CN104089614A - 一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法。通过相位调制器在光纤陀螺中加入相位调制信号，每一个相位调制信号由两个调制步组成，两个调制步的持续时间均为光纤陀螺中光纤环的渡越时间；对光纤陀螺中两个调制步对应的输出信号进行模拟数字转换采样，获得其各自的数字输出信号；再进行计算获得光纤陀螺当前时刻的光强和相位调制项；重复上述步骤进行测量，得到各个测试时间点下对应的光强和相位调制项。本发明能够进行实时同步测量，同时获得光纤陀螺中的光强和相位调制项，用于光纤陀螺硬件本身的光强和相位调制项的测试评估，测量方法可靠性高，无需对光纤陀螺硬件进行改动。

Description

一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺中的信号处理方法，尤其是涉及一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法。 

背景技术

光纤陀螺是一种新型角速率传感器，其与传统的转子陀螺相比具有无运动部件、全固态、成本低等优点。近年来光纤陀螺逐渐投入到工程应用，被广泛应用于运动载体的导航以及稳定控制系统，并具有良好的表现。 

光纤陀螺本质上是一个赛格奈克干涉仪，根据赛格奈克效应，当光纤陀螺转动时，会引入一个与转动角速度成正比的相位差，通过检测这一相位差可以获得相应的角速率信息。实际的光纤陀螺为了提高检测的灵敏度和线性度，通常采用方波相位调制，使干涉仪工作在一个偏置工作点上。当采用的方波相位调制信号如公式1所示时，相应的光纤陀螺输出信号如公式2所示。其中Δφ_bias为调制相位；φ_bias为调制相位的幅度；T为方波相位调制信号的周期，一般等于两倍的光纤陀螺中光纤环的螺渡越时间；I为光纤陀螺的干涉信号，I₀为到达光纤陀螺探测器的光强信号；Δφ_r为旋转引起的赛格奈克非互易相移的大小。 

${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{\mathrm{biasa}}=\left\{\begin{array}{cc}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bias}}& \mathrm{nT}\&le;t<(n+\frac{1}{2})T\\ +{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bias}}& (n+\frac{1}{2}T)\&le;t<(n+1)T\end{array}\right.---\left(1\right)$

$I=\left\{\begin{array}{cc}{I}_0[1+\cos (-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bias}}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_r)]& \mathrm{nT}\&le;t<(n+\frac{1}{2})T\\ I_0[1+\cos ({\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{bias}}+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_r)]& (n+\frac{1}{2}T)\&le;t<(n+1)T\end{array}\right.---\left(2\right)$

将调制方波正负半周对应的光纤陀螺干涉信号相减，即可获得一个与赛格奈克非互易相移相关的解调信号，从而获得角速率信息，如公式3所示，ΔI即为解调信号。 

ΔI＝2I₀sin(φ_bias)sin(Δφ_r)  (3) 

光纤陀螺是一个复杂的系统，内部含有多种光学和电子器件，因此很容易受到应用环境的影响。如应用环境的振动、磁场、辐照以及器件老化等，都会对光纤陀螺的输出造成影响，这些影响的原因最终可以归结到与光纤陀螺信号解调直接相关的两个量：光强和相位调制项。例如在振动条件下，光纤陀螺中 的尾纤、光纤环和相位调制器等结构和器件会产生一定频率的谐振，在光纤陀螺中引入额外的光强调制和相位调制项Δφ_e(t)，其中光强调制项表现为在平均光强上引入额外的光强波动，此时光强表示为I₀(t)，相位调制项表现为引入额外的非互易相位差。这样会对解调结果产生影响，从而造成输出结果的误差。 

实际上，这些效应与光纤陀螺的系统硬件集成有关，不同的光纤陀螺有不同的表现。因此需要一种能够对光纤陀螺内的光强和相位调制项实时并且同步测量的方法，以对光纤陀螺的这两个参数在复杂环境下受到的影响进行评估，进而评价光纤陀螺在相应环境下的表现。 

发明内容

针对目前在光纤陀螺研究中，需要对光纤陀螺中光强和相位调制项进行测量评估，而又缺少实时同步测量光纤陀螺中光强和相位调制项方法的现状，本发明的目的在于不改变光纤陀螺硬件的基础上，提供一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法。 

本发明所采用的技术方案包括以下步骤： 

1)通过相位调制器，在光纤陀螺中加入相位调制信号，每一个相位调制信号由调制步A和调制步B组成，两个调制步的持续时间均为光纤陀螺中光纤环的渡越时间，调制步A和调制步B调制相位分别为-Δφ_b、Δφ_b； 

