，单一方向角速度信号的检测成本将降低接近一半。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

一、一种双轴复用光纤陀螺：

本发明包括光源、光电探测器、第一光纤耦合器、相位调制器以及信号处理模块，光源的尾纤和光电探测器分别接第一光纤耦合器同一侧的光纤，第一光纤耦合器另一侧一根尾纤接相位调制器的入纤，第一光纤耦合器另一侧的另一根处于自由状态。还包含第二光纤耦合器和第三光纤耦合器、第一光纤环和第二光纤环；其中第二光纤耦合器和第三光纤耦合器各自的一个入纤分别接相位调制器的一个出纤，第二光纤耦合器和第三光纤耦合器各自的一个出纤分别和第一光纤环和第二光纤环的两个入纤连接。

所述第一光纤环和第二光纤环的光纤长度比值为1∶3，渡越时间比值为1∶3，第一光纤环和第二光纤环的敏感轴相互垂直；所述第一光纤耦合器、第一光纤环和第二光纤环的分束比大小不影响系统正常工作，在分束比为1∶1时光学系统性能最佳。

二、一种双轴复用光纤陀螺的信号调制解调方法：

信号处理模块为相位调制器提供相位调制信号，对光电探测器输出的电信号进行采样，并根据采样得到的信号数值，根据解调方法进行解调从而获得两个轴向的角速度信号。

所述相位调制信号为由占空比为50％的零均值方波调制信号时延差分而成，方波调制信号的周期等于第一光纤环和第二光纤环的渡越时间之和，方波调制信号的峰峰值不等于所采用相位调制器半波电压的整数倍。

所述的采样方法如下：以方波调制信号为一个周期，并且从高电平开始等分为四个部分，分别为A、B、C和D，在每一步的中间进行采样，也即在方波调制信号上升沿开始后的1/8，3/8，5/8，7/8周期处采样，得到四个采样步各自的采样结果分别记为VA、VB、VC和VD。

所述解调方法是按照以下两式计算对应于第一光纤环和第二光纤环各自对应的角速度Rx和Ry：

Rx＝KSFx×asin[(VC-VA)/2I₁]

Ry＝KSFy×asin[(VD-VB)/2I₂]

式中KSFx和KSFy分别对应于第一光纤环和第二光纤环的标度因数，为赛格奈克相移和角速度之间的比例常数，预先通过转台标定可得，I₁和I₂为在第一光纤环和第二光纤环所对应的赛格耐克干涉仪在无转动情况下输出到光电探测器中的信号大小，其数值在光纤陀螺制作过程中得到，或者在光纤陀螺制作完成后预先测量得到，asin表示反正弦函数。

本发明具有的有益效果是：

本发明首次提出一种双轴复用光纤陀螺及其信号调制解调方法，该方法通过对光学系统的合理设计，通过增加两个光纤耦合器和一个光纤环，复用方法不需添加占成本主要部分的相位调制器、光源和光电探测器，从而使得每个轴向的角速度的检测成本下降接近原来的一半，有效的降低了光纤陀螺的等效成本，扩大了其在低成本系统中的应用，具有很高的应用价值。

附图说明

图1是双轴复用光纤陀螺的硬件配置示意图。

图2是第一光纤环所对应干涉仪的信号调制解调示意图。

图3是第二光纤环所对应干涉仪的信号调制解调示意图。

图4是两个干涉仪的信号的合成及信号调制解调示意图。

图中：1.光源，2.光电探测器，4.相位调制器，5.信号处理模块，3.第一光纤耦合器，6.第二光纤耦合器，7.第三光纤耦合器，8.第一光纤环，9.第二光纤环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括光源1、光电探测器2、第一光纤耦合器3、相位调制器4以及信号处理模块5，光源1的尾纤和光电探测器2分别接第一光纤耦合器3同一侧的光纤，第一光纤耦合器3另一侧一根尾纤接相位调制器4的入纤，第一光纤耦合器3另一侧的另一根处于自由状态。还包含第二光纤耦合器6和第三光纤耦合器7、第一光纤环8和第二光纤环9；其中第二光纤耦合器6和第三光纤耦合器7各自的一个入纤分别接相位调制器4的一个出纤，第二光纤耦合器6和第三光纤耦合器7各自的一个出纤分别和第一光纤环8和第二光纤环9的两个入纤连接。

