CN102944232A - 一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置及在线对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置及在线对准方法，装置包括反馈放大调制单元、干涉输出单元、以及同时与反馈放大调制单元和干涉输出单元连接的逻辑控制芯片、与逻辑控制芯片连接的晶振、以及与逻辑控制芯片连接的计算机系统。所述方法步骤包括：A、产生阶梯式变化的调制波形，B、光纤敏感环路干涉输出，C、计算机系统接收处理，D、产生缓慢精细变化的调制波形，E、光纤敏感环路输出，F、计算机系统接收、判断，以及G、调制精对准。本发明优点是：能对采样数据的双极值进行精确扫描锁定、处理，达到调制电压的精确对准的目的；采用数字最低有效位累加的调制电压输出方式，精确度达到陀螺工作时的极限。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线对准装置及在线对准方法，尤其是涉及一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置及在线对准方法。
背景技术
光纤陀螺与传统的机械陀螺相比，无任何运动部件，结构相对简单、重量轻、启动快、灵敏度高、动态范围宽、可靠性高、可直接采用数字输出，在机动载体和军事上的应用十分理想。与环形激光陀螺相比，光纤陀螺不需要光学镜片的高精密加工、光腔的严格密封和机械偏置技术，有效克服了激光陀螺的闭锁现象。作为新型高性能惯性仪表，光纤陀螺代表了未来高精度陀螺仪表的发展方向。
在采用数字闭环信号处理的中高精度光纤陀螺中，用到一个非常关健的相位调制器件——铌酸锂多功能集成光学器件（Multifunction Integrated Optical Components，简称MIOC）。MIOC集分束/合束、起偏/检偏、相位调制三种功能于一体，光纤陀螺利用MIOC对光波进行相位反馈实现闭环。通过在MIOC电极上输入一定的电压调制信号，使光波产生与电信号成比例的相位差，用来抵消由于Sagnac效应所产生的相位差。由调制电场导致波导中传输的光波产生的相位差为：
式中：
为调制电场，单位V/m；
为铌酸锂晶体主轴方向的折射率；
为铌酸锂晶体的电-光张量系数；
为铌酸锂晶体光波导的长度，单位是m；
为在波导中传输光波的波长，单位是μm。外加电压与相位差是线性关系。对应于
时的调制电压称为MIOC的半波电压，在光纤陀螺中，通过MIOC的半波电压来求调制系数，并将该系数标定于整个器件，在其它相位点都通过该系数来调整加到电极上的电压值。相位调制电压的对准情况是影响高精度陀螺标度因数线性度的关健，差的调制电压对准会导致陀螺出现漂移。
目前常用的半波电压测量系统是利用铺开的光纤陀螺光路，通过更换被测MIOC实现对每个器件的标定。依据是光纤陀螺的调制输出响应：
根据上式，当相位差
为
时，干涉光功率有最小值。测量时，利用光纤环圈本征频率一半的方波电信号作用在MIOC推挽调制电极上，从0开始逐渐向大调节方波幅值
，当干涉光功率输出或探测器输出最低时，调制幅度即对应MIOC的半波电压。这种测量方法存在的问题是：①忽略了MIOC固有相位差
和地球转速产生的相位差
的影响；②MIOC对于不同的陀螺光源和敏感环路，其调制系数并不完全一致；③将MIOC固定封装在光纤陀螺内部后，会因为调制电极板变形、温度场分布变化等因素导致调制系数发生变化；④以测试标称值为标准，测试仪表误差会带入到陀螺系统中，使调制电压不准确。
发明内容
本发明主要目的是解决现有技术所存在的问题，提供一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，是消除地球转速、MIOC固有相位调制和固化封装对半波电压测量的影响的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置。该装置是利用每只封装完成的光纤陀螺本身的光路和电路进行调制电压对准，不需搭建专门的测试和调整系统，能对采样数据的双极值进行精确扫描锁定、处理，达到调制电压的精确对准的目的；采用数字最低有效位累加的调制电压输出方式，精确度达到陀螺工作时的极限。
本发明另一个目的是解决现有技术所存在的问题，提供了一种用本发明装置进行的光纤陀螺调制电压的在线对准方法。