2)光纤陀螺在步骤1)中所述的相位调制信号调制下，对其中的调制步A和调制步B对应的输出信号进行模拟数字转换采样，获得调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B； 

3)根据获得的调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B进行计算，获得光纤陀螺当前时刻的光强I₀和相位调制项Δφ_e； 

4)重复步骤1)～3)进行测量，可以得到各个测试时间点下对应的光强I₀(t)和相位调制项Δφ_e(t)，t为各个测试时间点的时间。 

所述的调制相位Δφ_b取0～π中不为0、π的任意值。 

所述的调制相位Δφ_b为

所述的步骤2)中获得的调制步A的数字输出信号I_A为以下公式： 

I_A＝I₀[1+cos(-Δφ_b+Δφ_e)] 

获得的调制步B的数字输出信号I_B为以下公式： 

I_B＝I₀[1+cos(Δφ_b+Δφ_e)] 

其中I₀为光纤陀螺中的光强，Δφ_e为相位调制项。 

所述的步骤3)对调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B 进行计算具体包括： 

1)根据获得的调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B，令sA＝I_A+I_B，sB＝I_A-I_B，sA为调制步A和调制步B的数字输出信号求和项，sB为调制步A和调制步B的数字输出信号求差项； 

2)采用以下公式对sA和sB信号进行计算： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e=\arcsin \{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\&CenterDot;\frac{1+\cos \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2}}{{\sin }^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)+{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2\mathrm{co}{s}^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)}\}\\ I_0=\frac{\mathrm{sB}}{2\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e\right)}\end{array}\right.$

获得当前时刻光纤陀螺中的光强I₀和相位调制项Δφ_e。 

所述的相位调制信号可以通过相位调制器在任意时刻加入到光纤陀螺中，从而对任意时间下光纤陀螺的光强和相位调制项进行实时同步测量。 

本发明的有益效果为： 

提出了一种光纤陀螺中光强和相位调制项实时同步测量的方法，该方法测量可靠性高，无需对光纤陀螺的硬件进行改动，即可实现光纤陀螺中光强和相位调制项的实时和同步测量。可以对光纤陀螺在复杂环境条件下的光强和相位调制项的变化进行监测，以实现对光纤陀螺系统在复杂环境条件下光强和相位调制响应的评估。 

附图说明

图1所示为测试采用的调制信号，上图为相位调制器上所加的相位调制信号，中图为经过时延的相位调制信号，下图为经过时延差分的相位调制信号。 

图2所示为时，和Δφ_e的关系图。 

图3所示为测试中进行光纤陀螺中光强和相位调制项的持续测试，采用的周期方波相位调制信号，上图为相位调制器上所加的周期方波相位调制信号，中图为经过时延的周期方波相位调制信号，下图为经过时延差分的周期方波相位调制信号。 

图4所示为实施例测得的光纤陀螺中相位调制项的测量结果示意图。 

图5所示为实施例测得的光纤陀螺中光强的测量结果示意图。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

本发明方法包括以下步骤： 

1)通过相位调制器，在光纤陀螺中加入相位调制信号，每一个相位调制信号由调制步A和调制步B组成，两个调制步的持续时间均为光纤陀螺中光纤环 的渡越时间，调制步A和调制步B的调制相位分别为-Δφ_b、Δφ_b； 

2)光纤陀螺在步骤1)中所述的相位调制信号调制下，对其中的调制步A和调制步B对应的输出信号进行模拟数字转换采样，获得调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B； 

3)根据获得的调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B进行计算，获得光纤陀螺当前时刻的光强I₀和相位调制项Δφ_e； 

4)重复步骤1)～3)进行测量，可以得到各个测试时间点下对应的光强I₀(t)和相位调制项Δφ_e(t)，t为各个测试时间点的时间。 

调制相位Δφ_b在测量过程中为固定值，调制相位Δφ_b取0～π中不为0、π的任意值。 

优选的调制相位

步骤2)中获得的调制步A的数字输出信号I_A为以下公式： 

I_A＝I₀[1+cos(-Δφ_b+Δφ_e)] 

获得的调制步B的数字输出信号I_B为以下公式： 

I_B＝I₀[1+cos(Δφ_b+Δφ_e)] 

