CN103591946A

CN103591946A - 一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺

Info

Publication number: CN103591946A
Application number: CN201310631493.4A
Authority: CN
Inventors: 刘凯; 徐�明; 张晓锋
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: CETC 26 Research Institute
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: CN103591946B

Abstract

本发明公开了一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺，光路部分包括光源、分束器、Y分支、敏感光纤环、探测器和辅助探测器，在分束器和探测器之间增设有用于消除尖峰信号光强的光强控制单元，电路部分包括强度噪声抑制单元、逻辑控制与运算处理单元及功率反馈控制单元，逻辑控制与运算处理单元的一路输出通过逻辑开关接光强控制单元，每到尖峰信号出现时，逻辑控制与运算处理单元通过逻辑开关启动光强控制单元，由光强控制单元使尖峰信号光强衰减至设定值。本光纤陀螺能够实现光测试信号阶段的信号光强调制，能够消除光纤陀螺工作点往复引发的信号尖峰现象，并由此提高光纤陀螺的实测精度以及环境适应性能。

Description

一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺

技术领域

本发明涉及光纤陀螺结构改进，具体指一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺，属于陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为一种新型惯性仪表，具有无转动部件、测角范围大、长寿命、高灵敏度和高可靠性等优点，目前在国外的军民市场已经普及推广，国内虽起步较晚，但发展速度较快，未来一段时间光纤陀螺必将逐渐替代传统机械陀螺成为惯性应用领域的主流仪表配置方案。

干涉式光纤陀螺设计方案是目前工程中普遍采用的方案，其主要由光学部件和电子部件两部分组成，其中光学部件的性能在根本上决定了光纤陀螺的极限精度和性能，是干涉式光纤陀螺设计的核心问题。目前干涉式光纤陀螺光路结构所采取的方案是一种最小化的光纤Sagnac干涉仪结构，其光路结构如图1所示。工作原理为：由光源1发出的光先后经过分束器2、Y分支4后分成两束反向传播光进入敏感光纤环5，两束信号光经过光纤环的传输过程后再次经过Y分支4、分束器2后汇聚，最终到达探测器6。两束光再汇聚时发生干涉，探测器6接收到的实际为两光的干涉强度信号。从分光到合光的过程中，两束光携带了不同的相位信息，坐标系的不同角速度会引入两束光不同的相位差。通过测量两束光之间的相位差，最终得到坐标系的转动速度。

两光的干涉信号是一条光强和相位差的余弦曲线，陀螺的实际工作状态下需要选择合适的工作点，以±π/2为例。陀螺采取常规的方波调制，工作点在±π/2之间往复切换。对于理想的方波，最终的输出信号也会是理想的方波型信号，如图2。而事实上在电路调制过程中无法实现理想的方波信号，而是一种近似的梯形方波，如图3。这样就导致探测器端的输出信号产生了信号尖峰，如图4，图4为光纤陀螺实际工作状态下可能产生的各种形状信号，尖峰幅度大小应该同光波强度大小相符。

这种结构的光路在通常的以方波调制为基础的调制过程中会出现工作点切换引起的信号尖峰现象。要保持光纤陀螺工作时的闭环状态，工作点的往复切换是必需的，故信号尖峰的出现也是无法避免的。信号尖峰是在光路状态下就已经产生的，同时信号尖峰中并不包含陀螺测试信息。对信息提取工作来说信号尖峰的存在是有害无益的，这样的信号尖峰对后期的电路处理都是有比较严重的问题的。其主要影响如下：

(1)在光电转换过程中，由于信号尖峰的幅值远大于有效信号的幅值，尖峰信号在转换过程中率先饱和，导致光信号在转变为电信号的过程中存在波形失真；

(2)陀螺工作的不同状态下，信号尖峰的形状及幅度大小会发生变化，将会导致在光电转换后完整的信号波形发生微小形变，信号的微小变化都会导致实测误差的出现，影响不同工作状态下陀螺的输出真值；

(3)尖峰信号同样随时间和环境变化产生形变，导致陀螺产生漂移趋势项；

(4)另外，实际工作中尖峰信号的幅度、宽度还会同陀螺本身的光学参数相关。而在外界环境影响下，陀螺光路光学参数也会发生微小的变化，这同样直接影响到探测器得到的信号波形，进而影响到光纤陀螺的性能。

