CN103697877B - 一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法 - Google Patents

一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法,首先参考信号通道采集光电探测器转换后的电压信号，陀螺信号通道同步采集该电压的交流信号（含有陀螺敏感转速信号、光源相对强度噪声），两路信号进行相减得到直流信号（含光源相对强度噪声），对此直流信号中的交流成分即光源相对强度噪声和陀螺交流信号进行差分运算，可以有效减小陀螺敏感的转速信号中的相对强度噪声。

Description

一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制 方法
技术领域
本发明涉及一种高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法。
背景技术
在光纤陀螺仪中，噪声极限是探测器噪声，它决定了陀螺的最小可检测灵敏度。陀螺仪的噪声在一般情况下即所谓的随机游走，反映的是陀螺输出的角速率积分(角度)随时间的不确定性(角随机误差)。由于光纤陀螺的随机游走是经过它的标度因数标定过的，因此它实际上由相位检测过程的信噪比而非单纯的探测器噪声决定，也即陀螺信噪比越高，随机游走越小。光纤陀螺仪的信噪比直接受到耦合至干涉光路的光强度的影响。在以往的光纤陀螺方案中，比如采用半导体激光器(受散粒噪声限制)，通过最大限度的提高耦合到光路中光强来提高信噪比。但是采用掺铒光纤光源的高精度光纤陀螺中，超荧光光纤光源的相对强度噪声(RIN)限制了这种方法的应用。
光源相对强度噪声是目前空间用高精度光纤陀螺的主要噪声来源之一，这种噪声是由于光源各光谱分量的混叠而引起的噪声，在探测器中会产生一种随机的“拍”现象而导致光功率随机波动，从而在探测器电流中引入一个额外噪声项。在采用光功率较大的掺铒光源的光纤陀螺中，这种噪声是限制陀螺理论精度的主要因素之一。
因此抑制超荧光光纤光源中的相对强度噪声就成为提高光纤陀螺仪精度的必经之路。目前抑制这种超荧光光源相对强度噪声的方案，主要由以下几种方案，第一种为采用过调制技术，光纤陀螺的信号与偏置工作点的检测灵敏度成正比，光源强度噪声与偏置工作点的光功率成正比，采用过调制技术将偏置调制的峰值相位介于π/2～π之间，降低偏置工作点的光功率，以减少光源强度噪声的影响，这种技术目前已普遍应用到陀螺技术中；第二种为光强内调制法，通过控制激光器的注入电流来实现，它的实现方式是采用一个附加光路经过光电转换提取光源的相对强度噪声加载到激光器的注入电流，实现对光源相对强度噪声的抑制，该方案对噪声提取电路的相位、增益要求比较苛刻；第三种为光强外调制法，在光源的出射光处加入强度调制器，然后将光路分成两路，其中一路为陀螺光路，另一路光路经过光电转换提取相对强度噪声反馈到强度调制器，通过对强度调制器的控制抑制相对强度噪声，该方案同样存在第二种方案的问题，而且强度调制器的偏置工作点随时间会有一定漂移，所以通常还需要对强度调制器设计专门的控制电路；第四种为光路电路相结合的电路相减方式，利用两个探测器分别探测经过陀螺光纤线圈的光信号和光源的出射光，利用两路信号光具有相关性，通过时间延迟使两路光实现同相的要求，利用减法器将经过处理的第二路信号从陀螺输出中减掉，从而衰减掉陀螺信号的附加强度噪声，但是参考光信号的延迟处理及电路板上的噪声抑制通道和陀螺信号采集通道引入噪声尽量相同的控制上实现比较困难。
发明内容
本发明的技术解决问题是：是对同一探测器输出信号进行不同的处理，因此不存在时间延迟的调整，实现及调试相对简单，可以有效消除光源相对噪声，且陀螺信号解调与抑制相对强度噪声的解算模块都通过解调模块实现，一方面使得电路结构得到简化，使电路可靠性得到提高，另一方面可以方便的进行电路的调试，同时增加了电路的可移植性。
本发明技术解决方案：一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，其特征包括下列步骤：
(1)利用信号发生器输出固定信号作为陀螺输入信号，测量陀螺信号采集通道和参考信号采集通道输出数值，计算输出值和输入值的比值得到各自采集通道的增益值；
(2)接入陀螺光路部分，陀螺信号通道对探测器转换后的电压信号的交流部分进行采集，得到包含相对强度噪声的陀螺信号；
(3)参考信号通道对探测器转换后的电压信号进行采集，必须保证陀螺信号和参考信号通道各自采集信号的相位一致性，便于在噪声信号消除模块中对参考信号和包含噪声的陀螺信号进行相应处理后得到包含有直流信号和光源相对强度噪声的信号；
(4)采集直流信号(含有光源相对强度噪声)中的交流成分，即光源相对强度噪声；
(5)在噪声信号消除模块中将含有相对强度噪声的陀螺信号和光源相对强度噪声进行相减，得到去除光源相对强度噪声后的陀螺信号，实现对光源相对强度噪声的抑制。
所述步骤(1)中，陀螺信号通道和参考信号通道的增益相同，以确保两路信号中相对强度噪声幅度的一致性，最大限度消除相对强度噪声。
所述陀螺信号通道和参考信号通道在电子元器件的种类、批次以及电参数的设计上尽量保持一致，以确保两个通道增益一致。