其中I₀为光纤陀螺中的光强，Δφ_e为相位调制项。 

步骤3)对调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B进行计算具体包括： 

1)根据获得的调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B，令sA＝I_A+I_B，sB＝I_A-I_B，sA为调制步A和调制步B的数字输出信号求和项，sB为调制步A和调制步B的数字输出信号求差项； 

2)采用以下公式对sA和sB信号进行计算： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e=\arcsin \{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\&CenterDot;\frac{1+\cos \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2}}{{\sin }^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)+{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2\mathrm{co}{s}^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)}\}\\ I_0=\frac{\mathrm{sB}}{2\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e\right)}\end{array}\right.$

获得当前时刻光纤陀螺中的光强I₀和相位调制项Δφ_e。 

其中相位调制信号可以通过相位调制器在任意时刻加入到光纤陀螺中。 

如图1所示为测试采用的相位调制信号，最上面的为相位调制器上所加的相位调制信号，含有a、b、c三个调制步，每个调制步的持续时间为光纤陀螺中 光纤环的渡越时间；中间的为最上面的相位调制信号经过时延的相位调制信号，时延长度为一个光纤陀螺中光纤环的渡跃时间；最下面的为经过时延差分的相位调制信号，也就是最终加在光纤陀螺上的相位调制信号，其由调制步A、调制步B组成，对应的调制相位大小分别为-Δφ_b、Δφ_b。其中Δφ_b可以在0～π内取值，但为保证测量的准确性，一般取在附近，最优值为通过光纤陀螺内的采样电路对调制步A、调制步B对应的光纤陀螺输出信号进行模拟数字转换采样，获得两个采样信号I_A和I_B，如公式4所示。 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=I_0[1+\cos (-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e)]\\ I_B=I_0[1+\cos ({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b+{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e)]\end{array}\right.---\left(4\right)$

对它们进行求和和求差后获得sA和sB两个信号，如公式5所示。 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sA}=I_A+I_B=2I_0(1+\cos {\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\cos {\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e)\\ \mathrm{sB}=I_A-I_B=2I_0\sin {\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\sin {\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中sA为调制步A和调制步B的数字输出信号求和项，sB为调制步A和调制步B的数字输出信号求差项。首先用sB除以sA获得如公式6所示： 

$\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}=\frac{\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e\right)}{\text{1cos}\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\cos \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e\right)}---\left(6\right)$

根据公式7对Δφ_e进行求解： 

${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e=\arcsin \{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\&CenterDot;\frac{1+\cos \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2}}{{\sin }^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)+{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2{\cos }^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)}\}---\left(7\right)$

从而获得相位调制项Δφ_e。然后根据公式对光强进行求解，这样就获得了一个时间点下的光强和相位调制项。 

如图2所示为公式6中和Δφ_e的关系图，在[-(π-Δφ_b),(π-Δφ_b)]区间内为单调函数，当Δ_φb取在附近时，可以在光纤陀螺的测量范围内求解出Δφ_e唯一的解。 

如图3所示为当需要进行连续测量时采用的调制波形，采用的周期方波相 位调制信号，最上面的为相位调制器上所加的周期方波相位调制信号，中间为经过时延的周期方波相位调制信号，最上面的为经过时延差分的周期方波相位调制信号。由于所述方法中采用的相位调制信号可以在任意时刻加入到光纤陀螺中，因此在连续测量时可以使用周期方波相位调制信号。此时在相位调制器上加入周期方波相位调制信号，每一个周期中的调制相位大小分别为0、Δφ_b。经过时延差分后加在光纤陀螺中的相位调制信号也为周期方波相位调制信号，每一个周期中的调制相位大小分别为-Δφ_b、Δφ_b，对应于之前所述的A、B调制步。这样在每一个周期中对光强和相位调制项进行计算，即可实现这两项参数的持续测量。 

本发明的原理如下： 

在光纤陀螺中，通过相位调制器加入相位调制信号，相位调制信号含有三个调制步a、b、c，每个调制步的持续时间等于光纤陀螺中光纤环的渡越时间，三个调制步对应的相位大小分别为Δφ_b、0、Δφ_b。根据光纤陀螺中的时延差分调制，对光纤陀螺引入的相位调制为在相位调制器上所加调制相位时延差分的结果，时延长度为一个光纤陀螺中光纤环的渡越时间，其中对应于A、B两个调制步，对应的调制相位的大小分别为-Δφ_b和Δφ_b。 

