CN103411601A

CN103411601A - 一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法

Info

Publication number: CN103411601A
Application number: CN2013103125894A
Authority: CN
Inventors: 宋凝芳; 徐小斌; 滕飞; 金靖; 张春熹; 安明花; 肖智
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: CN103411601B

Abstract

本发明公开了一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法，由第一探测器和第二探测器接收偏振分束器输出端的光信号，将保偏光纤快、慢轴中的光信号分别转换成电信号，分别经放大滤波处理后输入到两个A/D转换器中，分别经过两个A/D转换器转换为数字信号，输入FPGA；FPGA生成的调制器控制信号通过D/A转换器转化为模拟信号，再经过调制器驱动进行信号调整后驱动双折射式相位调制器，利用双折射式相位调制器实现第一路陀螺的闭环检测，同时将第一路陀螺的检测结果反馈回第二路陀螺，此时第二路陀螺的解算结果即为完成了光路差分后的最终输出。本发明实现了差分双干涉式光纤陀螺的光路高精度差分检测，提高了差分型双干涉光纤陀螺的互易性。

Description

一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法

技术领域

本发明涉及一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范围大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各领域。

国际上通用的光纤陀螺形式为单干涉式，即利用一套光路（一个保偏光纤环）的快轴或者慢轴实现SAGNAC干涉仪，通过分别按照顺时针（CW）、逆时针（CCW）传播的两束主波列之间的干涉来解算载体转动导致的SAGNAC相移。这种干涉仪虽然结构简单，但是随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，其体积、重量与精度之间的矛盾日益突出，以现有的技术和工艺水平，在维持精度的前提下，进一步减小体积、重量很难实现突破，反之亦然。

差分双干涉式光纤陀螺仪是在一套光路（一个保偏光纤环）中，利用其快轴和慢轴分别实现一个SAGNAC干涉仪，这两路干涉仪的输出呈现差分形式，经过差分解算以后，SAGNAC效应得到加倍。目前，差分双干涉式光纤陀螺仪采用的是电路差分检测方案，由于差分双干涉式光纤陀螺仪的互易性建立在精确差分的基础上，所以为了保证陀螺的互易性，需要保证两路检测电路的参数一致性，而这在实际中是很难实现的，这就会使得差分双干涉式光纤陀螺抑制环境扰动的能力下降。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺调制解调方法，可以实现差分双干涉式光纤陀螺的高精度光路差分检测。

本发明提供的调制解调方法，具体为：

第一探测器和第二探测器接收偏振分束器输出端的光信号，将保偏光纤快、慢轴中的光信号分别转换成电信号，分别经放大滤波处理后输入到两个A/D转换器中，分别经过A/D转换器转换为数字信号，输入FPGA。FPGA实现数字信号的解调和调制器控制信号的生成，生成的调制器控制信号通过D/A转换器转化为模拟信号，再经过调制器驱动进行信号调整后驱动双折射式相位调制器，利用双折射式相位调制器对不同偏振态光波的不同调制，实现第一路陀螺A的闭环检测，同时将第一路陀螺A的检测结果利用双折射调制器反馈回第二路陀螺B，将其从第二路陀螺B的输出信号中减去，此时第二路陀螺B的解算结果(由FPGA给出)即为完成了光路差分后的最终输出。

一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺调制解调方法的实现装置，包括偏振分束器、第一探测器、第二探测器、双折射相位调制器、A/D转换器A、A/D转换器B、放大滤波单元A、放大滤波单元B、FPGA、D/A转换器和调制器驱动；

偏振分束器两个输出端分别与第一探测器的输入端和第二探测器的输入端相连，第一探测器的输出端与放大滤波单元A的输入端相连，第二探测器的输出端与放大滤波单元B的输入端相连，放大滤波单元A的输出端与A/D转换器A的输入端相连，放大滤波单元B的输出端与A/D转换器B的输入端相连，A/D转换器A的输出端和A/D转换器B的输出端分别与FPGA的输入端相连，FPGA的输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端与调制器驱动的输入端相连，调制器驱动的输出端与双折射相位调制器输入端相连，双折相位射调制器连入光纤环的一端。最后，解调出的差分转速信号由FPGA给出。