所述步骤(2)和步骤(3)中，对参考信号通道和陀螺信号通道的采集同步设计，以确保参考信号和陀螺信号相位的一致性。
所述同步设计是指利用同一时序控制参考信号通道和陀螺信号通道的采集时序，以确保两个通道的同步。
现有数字闭环光纤陀螺工作原理(如图1所示)，光源的出射光经耦合器分光，一束作为陀螺光路，另一束为空端，经Y波导进入光纤线圈运行一圈后返回Y波导时产生干涉，该干涉光经耦合器进入光电探测器，经光电探测器转换为电压信号，该电压信号经模数转换器转换为数字量，再信号处理电路进行调制解调，得到陀螺输出信号及调制反馈信号。
本发明的原理为：利用探测器输出信号的直流信号及交流信号中含有相同的光源相对强度噪声，通过对探测器输出整体信号和探测器输出交流信号进行相应处理得出光源相对强度噪声信号，再利用交流信号和光源相对强度噪声信号进行相应处理得出陀螺有用信号来消除光源相对强度噪声。如图4所示。图中为光源的输出光功率表达式I0+σ(t)，I0是平均光功率，σ(t)代表输出光中的相对强度噪声功率；G1和G2分别表示陀螺信号通道、参考信号通道的增益，η表示光电探测器光电转换的增益。
以下逐点分析电路相减方法的抑噪过程。参考图2，参考信号通道、陀螺信号通道各点的信号表达式为：
其中7点的表达式忽略了噪声的平方项。
最终作为输出的8点为从输出表达式中可以得出陀螺输出中的相对强度噪声完全被衰减，且噪声抑制效果完全取决于增益控制的精度，相比光路和电路相结合的相对强度噪声抑制方案减小了延迟时间的控制，相对简单。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明是对同一探测器输出信号进行不同的处理，因此不存在时间延迟的调整，实现及调试相对简单，可以有效消除光源相对噪声，以保证良好的噪声抑制效果。
(2)采用了全数字电路进行光源相对强度噪声信号的相关处理，以抵消光源相对强度噪声，净化陀螺角速率信号，且陀螺信号解调与抑制相对强度噪声的解算模块都通过解调模块实现，一方面使得电路结构得到简化，使电路可靠性得到提高，另一方面可以方便的进行电路的调试，同时增加了电路的可移植性。
附图说明
图1为现有技术中的数字闭环光纤陀螺仪结构图；
图2为相对强度噪声抑制技术原理框图；
图3加入光源相对强度噪声抑制的高精度数字闭环光纤陀螺仪结构框图；
图4为本发明实现流程图。
具体实施方式
本发明由光路部分和电路部分两部分组成。光路部分如图3所示，由1个掺铒光纤光源、1个2X2耦合器、1个Y波导集成光学器件、1个光纤环和1个探测器组成，从光纤光源发出的光，经过2X2耦合器后被分成两路光，一路光进入陀螺光路，通过Y波导集成光学器件后被分成两路进入光纤环，从光纤环出来的干涉光通过耦合器后进入光电探测器，另一路作为空端供光路出故障时的问题排查。
光路系统工作在l.55um光通信窗口，光源采用宽带掺铒光纤光源SFS。光电探测器采用Si-PIN/FET光电探测器或Zn/GaAs-PIN/FET光电探测器。
电路部分如图3所示，由1个滤波电路(去直流信号)、2个模数转换器、噪声信号消除和陀螺信号解调两个模块、1个数模转换器和1个增益控制电路组成。滤波电路和模数转换电路采集探测器输出的陀螺信号(含有陀螺信号和噪声信号)，另一路模数转换电路采集探测器输出的信号(含有陀螺信号，直流信号及相对强度噪声信号)，为了保证两个通道采集信号的相关性，两个模数转换器的时序采用同一时序进行控制；两路信号经噪声消除模块进行如图1所示的处理得到消除光源噪声的陀螺信号，该信号最终经解调电路处理得到陀螺输出信号和反馈信号。
如图1所示，本发明具体的步骤如下：
1)光纤陀螺光路部分的干涉光信号(I0+σ(t))(1+cos(φB+φS))经光电转换后的电压信号为η(I0+σ(t))(1+cos(φB+φS))，式中：η表示光电转换增益，单位：V/W；I0是平均光功率，单位：W；σ(t)代表输出光中的相对强度噪声功率，单位：W；φB反馈相位；φS调制相位；
2)采集1)中所得电压信号中交流信号，得到包含陀螺信号和相对强度噪声的交流信号η(I0+σ(t))cos(φB+φS)，对该交流信号进行模数转换得到ηG2(I0+σ(t))cos(φB+φS)，其中G2为该通道模数转换增益；
3)对1)中所得电压信号直接进行模数转换，得到光电转换后的全部电压信号ηG1(I0+σ(t))(1+cos(φB+φS))，其中G1为该通道模数转换增益；
4)对3)步骤得到的信号进行G2倍的比例放大，得到信号ηG1G2(I0+σ(t))(1+cos(φB+φS))；
5)对2)步骤得到的信号进行G1倍的比例放大，得到信号ηG1G2(I0+σ(t))cos(φB+φS)；
6)将4)和5)步骤得到的信号进行相减得到信号ηG1G2(I0+σ(t))；
7)采集6)步骤得到信号中的交流成分即得到相对强度噪声信号ηG1G2σ(t)；
8)对2)步骤得到的信号进行ηG1G2I0倍的比例放大，得到信号
9)将2)步骤得到信号和7)步骤得到的相对强度噪声相乘得到信号忽略相对强度噪声的平方项得到信号
10)将8)步骤所得信号和9)步骤所得信号相减，得到消除相对强度噪声后的陀螺信号
11)对9)步骤所得到消除相对强度噪声后的陀螺信号进行调制解调，得到陀螺输出信号及调制反馈信号。

