CN105973220A - 一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法及其装置，包括可调谐半导体激光器、隔离器、50％耦合器、第一路相位调制器、第二路相位调制器、第一路信号源、第二路信号源、输入端95％耦合器、光纤环形谐振腔、输出端95％耦合器、第一路光电探测器、第一路锁相放大器、频率伺服回路、第三路锁相放大器、第三路信号源、第二路光电探测器、第二路锁相放大器和强度补偿算法模块。本发明能有效补偿激光器因光功率变化带来的陀螺输出误差，提高陀螺输出的精度，采用的强度补偿算法，能做到实时补偿，算法只需在代码中实现，无需额外的光学器件和电学模块，结构简单，有利于系统小型化。

Description

一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调 制噪声的抑制方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学传感以及信号检测技术领域，尤其涉及一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法及其装置。

背景技术

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种惯性传感器。理论研究结果表明，谐振式光纤陀螺可以采用相比于干涉式光纤陀螺(Interferometer Fiber Optic Gyro，I-FOG)短得多的光纤，而达到与干涉式光纤陀螺接近的检测精度，因此，在实现陀螺小型化及降低陀螺成本方面具有潜在的优势。

可调谐窄线宽半导体激光器是实现谐振式光纤陀螺系统小型化的重要光源。在采用半导体激光器作为光源的谐振式光纤陀螺信号检测系统中，通常采用调谐半导体激光器注入电流的方法将出射光的频率锁定在光纤环形谐振腔(Fiber Ring Resonator,FRR)的谐振频率，从而实现系统环路的闭环锁定。然而，当半导体激光器的注入电流发生改变时，激光器的输出光功率同时会受到一定的伴随强度调制，这种伴随强度调制效应会影响谐振式光纤陀螺系统的性能。因此，采取一定的方法抑制这种由半导体激光器引入的伴随强度调制噪声对改善谐振式光纤陀螺的性能具有重要意义。

发明内容

本发明是针对现有谐振式光纤陀螺系统中半导体激光器的强度调制噪声问题，提出了一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法及其装置。

基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法包括:

1)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第三路(即闭环路)二次频信号V_d2的表达式为：

$V_{d2}=G_1{P}_1{A}_{D1}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+2}\left(M\right)h_n{h}_{n+2}\sin ({\mathrm{\φ}}_{n+2}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(1\right)$

式中，G₁＝k_c1(1-ɑ_c1)(1-ɑ_PM1)，其中k_c1和ɑ_c1分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑ_PM1为闭环路相位调制器(4)的插入损耗，P₁为光电探测器(11)的转换系数，A_D1为锁相放大器(14)的增益，I为激光器输出光强，J_n(M)为贝塞尔函数，M为相位调制系数，h_n为谐振腔传递函数的幅度特性，φ_n为谐振腔传递函数的相位特性，闭环条件下，激光器频率始终锁定在光纤环形谐振腔闭环路的谐振频率，因此，h_n与φ_n理论上保持不变；系统参数G₁、P₁、A_D1及M为常数，根据(1)式，得到第三路二次频信号V_d2正比于激光器输出光强I。根据二次频信号与激光器输出光强的线性关系，采用实时监测第三路二次频信号的方法实现对激光器光功率波动的跟踪；

2)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第二路(即开环路)一次频信号V_d的表达式为：

$V_d=G_2{P}_2{A}_{D2}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+1}\left(M\right)h_n{h}_{n+1}\sin ({\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(2\right)$

式中，G₂＝k_c1(1-ɑ_c1)(1-ɑ_PM2)，其中k_c1和ɑ_c1分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑ_PM2为闭环路相位调制器(5)的插入损耗，P₂为光电探测器(16)的转换系数，A_D2为锁相放大器(17)的增益，根据(2)式，当半导体激光器输出光强I发生强度调制时，会直接造成第一路陀螺输出信号V_d的波动，为了抑制该强度调制噪声，对陀螺输出信号进行实时补偿，补偿后的陀螺输出信号表达式为：