光纤陀螺的信号响应函数为I＝I₀[1+cos(Δφ)]，I₀为光纤陀螺中的光强，Δφ为光纤陀螺中的非互易相位差。当加入调制相位时，Δφ由调制相位和待测的相位调制项组成，A、B调制步对应的光纤陀螺输出如公式4所示，其中Δφ_e为待测的相位调制项。 

然后需要对其中的光强I₀和相位调制项Δφ_e进行解算。首先对I_A和I_B进行求和与做差，分别得到sA和sB两个信号，如公式5所示。 

将sB除以sA获得公式6。公式6为一个周期函数，在[-(π-Δφ_b),(π-Δφ_b)]区间内为单调函数，而光纤陀螺的测量范围一般为只要Δφ_b取小于即可将光纤陀螺的测量范围置于公式6的单调区间内，从而使相位调制项Δφ_e获得唯一解。图2所示为时，和Δφ_e的关系，可以看出在区间内函数为单调递增函数，可以根据的值获得Δφ_e的唯一解。实际上，一般要使所测的sA和sB信号具有一定的大小，以提高测量的准确性，选择Δφ_b应在附近，最优值为此时Δφ_e在光纤陀螺的测量范围内为单调函数。 

因此，对公式6在相位区间内进行方程求解，可以获得Δφ_e的表达式如公式7所示。 

获得Δφ_e后，根据sB的表达式，可以获得光强I₀的表达式为 为数字量形式。最后获得了这一时刻的光强和相位调制项，通过在不同时刻进行测量，可以获得不同时刻下的光强和相位调制项。 

本发明的具体实施例如下： 

如图4和图5所示，本发明的具体实施例中的调制相位采用为

具体实施中测得的在100Hz角速率输入情况下光纤陀螺中光强和相位调制项的测量结果。根据测量结果，在实验条件下，光纤陀螺中引入了频率为100Hz、幅度为0.005675rad的相位调制项。光强的均值为1.659e6，其中含有频率为100Hz、幅度为1605和频率为200Hz、幅度为7557的光强调制项。可见被测的光纤陀螺存在有倍频谐振，导致光强中出现了倍频的光强调制项。这样就实现了光纤陀螺在特定环境下光强和相位调制项的实时同步测量，进而可以对光纤陀螺在复杂环境下这两项参数的响应进行评估。 

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)通过相位调制器，在光纤陀螺中加入相位调制信号，每一个相位调制信号由调制步A和调制步B组成，两个调制步的持续时间均为光纤陀螺中光纤环的渡越时间，调制步A和调制步B调制相位分别为-Δφ_b、Δφ_b；

2)光纤陀螺在步骤1)中所述的相位调制信号调制下，对其中的调制步A和调制步B对应的输出信号进行模拟数字转换采样，获得调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B；

3)根据获得的调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B进行计算，获得光纤陀螺当前时刻的光强I₀和相位调制项Δφ_e；

4)重复步骤1)～3)进行测量，可以得到各个测试时间点下对应的光强I₀(t)和相位调制项Δφ_e(t)，t为各个测试时间点的时间。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法，其特征在于：所述的调制相位Δφ_b取0～π中不为0、π的任意值。

3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法，其特征在于：所述的调制相位Δφ_b为

4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中获得的调制步A的数字输出信号I_A为以下公式：

I_A＝I₀[1+cos(-Δφ_b+Δφ_e)]

获得的调制步B的数字输出信号I_B为以下公式：

I_B＝I₀[1+cos(Δφ_b+Δφ_e)]

其中I₀为光纤陀螺中的光强，Δφ_e为相位调制项。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法，其特征在于：

所述的步骤3)对调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B进行计算具体包括：

1)根据获得的调制步A的数字输出信号I_A和调制步B的数字输出信号I_B，令sA＝I_A+I_B，sB＝I_A-I_B，sA为调制步A和调制步B的数字输出信号求和项，sB为调制步A和调制步B的数字输出信号求差项；

2)采用以下公式对sA和sB信号进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e=\arcsin \{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\&CenterDot;\frac{1+\cos \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2}}{{\sin }^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)+{\left(\frac{\mathrm{sB}}{\mathrm{sA}}\right)}^2\mathrm{co}{s}^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)}\}\\ I_0=\frac{\mathrm{sB}}{2\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_b\right)\sin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_e\right)}\end{array}\right.$

获得当前时刻光纤陀螺中的光强I₀和相位调制项Δφ_e。

6.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法，其特征在于：所述的相位调制信号可以通过相位调制器在任意时刻加入到光纤陀螺中，从而对任意时间下光纤陀螺的光强和相位调制项进行实时同步测量。