本发明的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置技术方案是：
一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，包括与光纤陀螺敏感环路连接的反馈放大调制单元、与光纤陀螺敏感环路连接的干涉输出单元、以及同时与反馈放大调制单元和干涉输出单元连接的逻辑控制芯片、与逻辑控制芯片连接的晶振、以及与逻辑控制芯片连接的计算机系统。
在上述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，所述的逻辑控制芯片包括存在逻辑联系的滤波及采样模块、计数模块以及方波发生模块；上述反馈放大调制单元与所述方波发生模块连接；上述干涉输出单元与所述滤波及采样模块连接；上述晶振与所述计数模块连接；所述计数模块和滤波及采样模块还同时与上述计算机系统连接。
在上述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，所述光纤陀螺敏感环路包括宽谱光源、光纤耦合器、被测相位调制器、光纤环圈以及PIN-FET光接收组件；宽谱光源与光纤耦合器的一个输入端相连，被测相位调制器的输入端与光纤耦合器的输出端相连，被测相位调制器的输出端与光纤环圈相连，PIN-FET光接收组件与光纤耦合器的另一个输入端相连。
在上述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，所述反馈放大调制单元包括依次连接的D/A转换器和功放，所述功放与被测相位调制器的调制电极连接，其中，D/A转换器采用外部参考源。
在上述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，所述的干涉输出单元包括一个A/D转换器，所述A/D转换器分别与PIN-FET光接收组件以及滤波及采样模块连接。
用本发明装置进行光纤陀螺调制电压的在线对准方法技术方案包括如下步骤：
A、产生阶梯式变化的调制波形：编程实现方波发生模块，产生幅度随时间阶梯式变化的调制波形；
B、光纤敏感环路干涉输出：调制作用使光纤敏感环路干涉输出为调制幅度的余弦响应；
C、计算机系统接收处理：计算机系统接收处理后的干涉输出，并对双极值区域进行锁定；
D、产生缓慢精细变化的调制波形：针对锁定区域，产生幅度随时间缓慢精细变化的调制波形；
E、光纤敏感环路输出：光纤敏感环路干涉输出；
F、计算机系统接收、判断：计算机系统接收，并对双极值区域进行判断；
G、调制精对准：根据结果，调整反馈数字信号区间和D/A转换器外部参考源。
所述的光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其步骤A中所述的方波为：发生模块产生占空比为1:1，周期为陀螺环路的渡越时间2倍，幅值变化至少包含0 ~2
相位。
所述的光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其步骤A中及步骤D中的方波每次上升幅度为数字输出的最小值，或较小值。
所述的光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其步骤D中的方波幅值变化比步骤A中的方波幅值变化缓慢。
本发明具有如下优点：1.从理论和操作方法上消除了地球转速、MIOC固有相位调制和固化封装对半波电压测量的影响；2.利用每只封装完成的光纤陀螺本身的光路和电路进行调制电压对准，不需搭建专门的测试和调整系统；3.方法中的调制波形和数据输出均由逻辑处理单元给出，仅需改变信号处理电路的逻辑控制程序即可实现MIOC调制标准值的精确测量；4.采用数字最低有效位累加的调制波形输出方式，精确度达到陀螺工作时的极限。
附图说明
图1为本发明中光纤陀螺敏感环路构成示意图。
图2为本发明中调制波形随时间序列的变化。
图3为本发明的结构原理示意图。
图4为本发明中敏感环路干涉仪调制响应输出曲线。