Claims (4)

1.一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，其特征包括下列步骤：
(1)利用信号发生器输出固定信号作为陀螺输入信号，测量陀螺信号通道和参考信号通道输出数值，计算输出值和输入值的比值得到各自通道的增益值，使得陀螺信号通道和参考信号通道的增益保持相同，以确保两路信号中光源相对强度噪声幅度的一致性，可以最大限度消除光源相对强度噪声；
(2)接入陀螺光路部分，陀螺信号通道对探测器转换后的电压信号的交流部分进行采集，得到包含光源相对强度噪声的陀螺信号；同时，参考信号通道对探测器转换后的电压信号进行采集，得到参考信号，保证陀螺信号通道和参考信号通道各自采集信号的相位一致性；
(3)噪声信号消除模块将包含光源相对强度噪声的陀螺信号、参考信号进行处理，得到去除光源相对强度噪声的陀螺信号，实现对光源相对强度噪声的抑制。
2.根据权利要求1所述一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，其特征在于：所述陀螺信号通道和参考信号通道在电子元器件的种类、批次以及电参数的设计上保持一致，以确保两个通道增益一致。
3.根据权利要求1或2所述一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，其特征在于：所述步骤(2)中参考信号通道和陀螺信号通道的采集同步设计，以确保参考信号和陀螺信号相位的一致性。
4.根据权利要求3所述一种电路方案的高精度闭环光纤陀螺光源相对强度噪声抑制方法，其特征在于：所述同步设计是指利用同一时序控制参考信号通道和陀螺信号通道的采集时序，以确保两个通道的同步。
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