$V_{d\_c}=V_{d2\_0}/V_{d2}\·G_2{P}_2{A}_{D2}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)h_n{h}_{n+1}\sin ({\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(3\right)$

式中，V_{d2_0}是V_d2的基准信号，表示当可调谐半导体激光器(1)的调谐端注入电流为0时，第三路锁相放大器(14)的二次频解调输出。令α＝V_{d2_0}/V_d2为补偿系数。通过实时监测第三路锁相放大器(14)的二次频解调输出V_d2，计算得到α，将陀螺第二路锁相放大器(17)的解调输出信号乘以补偿系数α，从而实现对强度调制噪声的抑制。

3)利用数字芯片，通过算法软件实现强度噪声补偿。通过第三路锁相放大器(14)实现闭环路二次频解调，用于实时监测光强波动，并将该二次频解调信号V_d2作为强度补偿算法模块(18)的一路输入。通过第二路锁相放大器(17)实现开环路一次频解调，并将该一次频解调信号V_d作为强度补偿算法模块(18)的另一路输入。在数字算法模块中，根据V_d2及预先存储在数字芯片中的二次频基准信号V_{d2_0}计算得到补偿系数α。最后，将V_d与α相乘的积作为强度补偿算法模块(18)的输出信号，从而实现对陀螺输出信号的强度调制补偿。

基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制装置：可调谐半导体激光器(1)、隔离器(2)、50％耦合器(3)、第一路相位调制器(4)、第二路相位调制器(5)、第一路信号源(6)、第二路信号源(7)、输入端95％耦合器(8)、光纤环形谐振腔(9)、输出端95％耦合器(10)、第一路光电探测器(11)、第一路锁相放大器(12)、频率伺服回路(13)、第三路锁相放大器(14)、第三路信号源(15)、第二路光电探测器(16)、第二路锁相放大器(17)和强度补偿算法模块(18)；可调谐半导体激光器(1)与隔离器(2)相连，隔离器(2)与50％耦合器(3)相连，50％耦合器(3)两路输出分别与第一路相位调制器(4)和第二路相位调制器(5)相连，第一路相位调制器(4)和第二路相位调制器(5)的输出光通过95％耦合器(8)进入光纤环形谐振腔(9)，光纤环形谐振腔(9)的两路光通过95％耦合器(10)输出，95％耦合器(10)的输出端分别与第一路光电探测器(11)和第二路光电探测器(16)相连，第一路光电探测器(11)的输出端分别与第一路锁相放大器(12)、第三路锁相放大器(14)相连，第一路锁相放大器(12)输出与频率伺服回路(13)相连，频率伺服回路(13)输出与可调谐半导体激光器(1)调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器(14)输出与强度补偿算法模块(18)相连，第二路光电探测器(16)输出与第二路锁相放大器(17)相连，第二路锁相放大器(17)输出与强度补偿算法模块(18)相连；第一路信号源(6)作为第一路相位调制器(4)的调制信号和第一路锁相放大器(12)的同步解调信号；第二路信号源(7)作为第二路相位调制器(5)的调制信号和第二路锁相放大器(17)的同步解调信号，第三路信号源(15)作为第三路锁相放大器(14)的同步解调信号。

所述的第三路信号源(15)的频率是第一路信号源(6)频率的2倍，第三路锁相放大器(14)用于实时解调二次频信号，实现对激光光强的检测。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)本发明能有效补偿激光器因光强调制带来的陀螺输出误差，提高陀螺输出的精度。

2)本发明采用的检测锁定路二次频解调输出来检测陀螺入腔光强，能做到实时监测，方法简单，无需增加额外的光学及电学器件，有利于系统小型化。

3)本发明采用的强度补偿算法，锁定路二次频解调输出和开环路一次频解调输出作为强度补偿算法的输入，能做到实时补偿，算法只需在代码中实现，无需增加额外的光学及电学器件，结构简单，有利于系统小型化。