图5为采用本发明的装置进行光纤陀螺调制电压在线对准的方框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：如附1-4所示是本发明的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置的实施例，所述装置它包括与光纤陀螺敏感环路连接的反馈放大调制单元、与光纤陀螺敏感环路连接的干涉输出单元、以及同时与反馈放大调制单元和干涉输出单元连接的逻辑控制芯片、与逻辑控制芯片连接的晶振、以及与逻辑控制芯片连接的计算机系统。所述的逻辑控制芯片包括依次连接的滤波及采样模块、计数模块以及方波发生模块；上述反馈放大调制单元与所述方波发生模块连接；上述干涉输出单元与所述滤波及采样模块连接；上述晶振与所述计数模块连接；所述计数模块和滤波及采样模块还同时与上述计算机系统连接。所述光纤陀螺敏感环路包括宽谱光源、光纤耦合器、被测相位调制器、光纤环圈以及PIN-FET光接收组件；宽谱光源与光纤耦合器的一个输入端相连，被测相位调制器的输入端与光纤耦合器的输出端相连，被测相位调制器的输出端与光纤环圈相连，PIN-FET光接收组件与光纤耦合器的另一个输入端相连。所述反馈放大调制单元包括依次连接的D/A转换器和功放，所述功放与上述被测相位调制器的调制电极连接，其中，D/A转换器采用外部参考源。所述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，其特征在于，所述的干涉输出单元包括一个A/D转换器，所述A/D转换器分别与PIN-FET光接收组件以及滤波及采样模块连接。
实施例2：如附5所示是用本发明装置进行光纤陀螺调制电压的在线对准方法的实施例，所述方法其步骤如下：
A、产生阶梯式变化的调制波形：编程实现方波发生模块，产生幅度随时间阶梯式变化的调制波形；
B、光纤敏感环路干涉输出：调制作用使光纤敏感环路干涉输出为调制幅度的余弦响应；
C、计算机系统接收处理：计算机系统接收处理后的干涉输出，并对双极值区域进行锁定；
D、产生缓慢精细变化的调制波形：针对锁定区域，产生幅度随时间缓慢精细变化的调制波形；
E、光纤敏感环路输出：光纤敏感环路干涉输出；
F、计算机系统接收、判断：计算机系统接收，并对双极值区域进行判断；
G、调制精对准：根据结果，调整反馈数字信号区间和D/A转换器外部参考源。
上述步骤A中所述的方波为：发生模块产生占空比为1:1，周期为陀螺环路的渡越时间2倍，幅值变化至少包含0 ~2
相位。步骤A中及步骤D中的方波每次上升幅度为数字输出的最小值，或较小值。步骤D中的方波幅值变化比步骤A中的方波幅值变化缓慢。
对本发明技术方案及原理和效果再作综合说明如下：
（1）本发明针对的对象是装配、固化封装完成的光纤陀螺敏感环路和数字信号处理电路。其中，光纤陀螺敏感环路至少包含宽谱光源、光纤耦合器、被测MIOC、光纤环圈、PIN-FET光接收组件，如图1所示；数字信号处理电路包括与光纤陀螺敏感环路连接的反馈放大调制单元、与光纤陀螺敏感环路连接的干涉输出单元、以及同时与反馈放大调制单元和干涉输出单元连接的逻辑控制芯片、与逻辑控制芯片连接的晶振、以及与逻辑控制芯片连接的计算机系统；逻辑控制芯片包括逻辑上相连接的滤波及采样模块、计数模块以及方波发生模块；上述反馈放大调制单元与所述方波发生模块连接；上述干涉输出单元与所述滤波及采样模块连接；上述晶振与所述计数模块连接；所述计数模块和滤波及采样模块还同时与上述计算机系统连接。反馈放大调制单元包括依次连接的D/A转换器和功放，所述功放与上述被测相位调制器的调制电极连接。干涉输出单元包括一个A/D转换器，所述A/D转换器分别与PIN-FET光接收组件以及滤波及采样模块连接。其中，D/A转换器采用外部参考源。光纤敏感环路的干涉光信号经过光电探测器转换成电信号，再经A/D转换和数字逻辑处理单元进行信号输出。同时，数字逻辑处理单元和反馈控制单元通过MIOC调制电极对光路施加相位调制和闭环反馈控制。
（2）由数字逻辑处理单元产生占空比为1:1，周期为陀螺环路的渡越时间2倍的数字方波，以MIOC调制系数的标称值为标准，调整D/A反馈控制模块，数字方波初始值设定为
相位；对于没有标称值的MIOC，可利用背景技术一节中干涉功率最小值法给出调制系数粗略值。
（3）数字方波
调制电压开始，每20ms增加一次幅值，每次增加的1 LSB，其最大幅度为
调制电压，如图2所示。与此同时，利用陀螺本身的信号处理电路对敏感环路干涉仪输出直流部分进行采样和数字输出，输出数据中还包含计数部分，通过计算机数据接收软件接收并解算出干涉仪的直流输出部分和对应的计数部分，如图3所示。
（4）利用MATLAB软件绘制对应的干涉仪输出曲线和调制电压幅度曲线（通过计数值算出），对直流输出的采样数据双极值区域进行快速判断，其中，干涉仪响应输出曲线应与图4相近。
