CN101706278B - 一种可监控光功率大小的调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可监控光功率大小的调制解调方法。通过具有特定性质的相位调制信号对光纤陀螺进行周期调制，采样对应的输出信号，并按照预先设定的解调公式得到和光功率无关的萨格奈克相位差和系统中光功率的解调结果，从而实现对光功率的监控。所采用的相位调制信号含A、B、C和D四个部分，其中A、B调制相位的绝对值相同符号相反，C、D调制相位绝对值相同符号相反，通过采样电路采样这四个不同调制相位下光纤陀螺的输出信号，根据已知公式实现萨格奈克相位差解调和光功率监控，该方法不需增加或改变现有硬件，通过合理的调制解调方法以实时监控光纤陀螺的工作状态，从而提高其应用系统的可靠性，具有很强的应用和推广价值。

Description

一种可监控光功率大小的调制解调方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺信号处理方法，尤其是涉及一种可监控光功率大小的调制解调方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型角速率测量仪，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萨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大小的萨格奈克相位差(也常称为萨格奈克相移或萨格奈克相位)，通过检测该相位差，结合预先测量得到的标度因数可以推算得到环形干涉仪所在系统的角速度，而标度因数一般在光纤陀螺制作完毕之后通过转台标定而得，是一个常数，所以只需要检测得到萨格奈克相位差，则结合标度因数的大小则立刻可得到相应的角速度的大小。萨格奈克相位差φ_Sag和系统角速率Ω的关系如下：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Sag}}=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λ\λc}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

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。

光相位无法直接测量，需要通过干涉转换为光强测量，常通过对萨格奈克干涉仪添加一个±π/2的方波相位调制，以同时检测角速度的方向和大小，并达到最大的灵敏度，此时的光纤陀螺输出强度信号应该表示为：

式中I₀是正比于系统中光源光功率信号大小的一个参数，在理想状态下为一恒定的常数，而I则为光电探测器接收到的实际光功率大小，也是能够测量得到的量，I₊和I_-分别对应于方波相位调制的正半周期和负半周期的光纤陀螺输出信号。利用这两个半周期信号进行计算可以得到萨格奈克相位差为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Sag}}=a\sin \left(\frac{I_{-}-I_{+}}{2I_0}\right)---\left(3\right)$

式中asin表示反正弦函数，I₊和I_-为采集得到的陀螺输出信号，在理想情况下表征光功率大小的值I₀为常数，从而利用该式可解调得到系统的萨格奈克相位差，结合预先标定得到的标度因数，可以获得角速度信号。

但实际中由于所使用的光源，特别是超辐射发光二极管SLD，存在长时间功率衰减的问题，从而使得I₀实际是一个变化量，特别是长时间的应用场合中I₀可能随时间而逐渐下降，从而导致了按照式(3)中解调方法解调出来的结果偏移实际角速度；并且对于应用系统而言，若能实时监控光纤陀螺中的光功率，则能够间接地监控系统工作的状况，在必要的时候能够根据所监测的光功率信号进行故障甄别，以提高应用系统的可靠性。

现有对于光功率的监测方法，是利用增加一个光电探测器在光纤陀螺中光纤耦合器的一端进行监控，这种做法主要存在两个弊端：首先监控的并不是实际干涉仪中的光传播信号的功率，其次需要增加一套光电探测光路和电路，器件的增加既增加了整体成本，又复杂化系统而引入额外的不可靠性。

发明内容

鉴于现有光纤陀螺存在对既能实时监测光功率，又能实现萨格奈克相位差的光强无关的调制解调方法的需求的现状，本发明的目的在于提供一种可监控光功率大小的调制解调方法，通过合理设计调制解调方案，实现对萨格奈克相位差的功率无关解调和光功率的解调，从而对系统中光功率进行的监控，从而提高应用系统的可靠性。并且不增加成本。

本发明的发明原理是：

对导航定位系统而言，可靠性指标是最重要的指标之一，提高系统的可靠性要求能够对系统中主要组成部分的特征参数进行实时监控，并根据这些特征参数的异常变化情况采取相应的措施，如隔离或者复位，从而提高整个系统的可靠性。光纤陀螺作为导航定位系统中最重要的传感器，需要对其进行参数监控，其中最重要的参数为光源在干涉仪中传播的光信号强弱，这体现在最终到达光电探测器上的光信号的平均功率上。本发明的思想是通过设计合适的调制解调策略，在不需增加硬件的条件下实现对于这光功率信号的监控。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