所述第一光纤环8和第二光纤环9的光纤长度比值为1∶3，渡越时间比值为1∶3，第一光纤环8和第二光纤环9的敏感轴相互垂直；所述第一光纤耦合器3、第一光纤环8和第二光纤环9的分束比大小不影响系统正常工作，在分束比为1∶1时光学系统性能最佳。

图1是双轴复用光纤陀螺的硬件配置示意图，图中1为光源，可以采用光纤光源或者普通的超辐射发光二极管；光电探测器2，最常使用的PIN光电二极管；相位调制器4，典型的如电光相位调制器；信号处理模块5，其负责实现三个主要功能：采样光电探测器2的模拟信号，将其转换为数字信号、按照调制需求输出调制信号给相位调制器4，根据采样得到的数值，按照复用的调制解调方法进行解调，从而得到两个角速度信号；三个光纤耦合器3、6和7，一般采用的是2×2的光纤耦合器，第一光纤环8和第二光纤环9分别是两个不同的光纤环，并且第一光纤环8和第二光纤环9所采用的光纤的长度的比值为1∶3，所对应的渡越时间，也即光在光纤环中的传播时间的比值也为1∶3，第一光纤环8和第二光纤环9的敏感轴相互配置为垂直关系，如图中两个虚线所示。光纤环作为萨格耐克干涉仪的敏感环，第一光纤环8和第二光纤环9将分别实现将角速度信号转换为光相位信号。

在该光学系统中，复用的功能主要由光纤耦合器6、光纤耦合器7和光纤环9实现的。光源1的光经过第一光纤耦合器3进入相位调制器4，并在相位调制器4中受调制信号调制之后，通过第二光纤耦合器6和第三光纤耦合器7分别的进入第一光纤环8和第二光纤环9，在两个不同环中传播时候将包含了对应于各自敏感轴的转动信号，并且再次进入第三光纤耦合器7和第二光纤耦合器6，并从这两个耦合器的另外端口进入相位调制器，之后进入第一光纤耦合器3，传播之后到达光电探测器2，并且分别在光电探测器上实现光电转换为电信号。光电探测器接收到的信号为在第一光纤环8和第二光纤环9各自对应的干涉仪的输出信号的光强，也即两个干涉信号的叠加，在本发明是通过复用调制解调方法实现对于两个干涉信号的分离，并从中提取出对应于两个轴向的角速度信号。

图2是第一光纤环8所对应干涉仪的信号调制解调示意图，图中曲线21为调制波形，为周期等于第一光纤环8和第二光纤环9的渡越时间和，占空比为50％，均值为零，幅度峰峰值为VPP，可以采用不等于所采用的相位调制器半波电压整数倍的任意电平。考虑到实际应用情况，一般的是使得方波的峰峰值等于半波电压的一半，此时检测灵敏度最高，也即VPP等于相位调制器的半波电压一半；曲线22为调制波形21的时延信号，其等效于将曲线21在时间轴上向后平移一段等于第一光纤环8的渡越时间的值；曲线23是调制波形21的时延差分调制，其等于曲线21和曲线22的差值，这个是实际上对第一光纤环8中传播光的实际调制信号；并且在本发明中，由于调制周期等于第一光纤环8和第二光纤环9的渡越时间之和，并且两个渡越时间之比为1∶3，可以知道此时第一光纤环8对应的渡越时间为调制周期的1/4，第二光纤环9的渡越时间为调制周期的3/4，若将调制波形从高电平开始等分为4个部分，如图所示的A、B、C和D，时延调制信号23在一个调制周期这四个时间内分别为：VPP、0、-VPP和0；在无转动信号的情况下，此时对应于第一光纤环8的干涉仪的输出波形如曲线24所示，在A、B、C和D四个部分中的信号分别I₁、2I₁、I₁和I₁，2I₁为调制为零，也即无调制时候对应的输出光强，I₁为相位调制等于正负π/2时候的输出光强；在存在转动的情况下，转动角速度引入一个赛格耐克相移px，此时A、B、C和D各自的输出信号VAx、VBx、VCx和VDx分别为：