（5）以输出极大值、极小值为中心，各取100个调制电压阶梯值，利用数字逻辑处理单元输出，从低电压开始，调制电压每10s变化一次，同时，通过计算机数据接收软件接收并解算出干涉仪的直流输出部分和对应的计数部分。
（6）同样利用MATLAB软件绘制对应的干涉仪输出和调制幅度关系曲线，对采样数据的双极值进行精确扫描锁定，最大值和最小值之间对应的数字信号幅度差值即对应调制相位为的标准电压。
（7）以此响应曲线和电压值为标准，调整陀螺反馈的数字信号和D/A转换器外部参考源，达到调制电压精对准的目的。本过程并不关心半波电压的实际测量值，而通过信号处理电路给出数字逻辑值判定。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
Claims (9)
1.一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，其特征在于，包括与光纤陀螺敏感环路连接的反馈放大调制单元、与光纤陀螺敏感环路连接的干涉输出单元、以及同时与反馈放大调制单元和干涉输出单元连接的逻辑控制芯片、与逻辑控制芯片连接的晶振、以及与逻辑控制芯片连接的计算机系统。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，其特征在于，所述的逻辑控制芯片包括依次连接的滤波及采样模块、计数模块以及方波发生模块；上述反馈放大调制单元与所述方波发生模块连接；上述干涉输出单元与所述滤波及采样模块连接；上述晶振与所述计数模块连接；所述计数模块和滤波及采样模块还同时与上述计算机系统连接。
3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，其特征在于，所述光纤陀螺敏感环路包括宽谱光源、光纤耦合器、被测相位调制器、光纤环圈以及PIN-FET光接收组件；宽谱光源与光纤耦合器的一个输入端相连，被测相位调制器的输入端与光纤耦合器的输出端相连，被测相位调制器的输出端与光纤环圈相连，PIN-FET光接收组件与光纤耦合器的另一个输入端相连。
4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，其特征在于，所述反馈放大调制单元包括依次连接的D/A转换器和功放，所述功放与上述被测相位调制器的调制电极连接，其中，D/A转换器采用外部参考源。
5.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺调制电压的在线对准装置，其特征在于，所述的干涉输出单元包括一个A/D转换器，所述A/D转换器分别与PIN-FET光接收组件以及滤波及采样模块连接。
6.一种用权利要求1所述装置进行光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、产生阶梯式变化的调制波形：编程实现方波发生模块，产生幅度随时间阶梯式变化的调制波形；
B、光纤敏感环路干涉输出：调制作用使光纤敏感环路干涉输出为调制幅度的余弦响应；
C、计算机系统接收处理：计算机系统接收处理后的干涉输出，并对双极值区域进行锁定；
D、产生缓慢精细变化的调制波形：针对锁定区域，产生幅度随时间缓慢精细变化的调制波形；
E、光纤敏感环路输出：光纤敏感环路干涉输出；
F、计算机系统接收、判断：计算机系统接收，并对双极值区域进行判断；
G、调制精对准：根据结果，调整反馈数字信号区间和D/A转换器外部参考源。
7.根据权利要求6所述的光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其特征在于，步骤A中所述的方波为：发生模块产生占空比为1:1，周期为陀螺环路的渡越时间2倍，幅值变化至少包含0 ~2 相位。
8.根据权利要求7所述的光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其特征在于，步骤A中及步骤D中的方波每次上升幅度为数字输出的最小值，或较小值。
9.根据权利要求8所述的光纤陀螺调制电压的在线对准方法，其特征在于，步骤D中的方波幅值变化比步骤A中的方波幅值变化缓慢。
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