本发明的优点：

（1）实现了基于光路差分的双干涉式光纤陀螺的调制解调方法，相较于传统的电路差分方法，差分检测精度更高，可以更精确的消除光路中存在的固有相位差及其环境漂移；

（2）降低了对电路一致性的要求，提高了差分型双干涉光纤陀螺的互易性。

附图说明

图1是基于光路差分的双干涉式光纤陀螺调制解调方法及实现装置结构框图；

图2a是同一时刻顺、逆时针光波对应的方波调制波形；

图2b是同一时刻顺、逆时针光波对应的直流调制波形；

图3是在双折射相位调制器上施加的调制波形；

图4是方波调制信号施加反馈电压波形；

图5是第一探测器处干涉光强与调制相位关系（负责闭环）；

图6是第二探测器处干涉光强与调制相位关系（负责相位解算）；

图7是FPGA中信号解算处理流程图。

图中：

1-偏振分束器 2-第一探测器 3-第二探测器

4-放大滤波单元A 5-放大滤波单元B 6-A/D转换器A

7-A/D转换器B 8-FPGA 9-D/A转换器

10-调制器驱动 11-双折射相位调制器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于光路差分的双干涉式闭环光纤陀螺仪调制解调方法及其实现装置，如图1所示，所述的实现装置包括偏振分束器1、第一探测器2、第二探测器3、双折射调制器11、A/D转换器A6、A/D转换器B7、放大滤波单元A4、放大滤波单元B5、FPGA8、D/A转换器9和、调制器驱动10。；

第一探测器2和第二探测器3将经偏振分束器1分开的保偏光纤快、慢轴中的光信号分别转换成电信号，两路电信号分别经放大滤波单元A4和放大滤波单元B5放大滤波处理后输入到A/D转换器A6和A/D转换器B7中，经过A/D转换器A6和A/D转换器B7转换为数字信号，输入FPGA8。FPGA8中包含有完成光路差分的调制解调程序，能够实现转动数字信号的解调和调制器控制信号的生成，生成的调制器控制信号通过D/A转换器9转化为模拟信号，再经过调制器驱动10进行信号调理后驱动双折射式相位调制器11，利用双折射式相位调制器11对不同偏振态光波的不同调制，实现第一路陀螺A的闭环检测，同时将第一路陀螺A的检测结果利用双折射相位调制器11反馈回第二路陀螺B，将其从第二路陀螺B的输出信号中减去，此时第二路陀螺B的解算结果(由FPGA8给出)即为完成了光路差分后的最终输出。

在本发明中，偏振分束器1为天津峻烽科技有限公司的PBS-1*2-1550-S-N型偏振分束器；探测器（第一探测器2和第二探测器3）为武汉电信器件有限公司的PFTM901-001型光电探测器；A/D转换器（A/D转换器A6和A/D转换器B7）选用美信公司的MAX106。FPGA（FPGA8）选择赛林思公司sparton3系列芯片。D/A转换器9选用AD公司的AD9742。调制器驱动10使用AD公司的AD8009。

本发明中使用的双折射相位调制器11同时允许X、Y两个轴的光波通过，但是对两个轴有不同的调制系数（分别设为k_X和k_Y）。此处双折射相位调制器11对光波存在两种不同的调制，第一种调制采用频率等于陀螺本征频率的方波，此时顺时针方向的X轴和Y轴的光波相对于逆时针方向的X轴和Y轴的光波总是延迟一个光纤环本征周期，其方波调制波形如图2a所示。对X方向陀螺和Y方向陀螺的调制相位可以表示为（V₀表示方波幅值）：

Φ_X＝（k_X+k_Y）V₀ Φ_Y＝（k_X+k_Y）V₀

即方波调制对两轴陀螺的调制相位是相同的。另一种调制采用恒定的直流电压，调制波形如图2b所示，其中τ为光波在光纤环中传输一圈经历的时间，对应的光纤环的本征频率为1/2τ，此时对X方向陀螺和Y方向陀螺的调制相位可以表示为（V₁表示直流电压幅值）：