以上所述尖峰信号的影响势必会造成光纤陀螺的测量误差，由于尖峰信号在测试过程中无法避免，陀螺测试过程中这一误差项始终存在，尤其对于高精度光纤陀螺来说这一误差因素是不可忽略的。为了减小尖峰信号对陀螺性能的影响，高精度掺铒光纤陀螺必须采取必要的措施对上述误差加以抑制和消除。目前通常采取的手段主要是：一、为避免尖峰信号的饱和，在光电转换过程中大大降低转换倍率。这样做实际牺牲了光探测器件的转换效率，是以牺牲陀螺测试精度为代价的。二、采取后期特殊电路滤波的方法，消除电信号中的尖刺以减小采样影响。这样做也不是理想的解决办法，电信号中的信号尖峰出现总会影响陀螺工作的实际波形，尽管能够后期消除尖峰，却没有办法完全抑制波形变形，而且过于繁琐的滤波电路也会增加电路的复杂程度，增大电路噪声，影响高精度陀螺的测试精度。目前还没有一种比较理想的技术解决方案能从根本上解决光纤陀螺的尖峰信号导致的误差以及对探测电路的诸多影响。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺，本光纤陀螺能够实现光测试信号阶段的信号光强调制，能够消除光纤陀螺工作点往复引发的信号尖峰现象，并由此提高光纤陀螺的实测精度以及环境适应性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺，包括光路部分和电路部分，其中光路部分包括光源、分束器、Y分支、敏感光纤环、探测器和辅助探测器，电路部分包括强度噪声抑制单元、逻辑控制与运算处理单元及功率反馈控制单元，探测器和辅助探测器的输出分别通过A/D转换单元接强度噪声抑制单元的输入，强度噪声抑制单元的输出接逻辑控制与运算处理单元的输入，逻辑控制与运算处理单元的一路输出通过功率反馈控制单元接光源以及光源驱动电路，用于稳定光源或者光路中工作光强；逻辑控制与运算处理单元的第二路输出同时通过相位控制第一反馈和增益控制第二反馈接D/A转换单元，D/A转换单元输出接光路的Y分支上，用于实现干涉信号的稳定；逻辑控制与运算处理单元的第三路输出连接到陀螺的数据输出模块上用于输出陀螺数据；在分束器和探测器之间增设有用于消除尖峰信号光强的光强控制单元，逻辑控制与运算处理单元的第四路输出通过逻辑开关接光强控制单元，每到尖峰信号出现时，逻辑控制与运算处理单元通过逻辑开关启动光强控制单元，由光强控制单元使尖峰信号光强衰减至设定值。

本发明在陀螺光路输出分束器和探测器之间增加了一个光强控制单元，专门用于消除信号尖峰的光强，每到信号尖峰出现时启动光强控制单元，使其输出光强衰减至特定数值，相当于在光路上对信号波形进行滤波。经过光强控制单元后得到的信号波形相比之前变得更加规则，而且随环境的微小形变也要小得多，对于光纤陀螺的性能不论是精度上还是稳定性上都有了明显的改善。

本发明光强控制单元通过高速调节陀螺干涉仪输出的光信号的瞬时光强，以消除陀螺调制态之间的没有测量信息的信号尖峰。光强控制单元可以是波导型调制器结构也可以采用高速光开关的形式，包括由此概念延伸出的其它光强控制方式。

附图说明

图1-目前高精度光纤陀螺光路结构示意图。

图2-理想方波调制产生的信号。

图3-非理想方波调制产生的常见信号。

图4-光纤陀螺实际工作状态下可能产生的各种形状信号。

图5-现有技术最小化光纤陀螺方案原理框图。

图6-本发明高精度光纤陀螺方案原理框图。

图7-本发明高精度光纤陀螺光路结构示意图。

图8-经过光强控制单元后处理前后输出信号对比示意图。

图9-本发明高精度光纤陀螺逻辑电路的功能示意图。

图10-高精度光纤陀螺中利用阶梯方波产生反馈相位示意图。

图11-本发明数字逻辑单元调制解调算法软件流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明提供了一种应用于高精度光纤陀螺的新型结构方案，该方案增加了信号光强控制模块用于消除光信号中的尖峰信号对陀螺的影响。该方案可应用于所有精度的光纤陀螺中，不仅限于高精度光纤陀螺。

本发明高精度光纤陀螺方案原理框图如图6所示，图5是现有技术最小化光纤陀螺方案原理框图。不管本发明还是现有技术，干涉式光纤陀螺都包括光路部分和电路部分，以下结合图6并对比图5对各部分进行详细介绍。