本发明按照预先选定的特定相位调制信号对光纤陀螺进行相位调制，并采样光纤陀螺在该相位调制信号下的输出信号，根据采样得到的信号，按照预先设计好的特定解调策略进行解调，从而得到和光强无关的萨格奈克相位差和角速度大小，同时解调得到光功率信号的大小，从而实现对光功率的监控。

所述特定相位调制信号包括四个不同的调制相位A、B、C、D，各个调制相位持续时间等于光纤陀螺的渡越时间，其中A和B的调制相位绝对值相同，记为M1，符号相反，C和D的调制相位绝对值相同，记为M2，符号相反；并且M1和M2大小不同，都不等于π相位的整数倍。

所述的特定解调策略是对对应于相位调制信号调制下的光纤陀螺输出信号进行采样，得到对应于A、B、C和D调制相位的光纤陀螺输出信号分别记为SA、SB、SC和SD，并按照以下式子解调计算得到萨格奈克相位差PS以及光功率信号I的大小：

$\mathrm{PS}=\mathrm{atg}(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}\×\frac{\cos M2-\cos M1}{\mathrm{snM}2+\sin M1})$

$I=\frac{1}{2}{[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\cos M2-\cos M1}\right)}^2+[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\sin M2+\sin M1}\right)}^2]}^{1/2}$

式中atg表示反正切函数，cos表示余弦函数，sin表示正弦函数，而PS和I的信号无关，从而实现了萨格奈克相位差的光强无关解调，并根据解调得到的光功率信号I监控系统中的光功率大小。

通过使M1+M2＝π，M1＝π/2-M，M2＝π/2+M，M为一常数的方法，使得解调过程简单化，同时获得最佳的解调性能，此时的萨格奈克相位差和光功率I的解调方程如下：

$\mathrm{PS}=-\mathrm{atg}(\mathrm{tgM}\×\frac{\mathrm{SD}-\mathrm{SC}+\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}})$

$I=\frac{1}{4}{[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\sin M}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\cos M}\right)}^2]}^{1/2}$

式中tg、atg、cos和sin分别表示正切、反正切、正弦和余弦函数。

本发明具有的有益效果是：

首次提出一种可监控光功率大小的调制解调方法，该方法通过对调制解调方法进行合理设计，通过具有四个调制相位的特殊相位调制信号进行调制，并按照预先设定的解调方案同时实现对萨格奈克相位差的功率无关解调以及对干涉仪中到达光电探测器光功率大小的监控，该方法不需增加额外器件，在相同的成本下提高了应用系统的可靠性，具有重要的应用价值和推广价值。

附图说明

附图是调制解调过程的示意图。

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：

如附图调制解调过程的示意图，图中曲线11为相位调制信号，曲线11和常用的方波信号不同，但有一定的类似，相位调制信号11为一周期信号，其内部包括四个调制相位，每个调制相位的持续时间相同，都等于光纤陀螺的渡越时间，如图中的A、B、C和D，并且A和B的调制相位的绝对值相同，为M1，符号相反；C和D的调制相位的绝对值相同，为M2，符号相反，但M1和M2大小不等，并且都不等于π相位的整数倍，以免光纤陀螺输出零光强而无法进行解调。尽管M1、M2只需满足以上条件，但在实际运行中，为了简化解调算法，一般是采取使得两者和为π相位，此时解调最简单，既能减小计算量，同时还能够获得最佳的性能。曲线12和曲线13分别是光纤陀螺在相位调制信号11的相位调制下，在静态下(角速度为零)和动态下(角速度非零)下的输出信号的情况。在静态下，根据萨格奈克干涉仪的余弦响应性质可知，光纤陀螺在A、B调制相位的输出信号相同，都为V1，在C、D的输出信号也相同，都为V2；在动态下，角速度产生了萨格奈克相位差，并叠加在调制相位之上，从而使得的光纤陀螺的输出信号在A、B部分的输出信号分别偏移V1，并且两者的偏移方向相反，而同样的，光纤陀螺的输出信号在C、D部分的输出信号分别偏移V2，偏移方向相反，通过光纤陀螺中的采样电路在A、B、C和D对光纤陀螺的输出信号进行采样，得到对应的信号强度大小分别记为SA、SB、SC和SD，理论上这四个采用信号和光纤陀螺输出到光电探测器的平均光强I，调制相位M1、M2，以及萨格奈克相位差PS之间的关系分别满足以下函数关系：

SA＝I(1+cosM1cosPS-sinM1sinPS)

SB＝I(1+cosM1cosPS+sinM1sinPS)