附图说明

图1是基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声抑制的结构图；

图2是基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声抑制的装置图；

图中：可调谐半导体激光器1、隔离器2、50％耦合器3、第一路相位调制器4、第二路相位调制器5、第一路信号源6、第二路信号源7、输入端95％耦合器8、光纤环形谐振腔9、输出端95％耦合器10、第一路光电探测器11、第一路锁相放大器12、频率伺服回路13、第三路锁相放大器14、第三路信号源15、第二路光电探测器16、第二路锁相放大器17、强度补偿算法模块18。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声抑制的结构包括由可调谐半导体激光器1、隔离器2、50％耦合器3、第一路相位调制器4、第二路相位调制器5、第一路信号源6、第二路信号源7、输入端95％耦合器8、光纤环形谐振腔9、输出端95％耦合器10、第一路光电探测器11、第一路锁相放大器12、频率伺服回路13、第三路锁相放大器14、第三路信号源15、第二路光电探测器16、第二路锁相放大器17和强度补偿算法模块18。可调谐半导体激光器1与隔离器2相连，隔离器2与50％耦合器3相连，50％耦合器3两路输出分别与第一路相位调制器4和第二路相位调制器5相连，第一路相位调制器4和第二路相位调制器5的输出光通过95％耦合器8进入光纤环形谐振腔9，光纤环形谐振腔9的两路光通过95％耦合器10输出，95％耦合器10的输出端分别与第一路光电探测器11和第二路光电探测器16相连，第一路光电探测器11的输出端分别与第一路锁相放大器12、第三路锁相放大器14相连，第一路锁相放大器12输出与频率伺服回路13相连，频率伺服回路13输出与可调谐半导体激光器1调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器14输出与强度补偿算法模块18相连接，第二路光电探测器16输出与第二路锁相放大器17相连，第二路锁相放大器17输出与强度补偿算法模块18相连接；第一路信号源6作为第一路相位调制器4的调制信号和第一路锁相放大器12的同步解调信号；第二路信号源7作为第二路相位调制器5的调制信号和第二路锁相放大器17的同步解调信号，第三路信号源15作为第三路锁相放大器14的同步解调信号。

可调谐半导体激光器1发出激光经过隔离器2和50％耦合器3分成光功率大小相等的两束光：顺时针路和逆时针路。两路光分别经过第一路相位调制器4和第二路相位调制器5进入光纤环形谐振腔9。逆时针路激光经过光纤环形谐振腔9以后通过第一路光电探测器11进行光电转换，其中一路再通过第一路锁相放大器12进行解调，最后将解调输出通过频率伺服回路13去控制可调谐小型化激光器1输出光的频率，另一部分通过第三路锁相放大器14进行二次频解调，最后将该二次频解调输出信号作为强度补偿算法模块18的一路输入信号，顺时针路解调输出作为强度补偿算法模块18的另一路输入信号，最后强度补偿算法模块18的输出作为陀螺输出信号。

第三路信号源15的频率是第一路信号源6频率的2倍，第三路锁相放大器14用于实时解调二次频信号，实现对激光光强的检测。

基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法包括：

逆时针光路的输出光在由光电探测器转换成电信号后，分别用一次频正弦信号和二次频正弦信号解调。其中，一次频解调信号用于闭环反馈；二次频解调信号输入到强度补偿算法模块，用于实时补偿光功率波动带来的陀螺输出波动。需要说明的是，强度补偿算法的执行过程中，光波频率被锁定在光纤环形谐振腔逆时针路的谐振频率点，此时，闭环路的二次频信号与光强成线形关系。

具体处理方法如下：

1)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第三路(闭环路)二次频信号V_d2的表达式为：

$V_{d2}=G_1{P}_1{A}_{D1}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+2}\left(M\right)h_n{h}_{n+2}\sin ({\mathrm{\φ}}_{n+2}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(1\right)$