VAx＝I₁[1+cos(π/2+px)]＝I₁[1-sin(px)]

VBx＝I₁[1+cos(px)]

VCx＝I₁[1+cos(-π/2+px)]＝I₁[1+sin(px)]

VDx＝I₁[1+cos(px)]

此时其对应的信号如曲线25所示。

图3是第二光纤环9所对应干涉仪的信号调制解调示意图，图中曲线31为调制波形，和曲线21属于同一信号，周期等于第一光纤环8和第二光纤环9的渡越时间和，占空比为50％，均值为零，幅度VPP为不等于所采用的相位调制器半波电压峰峰值的整数倍的任意电平，考虑到实际应用情况，一般的是使得方波的峰峰值等于半波电压的一半，此时检测灵敏度最高，也即VPP等于相位调制器的半波电压一半；曲线32为调制波形31的时延信号，其等效于将曲线31在时间轴上向后平移一段等于第二光纤环9的渡越时间的值；曲线33是调制波形31的时延差分调制，其等于曲线31和曲线32的差值，这个是实际上对第二光纤环9中传播光的实际调制信号；并且在本发明中，由于调制周期等于第一光纤环8和第二光纤环9的渡越时间之和，并且两个渡越时间之比为1∶3，可以知道此时第一光纤环8对应的渡越时间为调制周期的1/4，第二光纤环9的渡越时间为调制周期的3/4；如图所示的，时延调制信号33在一个调制信号周期内的四个部分A、B、C和D这四个时间内分别为：0，VPP、0、和-VPP；在无转动信号的情况下，对应于第二光纤环9的干涉仪的输出波形如曲线34所示，在A、B、C和D四个部分中的信号分别I₂、2I₂、I₂和I₂，2I₂为调制为零，也即无调制时候对应的输出光强，I₂为相位调制等于正负π/2时候的输出光强；在存在转动的情况下，转动角速度引入一个赛格耐克相移py，此时A、B、C和D各自的输出信号VAy、VBy、VCy和VDy分别为：

VAy＝I₂[1+cos(py)]

VBy＝I₂[1+cos(π/2+py)]＝I₂[1-sin(py)]

VCy＝I₂[1+cos(py)]

VDy＝I₂[1+cos(-π/2+py)]＝I₂[1+sin(py)]

此时其对应的信号如曲线35所示。

图4是两个干涉仪的信号的合成及信号调制解调示意图，图2和图3分别是对应于两个垂直配置的第一光纤环8和第二光纤环9的干涉仪单独考虑下的信号，实际上在本发明中，由于采用双轴复用，两个干涉仪除了敏感头第一光纤环8和第二光纤环9是独立之外，其他的光学系统都是复用的，其信号也是按照同一路径传播，并且叠加在光电探测器上，从图2和图3的情况可以得到合成起来的干涉信号如图4所示。图4中曲线41和曲线43分别为在角速度为零的情况下，也即赛格耐克相移为零的情况下的输出信号，曲线42和曲线44分别为在角速度非零的情况下，也即赛格耐克相移非零的情况下的输出信号；曲线45为曲线41和曲线43之和，也是在复用系统中光电探测器上接收到的总信号，图中的情况为在角速度为零时候的信号，并且此时两个干涉仪的光信号强度I₁和I₂不同，若I₁和I₂相同，则此时输出为一直线。

考虑输出到光电探测器上的总信号，为两个干涉仪的信号之和，从而可以知道在一个周期内对应于四个不同时间段A、B、C和D的信号大小VA、VB、VC和VD分别可以表示为：

VA＝VAx+VAy＝I₁[1-sin(px)]+I₂[1+cos(py)]

VB＝VBx+VBy＝I₁[1+cos(px)]+I₂[1-sin(py)]

VC＝VCx+VCy＝I₁[1+sin(px)]+I₂[1+cos(py)]

VD＝VDx+VDy＝I₁[1+cos(px)]+I₂[1+sin(py)]