SC＝I(1+cosM2cosPS-sinM2sinPS)

SD＝I(1+cosM2cosPS+sinM2sinPS)

结合以上关系，可按照以下式子解调计算得到萨格奈克相位差PS以及光功率信号I的大小：

$\mathrm{PS}=\mathrm{atg}(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}\×\frac{\cos M2-\cos M1}{\sin M2+\sin M1})$

$I=\frac{1}{2}{[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\cos M2-\cos M1}\right)}^2+[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\sin M2+\sin M1}\right)}^2]}^{1/2}$

式中tg、atg、cos和sin分别表示正切函数、反正切函数，余弦和余弦函数。在满足M1+M2＝π的条件下，可令M1＝π/2-M，M2＝π/2+M，M为一常数，则：sinM1＝sinM2＝cosM，cosM1＝-comM2＝sinM，上式可简化为：

$\mathrm{PS}=-\mathrm{atg}(\mathrm{tgM}\×\frac{\mathrm{SD}-\mathrm{SC}+\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}})$

$I=\frac{1}{4}\×{[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\sin M}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\cos M}\right)}^2]}^{1/2}$

这两个式子联合起来可以实现萨格奈克相位差的解调，结合预先标定的光纤陀螺的标度因数，可以得到对应的角速度大小，同时可以根据I的解调结果实现对系统中光功率的实时监控。并且由于A、B、C和D都是和光强I成正比的量，而PS的表示中为这几个量的简单数学运算的比值，从而即使I有所波动，其等比的影响到SA、SB、SC和SD，而由于PS的解调方程中和采样结果相关的项(SD-SC+SB-SA)/(SD+SC-SB-SA)为他们的比值，光功率I的波动最终对PS解调结果影响的综合效果相互抵消，从而能够实现和I无关的萨格奈克相位差解调，也即该解调方法和系统中的光强无关，而对于I的解调结果则能够提供给应用系统等，以作为其对于光纤陀螺中光功率的监控信号，并作为系统工作状态的一个监控信号，提高整系统的可靠性。

Claims (2)

1.一种可监控光功率大小的调制解调方法，其特征在于：按照预先选定的特定相位调制信号对光纤陀螺进行相位调制，并采样光纤陀螺在该相位调制信号下的输出信号，根据采样得到的信号，按照预先设计好的特定解调策略进行解调，从而得到和光强无关的萨格奈克相位差和角速度大小，同时解调得到光功率信号的大小，从而实现对光功率的监控；

所述特定相位调制信号包括四个不同的调制相位A、B、C、D，各个调制相位持续时间等于光纤陀螺的渡越时间，其中A和B的调制相位绝对值相同，记为M1，符号相反，C和D的调制相位绝对值相同，记为M2，符号相反；并且M1和M2大小不同，都不等于π相位的整数倍；

所述的特定解调策略是对对应于相位调制信号调制下的光纤陀螺输出信号进行采样，得到对应于A、B、C和D调制相位的光纤陀螺输出信号分别记为SA、SB、SC和SD，并按照以下式子解调计算得到萨格奈克相位差PS以及光功率信号I的大小：

$\mathrm{PS}=\mathrm{atg}(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}\×\frac{\cos M2-\cos M1}{\sin M2+\sin M1})$

$I=\frac{1}{2}{[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\cos M2-\cos M1}\right)}^2+[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\sin M2+\sin M1}\right)}^2]}^{1/2}$

式中atg表示反正切函数，cos表示余弦函数，sin表示正弦函数，而PS和I的信号无关，从而实现了萨格奈克相位差的光强无关解调，并根据解调得到的光功率信号I监控系统中的光功率大小。

2.根据权利要求1所述的一种可监控光功率大小的调制解调方法，其特征在于：通过使M1+M2＝π，并记M1＝π/2-M，M2＝π/2+M，M为一常数的方法，使得解调过程简单化，同时获得最佳的解调性能，此时的萨格奈克相位差和光功率I的解调方程如下：

$\mathrm{PS}=-\mathrm{atg}(\mathrm{tgM}\×\frac{\mathrm{SD}-\mathrm{SC}+\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}})$

$I=\frac{1}{4}\×{[{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SC}-\mathrm{SB}-\mathrm{SA}}{\sin M}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{SD}+\mathrm{SB}-\mathrm{SC}-\mathrm{SA}}{\cos M}\right)}^2]}^{1/2}$

式中tg、atg、cos和sin分别表示正切、反正切、正弦和余弦函数。

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