式中，G₁＝k_c1(1-ɑ_c1)(1-ɑ_PM1)，其中k_c1和ɑ_c1分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑ_PM1为闭环路相位调制器(4)的插入损耗，P₁为光电探测器(11)的转换系数，A_D1为锁相放大器(14)的增益，I为激光器输出光强，J_n(M)为贝塞尔函数，M为相位调制系数，h_n为谐振腔传递函数的幅度特性，φ_n为谐振腔传递函数的相位特性，闭环条件下，激光器频率始终锁定在光纤环形谐振腔闭环路的谐振频率，因此，h_n与φ_n理论上保持不变；系统参数G₁、P₁、A_D1及M为常数，根据(1)式，得到第三路二次频信号V_d2正比于激光器输出光强I。根据二次频信号与激光器输出光强的线性关系，采用实时监测第三路二次频信号的方法实现对激光器光功率波动的跟踪；

2)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第二路(即开环路)一次频信号V_d的表达式为：

$V_d=G_2{P}_2{A}_{D2}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+1}\left(M\right)h_n{h}_{n+1}\sin ({\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(2\right)$

式中，G₂＝k_c1(1-ɑ_c1)(1-ɑ_PM2)，其中k_c1和ɑ_c1分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑ_PM2为闭环路相位调制器(5)的插入损耗，P₂为光电探测器(16)的转换系数，A_D2为锁相放大器(17)的增益，根据(2)式，当半导体激光器输出光强I发生强度调制时，会直接造成第一路陀螺输出信号V_d的波动，为了抑制该强度调制噪声，对陀螺输出信号进行实时补偿，补偿后的陀螺输出信号表达式为：

$V_{d\_c}=V_{d2\_0}/V_{d2}\·G_2{P}_2{A}_{D2}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)h_n{h}_{n+1}\sin ({\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(3\right)$

式中，V_{d2_0}是V_d2的基准信号，表示当可调谐半导体激光器(1)的调谐端注入电流为0时，第三路锁相放大器(14)的二次频解调输出。令α＝V_{d2_0}/V_d2为补偿系数。通过实时监测第三路锁相放大器(14)的二次频解调输出V_d2，计算得到α，将陀螺第二路锁相放大器(17)的解调输出信号乘以补偿系数α，从而实现对强度调制噪声的抑制。

3)利用数字芯片，通过算法软件实现强度噪声补偿。通过第三路锁相放大器(14)实现闭环路二次频解调，用于实时监测光强波动，并将该二次频解调信号V_d2作为强度补偿算法模块(18)的一路输入。通过第二路锁相放大器(17)实现开环路一次频解调，并将该一次频解调信号V_d作为强度补偿算法模块(18)的另一路输入。在数字算法模块中，根据V_d2及预先存储在数字芯片中的二次频基准信号V_{d2_0}计算得到补偿系数α。最后，将V_d与α相乘的积作为强度补偿算法模块(18)的输出信号，从而实现对陀螺输出信号的强度调制补偿。

Claims (3)

1.一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制方法，其特征在于包括：

1)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第三路(即闭环路)二次频信号V_d2的表达式为：

$V_{d2}=G_1{P}_1{A}_{D1}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+2}\left(M\right)h_n{h}_{n+2}sin({\mathrm{\φ}}_{n+2}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(1\right)$

式中，G₁＝k_c1(1-ɑ_c1)(1-ɑ_PM1)，其中k_c1和ɑ_c1分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑ_PM1为闭环路相位调制器(4)的插入损耗，P₁为光电探测器(11)的转换系数，A_D1为锁相放大器(14)的增益，I为激光器输出光强，J_n(M)为贝塞尔函数，M为相位调制系数，h_n为谐振腔传递函数的幅度特性，φ_n为谐振腔传递函数的相位特性，闭环条件下，激光器频率始终锁定在光纤环形谐振腔闭环路的谐振频率，因此，h_n与φ_n理论上保持不变；系统参数G₁、P₁、A_D1及M为常数，根据(1)式，得到第三路二次频信号V_d2正比于激光器输出光强I。根据二次频信号与激光器输出光强的线性关系，采用实时监测第三路二次频信号的方法实现对激光器光功率波动的跟踪；