信号处理模块控制5其内部的采样电路，使其对每一个时间段进行采样，采样为每一个时间段的中点，也即是在一个周期的1/8、3/8、5/8、7/8处，则得到这四个不同时间段的信号大小VA、VB、VC和VD，则按照下式进行解调，可以得到对应于两个方向的角速度所产生赛格耐克相移px和py分别为：

px＝asin[(VC-VA)/2I₁]

py＝asin[(VD-VB)/2I₂]

式中asin表示反正弦函数，I₁和I₂分别决定于两个光纤环对应的干涉仪最终输出到光电探测器的信号强度，是在制作过程中可以通过功率计得到的常数，或者可以通过预先测试得到，根据两个赛格耐克干涉仪各自的标度因数KSFx和KSFy(预先通过转台标定)，可以得到两个轴向的角速度大小Rx和Ry分别为：

Rx＝px×KSFx＝KSFx×asin[(VC-VA)/2I₁]

Ry＝py×KSFy＝KSFy×asin[(VD-VB)/2I₂]

KSFx和KSFy为比例常数，对于制作完成的系统，为一固定常数，一般在光纤陀螺生产完成之后，利用转台预先进行标定而得，而其中asin表示的是正弦信号。

Claims (3)

1.一种双轴复用光纤陀螺，包括光源(1)、光电探测器(2)、第一光纤耦合器(3)、相位调制器(4)以及信号处理模块(5)，光源(1)的尾纤和光电探测器(2)分别接第一光纤耦合器(3)同一侧的光纤，第一光纤耦合器(3)另一侧一根尾纤接相位调制器(4)的入纤，第一光纤耦合器(3)另一侧的另一根处于自由状态；其特征在于：还包含第二光纤耦合器(6)和第三光纤耦合器(7)、第一光纤环(8)和第二光纤环(9)；其中第二光纤耦合器(6)和第三光纤耦合器(7)各自的一个入纤分别接相位调制器(4)的一个出纤，第二光纤耦合器(6)的两个出纤分别与第一光纤环(8)和第二光纤环(9)的一个入纤连接；第三光纤耦合器(7)的两个出纤分别与第一光纤环(8)和第二光纤环(9)的另一个入纤连接；所述第一光纤环(8)和第二光纤环(9)的光纤长度比值为1∶3，渡越时间比值为1∶3，第一光纤环(8)和第二光纤环(9)的敏感轴相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种双轴复用光纤陀螺，其特征在于：所述第一光纤耦合器(3)、第一光纤环(8)和第二光纤环(9)的分束比大小不影响系统正常工作，在分束比为1∶1时光学系统性能最佳。

3.用于权利要求1所述的一种双轴复用光纤陀螺的信号调制解调方法，信号处理模块为相位调制器提供相位调制信号，对光电探测器输出的电信号进行采样，并根据采样得到的信号数值，根据解调方法进行解调从而获得两个轴向的角速度信号；

所述相位调制信号为由占空比为50％的零均值方波调制信号时延差分而成，方波调制信号的周期等于第一光纤环和第二光纤环的渡越时间之和，方波调制信号的峰峰值不等于所采用相位调制器半波电压的整数倍；其特征在于：

所述的采样方法如下：将方波调制信号的一个周期，从高电平开始等分为四个部分，分别为A、B、C和D，在每一步的中间进行采样，也即在方波调制信号上升沿开始后的1/8，3/8，5/8，7/8周期处采样，得到四个采样步各自的采样结果分别记为VA、VB、VC和VD；

所述解调方法是按照以下两式计算对应于第一光纤环和第二光纤环各自对应的角速度Rx和Ry：

Rx＝KSFx×asin[(VC-VA)/2I₁]

Ry＝KSFy×asin[(VD-VB)/2I₂]

式中KSFx和KSFy分别对应于第一光纤环和第二光纤环的标度因数，为赛格奈克相移和角速度之间的比例常数，预先通过转台标定可得，I₁和I₂为在第一光纤环和第二光纤环所对应的赛格耐克干涉仪在无转动情况下输出到光电探测器中的信号大小，其数值在光纤陀螺制作过程中得到，或者在光纤陀螺制作完成后预先测量得到，asin表示反正弦函数。

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