1.光路结构

其中光路部分总体构成类似现有技术，也包括光源1、分束器2、Y分支4、敏感光纤环5、探测器6和辅助探测器3，见图7。对照传统的干涉式光纤陀螺最小化光路结构可以看出，本发明在光纤光路中增加了新的光强控制单元7，光强控制单元7位于分束器2和探测器6之间，用于在光信号输出端选择性的抑制尖峰信号的光强。因为尖峰信号中实际上并不存在陀螺实际工作的测量信息，对尖峰信号的光强抑制不会影响光纤陀螺的实际工作方式。光强控制单元可以采用目前技术较成熟的LiNO3光波导调制器的形式，也可以考虑高速光开关的形式。关键的部分在于，在出现信号尖峰的时刻能够控制光强组件滤除信号光强。

2.电路部分

高精度光纤陀螺电路部分可分为光源驱动部分、信号处理部分以及反馈驱动部分三个部分。

光源驱动部分主要是用来完成光源的供电和维持正常工作的功能，包括光源的输出功率保持以及温度控制等等。

信号处理部分要完成高精度光纤陀螺数字化的调制解调以及相关数字运算的全过程，包括A/D采样转换、强度噪声抑制和逻辑控制与运算处理等。

反馈驱动部分负责保持高精度光纤陀螺几种相应的闭环过程，使陀螺工作在更加稳定的状态中。本陀螺方案在电路设计需要增加相应的控制电路完成对高速光强控制单元的驱动，在信号处理电路的逻辑控制下，精确的确定光强控制单元的开合。反馈驱动部分包括相位控制第一反馈、增益控制第二反馈、D/A转换、逻辑开关、功率反馈控制等。

从图6本发明的方案原理框图、以及图9本发明的逻辑电路原理框图中都可以看出，本发明探测器和辅助探测器的输出分别通过A/D转换单元接强度噪声抑制单元的输入，强度噪声抑制单元的输出接逻辑控制与运算处理单元的输入。探测器6（相对辅助探测器而言，其为主探测器）的输出实际上是陀螺光路在正负两个（或多个）工作点上，光强度数值的往复输出，即图2所示。辅助探测器3实际上只是光源输出功率的定比例输出，其包含了光源强度噪声的信息。同时探测器6的输出信号也同时包含着光源的强度噪声信号，为了提高陀螺的测试精度，需要比较两个探测器中的相同噪声信号，并设法消除探测器6中的噪声信号，实现光源的强度噪声抑制。最终导入逻辑控制与运算处理单元中的信号，被认为是消除了强度噪声后相对理想的信号。直观上，逻辑控制与运算处理单元有四路输出，分别对应如下:1、第一路输出通过功率反馈控制单元接光源以及光源驱动电路，用于稳定光源或者光路中工作光强；2、第二路输出通过相位控制第一反馈和增益控制第二反馈环节最终经过D/A转换单元施加在光路的Y分支上，用于实现干涉信号的稳定；3、第三路输出直接连接到陀螺的数据输出模块上，根据具体的陀螺数据结构要求可能会有不同的接口模式；4、第四路输出通过逻辑开关连接至光路中的光强控制单元。陀螺的调制解调程序在逻辑控制与运算处理单元中运算，预先判定光路中尖峰信号的出现时刻，逻辑控制与运算处理单元通过逻辑开关启动光强控制单元，使尖峰信号光强衰减至设定值。这样做就相当于在电路部分增设由调制程序控制的逻辑开关，用于控制光路中光强控制单元的开合。这四路输出基本上也涵盖了陀螺信号处理电路和反馈控制电路的主要工作过程。

由A/D引入的信号实际上是图10中工作点（1、2、3、4）的电压值。转速为零时，工作点上电压值基本相等，在有旋转速率的时候工作点电压值被拉开，对运算电路输出一个差动信号Φ _f。Φ _f实际上代表光路中两相干光的相位差。运算电路通过累加运算等过程始终在Y分支的输入端保留了一个与Φ _f作用等大小的数值反馈，用以维持工作点恢复到初始位置上。由于Y分支上施加的电压信号不可能无限制的增长，需要选择合适的大小复位，实际应用中通常选择2π复位的方式来实现。在复位过程中，工作点1跳变至工作点3的位置上，工作点2跳变至工作点4的位置上。由于工作点1、3和工作点2、4之间正好相差2π的相位，因此这种跳变不会对陀螺的实际测量过程带来实质性的影响。同时，在陀螺的输出环节由于数字电路中数字溢出的同步配合，工作点的复位跳变也不会对陀螺的输出造成影响。这是目前陀螺调制解调中所采用的最常见的阶梯波反馈的工作原理，实际应用中具体的操作可能会有所不同，但是并不影响本发明的应用范围。