Φ′_X＝（k_X-k_Y）V₁ Φ′_Y＝-（k_X-k_Y）V₁

即直流调制对两轴陀螺的调制相位的符号相反。通过这两种调制作用可以完成光路差分方案。

本方案中分别使用第一探测器2和第二探测器3对光纤陀螺的两路输出进行探测，其输出的干涉光强I₁、I₂分别如下式所示：

I₁＝I₀cos(Φ₀+Φ_m1+Φ_m2+Φ_s) I₂＝I₀cos(Φ₀+Φ′_m1+Φ′_m2-Φ_s)

其中I₀为到达第一探测器2和第二探测器3的直流光强，Φ₀为固有相位差，Φ_m1和Φ′_m1为方波调制引入的调制相位，Φ_m2和Φ′_m2为直流调制引入的调制相位（其中由双折射相位调制器11的调制性质可知Φ_m1＝Φ′_m1，Φ_m2＝-Φ′_m2）。第一探测器2和第二探测器3将探测的光信号转换成电信号，经放大滤波单元A4和B5滤除噪声并放大后，再经A/D转换器A6和A/D转换器B7将模拟信号转换成数字信号输入FPGA8中。FPGA8中包含有数字处理程序，其信号解算处理流程如图7所示，程序初始化阶段首先由双折射相位调制器施加无直流偏置的±π/2方波调制，然后对陀螺输出转速进行解调，解调在一个方波周期内进行，方波高电平时陀螺输出与方波低电平时陀螺输出的差即为当前陀螺转速。初始化完成后陀螺解调处理流程以5个方波周期为一个反馈周期，对方波进行0到4循环计数。在当前反馈周期中波导的反馈波形由上个反馈周期的反馈值决定。在反馈周期的第一个方波周期内不解调陀螺输出转速，在后四个方波周期内将两个探测器探测的陀螺信号进行转速解调和解调值积分，并在第五个方波周期对当前反馈周期内后四个方波周期的陀螺解调积分值取平均，得到反馈信号，用反馈信号控制调制方波的直流偏置，对第一路陀螺进行闭环。同时判断反馈相位是否达到2π，如达到2π则进行偏置复位。通过FPGA8将第一路陀螺的解调信号输出，经D/A转换器9将数字信号转换成模拟信号，调制器驱动10对模拟信号进行调整后驱动双折射相位调制器11。通过在双折射相位调制器11上施加合适的调制波形，如图3所示（即以周期性的方波叠加一定的直流偏置的方式对两路陀螺进行调制，其中调制的相位Φ_m1＝±π/2实现如传统陀螺中的±π/2偏置调制，且这种调制对于两个陀螺是相同的；调制相位Φ_m2＝-Φ₀-Φ_s用于实现X轴陀螺的闭环，而由于直流偏置调制对于两轴陀螺的调制符号相反，可以将X轴输出从Y轴输出中减去，实现光路差分）。实现第一路陀螺的闭环，且工作点在±π/2处，增加了灵敏度，其干涉波形如图5所示（图中坐标轴上部表示的是第一路干涉仪干涉光强按余弦规律变化，下部为外加的相位调制波形，通过相位调制将干涉仪的工作点锁定在±π/2，则实际的探测器输出波形为如右上角所示的存在尖峰的幅值接近0的波形。）。对于第二路陀螺，其工作点在－2Φ_s±π/2，其干涉波形如图6所示（图中坐标轴上部表示的是第二路干涉仪干涉光强按余弦规律变化，下部为外加的相位调制波形，通过相位调制将干涉仪的工作点锁定在－2Φ_s±π/2，则实际的探测器输出波形为如右上角所示的存在尖峰的波形。），通过对其解调即可解算出2Φ_s，从而在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现了SAGNAC效应倍增。