为了完成各单元的反馈及控制，本光纤陀螺还涉及相应的软件部分，介绍如下。

软件采用Windows 操作系统，模块化设计，主要包括几个部分（模块）：初始化、本征周期设定、A/D采样数字解调、陀螺角速率输出、反馈信号使能/偏置信号运算、光强控制单元使能。具体流程见图11。

（1）初始化：

完成电路参数初始化。

（2）本征周期设定：

根据陀螺电路参数和光路参数确定陀螺的本征调制周期，作为后续程序运行的基准。

（3）A/D采样数字解调：

Sagnac干涉仪生成干涉误差信号通过光电转换器件后生成电信号通过A/D采样后，通过解调获得角速率误差进行一次积分后生成角速率信号供后续处理使用。

（4）反馈信号使能/偏置信号运算：

数字解调后的误差信号在此部分通过二次积分，生成了阶梯波角误差信号，同时，此处还有设计的变调制态调制量共同施加到陀螺的反馈元件——Y波导上，完成设置偏置工作点和反馈误差信号的功能。

（5）光强控制单元使能：

根据光纤陀螺基本的光路电路参数以及逻辑时间序列，判定光强控制单元的开合，选择性的对光信号强度滤除，以消除信号尖峰对光纤陀螺实测数据的影响。

（5）陀螺角速率输出：

根据解调单元获得的陀螺角速率数据的特征对数据进行优化和整理，通过诸如剔出坏数、数字滤波等手段提高原始数据可信度，最终作为陀螺角速率输出。

本发明在目前的高精度光纤陀螺光路基础上增加输出信号光强控制单元，在光信号进行光电转换之前实现对瞬态尖峰光强的控制，滤除了没有实际应用和信息的尖峰信号光强，使光电转换过程中不会出现尖峰信号幅度较大造成运算放大器饱和的现象，光强控制单元的具体开合控制是由逻辑控制与运算处理单元通过增设的逻辑开关进行控制的。同时由于这样的信号尖峰在环境变化或者长时间工作过程中会发生微小形变，导致陀螺输出发生常值不稳定的现象，通过输出信号光强控制技术，实现了光学测试信号的进一步优化，避免了这种不稳定性的出现，更深入一步地保证了高精度光纤陀螺在长时间工作以及变化环境中的性能要求。图8为经过光强控制单元后处理前后输出信号对比示意图。上面信号为原来没有经过光强控制单元后处理的输出信号，下面信号为经过光强控制单元后处理的输出信号。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺，包括光路部分和电路部分，其中光路部分包括光源、分束器、Y分支、敏感光纤环、探测器和辅助探测器，电路部分包括强度噪声抑制单元、逻辑控制与运算处理单元及功率反馈控制单元，探测器和辅助探测器的输出分别通过A/D转换单元接强度噪声抑制单元的输入，强度噪声抑制单元的输出接逻辑控制与运算处理单元的输入，其特征在于：逻辑控制与运算处理单元的一路输出通过功率反馈控制单元接光源以及光源驱动电路，用于稳定光源或者光路中工作光强；逻辑控制与运算处理单元的第二路输出同时通过相位控制第一反馈和增益控制第二反馈接D/A转换单元，D/A转换单元输出接光路的Y分支上，用于实现干涉信号的稳定；逻辑控制与运算处理单元的第三路输出连接到陀螺的数据输出模块上用于输出陀螺数据；在分束器和探测器之间增设有用于消除尖峰信号光强的光强控制单元，逻辑控制与运算处理单元的第四路输出通过逻辑开关接光强控制单元，每到尖峰信号出现时，逻辑控制与运算处理单元通过逻辑开关启动光强控制单元，由光强控制单元使尖峰信号光强衰减至设定值。

2.根据权利要求1所述的可消除尖峰信号的干涉式光纤陀螺，其特征在于：所述光强控制单元为波导型调制器结构，也可以采用高速光开关的形式。