Claims

1.一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法，其特征在于：由第一探测器和第二探测器接收偏振分束器输出端的光信号，将保偏光纤快、慢轴中的光信号分别转换成电信号，分别经放大滤波处理后输入到两个A/D转换器中，分别经过两个A/D转换器转换为数字信号，输入FPGA；FPGA实现数字信号的解调和调制器控制信号的生成，生成的调制器控制信号通过D/A转换器转化为模拟信号，再经过调制器驱动进行信号调整后驱动双折射式相位调制器，利用双折射式相位调制器对不同偏振态光波的不同调制，实现第一路陀螺的闭环检测，同时将第一路陀螺的检测结果利用双折射调制器反馈回第二路陀螺，将其从第二路陀螺的输出信号中减去，此时第二路陀螺的解算结果即为完成了光路差分后的最终输出；所述第一路陀螺的闭环检测工作点在±π/2处，第二路陀螺工作点在－2Φ_s±π/2，通过对其解调即解算出2Φ_s，从而在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现了SAGNAC效应倍增。

2.根据权利要求1所述的一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法，其特征在于：所述的双折射相位调制器同时允许X、Y两个轴的光波通过，调制系数分别设为k_X和k_Y，此处双折射相位调制器对光波存在两种不同的调制，第一种调制采用频率等于陀螺本征频率的方波，此时顺时针方向的X轴和Y轴的光波相对于逆时针方向的X轴和Y轴的光波总是延迟一个光纤环本征周期，对X方向陀螺和Y方向陀螺的调制相位Φ_X和Φ_Y表示为：

Φ_X＝（k_X+k_Y）V₀ Φ_Y＝（k_X+k_Y）V₀

其中V₀表示方波幅值；即方波调制对两轴陀螺的调制相位是相同的；

另一种调制采用恒定的直流电压，此时对X方向陀螺和Y方向陀螺的调制相位Φ′_X和Φ′_Y表示为：

Φ′_X＝（k_X-k_Y）V₁ Φ′_Y＝-（k_X-k_Y）V₁

其中V₁表示直流电压幅值；即直流调制对两轴陀螺的调制相位的符号相反；通过这两种调制作用完成光路差分。

3.根据权利要求1所述的一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法，其特征在于：所述第一探测器和第二探测器对光纤陀螺的两路输出进行探测，其输出的干涉光强I₁、I₂分别如下式所示：

其中I₀为到达第一探测器和第二探测器的直流光强，Φ₀为固有相位差，Φ_m1和Φ′_m1为方波调制引入的调制相位，Φ_m2和Φ′_m2为直流调制引入的调制相位。

4.根据权利要求1所述的一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法，其特征在于：所述的FPGA实现数字信号的解调具体为：

首先由双折射相位调制器施加无直流偏置的±π/2方波调制，然后对陀螺输出转速进行解调，解调在一个方波周期内进行，方波高电平时陀螺输出与方波低电平时陀螺输出的差即为当前陀螺转速；

其次，陀螺解调处理流程以5个方波周期为一个反馈周期，对方波进行0到4循环计数；在当前反馈周期中波导的反馈波形由上个反馈周期的反馈值决定；在反馈周期的第一个方波周期内不解调陀螺输出转速，在后四个方波周期内将两个探测器探测的陀螺信号进行转速解调和解调值积分，并在第五个方波周期对当前反馈周期内后四个方波周期的陀螺解调积分值取平均，得到反馈信号，用反馈信号控制调制方波的直流偏置，对第一路陀螺进行闭环；同时判断反馈相位是否达到2π，如达到2π则进行偏置复位。

5.一种实现权利要求1中所述的调制解调方法的实现装置，其特征在于：包括偏振分束器、第一探测器、第二探测器、双折射相位调制器、A/D转换器A、A/D转换器B、放大滤波单元A、放大滤波单元B、FPGA、D/A转换器和调制器驱动；

偏振分束器两个输出端分别与第一探测器的输入端和第二探测器的输入端相连，第一探测器的输出端与放大滤波单元A的输入端相连，第二探测器的输出端与放大滤波单元B的输入端相连，放大滤波单元A的输出端与A/D转换器A的输入端相连，放大滤波单元B的输出端与A/D转换器B的输入端相连，A/D转换器A的输出端和A/D转换器B的输出端分别与FPGA的输入端相连，FPGA的输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端与调制器驱动的输入端相连，调制器驱动的输出端与双折射相位调制器输入端相连，双折相位射调制器连入光纤环的一端；最后，解调出的差分转速信号由FPGA给出。