2)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第二路(即开环路)一次频信号V_d的表达式为：

$V_d=G_2{P}_2{A}_{D2}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+1}\left(M\right)h_n{h}_{n+1}sin({\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(2\right)$

式中，G₂＝k_c1(1-ɑ_c1)(1-ɑ_PM2)，其中k_c1和ɑ_c1分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑ_PM2为闭环路相位调制器(5)的插入损耗，P₂为光电探测器(16)的转换系数，A_D2为锁相放大器(17)的增益，根据(2)式，当半导体激光器输出光强I发生强度调制时，会直接造成第一路陀螺输出信号V_d的波动，为了抑制该强度调制噪声，对陀螺输出信号进行实时补偿，补偿后的陀螺输出信号表达式为：

$V_{d\_c}=V_{d2\_0}/V_{d2}\·G_2{P}_2{A}_{D2}I\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left(M\right)J_{n+1}\left(M\right)h_n{h}_{n+1}sin({\mathrm{\φ}}_{n+1}-{\mathrm{\φ}}_n)---\left(3\right)$

式中，V_{d2_0}是V_d2的基准信号，表示当可调谐半导体激光器(1)的调谐端注入电流为0时，第三路锁相放大器(14)的二次频解调输出，令α＝V_{d2_0}/V_d2为补偿系数。通过实时监测第三路锁相放大器(14)的二次频解调输出V_d2，计算得到α，将陀螺第二路锁相放大器(17)的解调输出信号乘以补偿系数α，从而实现对强度调制噪声的抑制；

3)通过第三路锁相放大器(14)实现闭环路二次频解调，用于实时监测光强波动，并将该二次频解调信号V_d2作为强度补偿算法模块(18)的一路输入。通过第二路锁相放大器(17)实现开环路一次频解调，并将该一次频解调信号V_d作为强度补偿算法模块(18)的另一路输入。在数字算法模块中，根据V_d2及预先存储在数字芯片中的二次频基准信号V_{d2_0}计算得到补偿系数α。最后，将V_d与α相乘的积作为强度补偿算法模块(18)的输出信号，从而实现对陀螺输出信号的强度调制补偿。

2.一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制装置，其特征在于包括可调谐半导体激光器(1)、隔离器(2)、50％耦合器(3)、第一路相位调制器(4)、第二路相位调制器(5)、第一路信号源(6)、第二路信号源(7)、输入端95％耦合器(8)、光纤环形谐振腔(9)、输出端95％耦合器(10)、第一路光电探测器(11)、第一路锁相放大器(12)、频率伺服回路(13)、第三路锁相放大器(14)、第三路信号源(15)、第二路光电探测器(16)、第二路锁相放大器(17)和强度补偿算法模块(18)；可调谐半导体激光器(1)与隔离器(2)相连，隔离器(2)与50％耦合器(3)相连，50％耦合器(3)两路输出分别与第一路相位调制器(4)和第二路相位调制器(5)相连，第一路相位调制器(4)和第二路相位调制器(5)的输出光通过95％耦合器(8)进入光纤环形谐振腔(9)，光纤环形谐振腔(9)的两路光通过95％耦合器(10)输出，95％耦合器(10)的输出端分别与第一路光电探测器(11)和第二路光电探测器(16)相连，第一路光电探测器(11)的输出端分别与第一路锁相放大器(12)、第三路锁相放大器(14)相连，第一路锁相放大器(12)输出与频率伺服回路(13)相连，频率伺服回路(13)输出与可调谐半导体激光器(1)调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器(14)输出与强度补偿算法模块(18)相连，第二路光电探测器(16)输出与第二路锁相放大器(17)相连，第二路锁相放大器(17)输出与强度补偿算法模块(18)相连；第一路信号源(6)作为第一路相位调制器(4)的调制信号和第一路锁相放大器(12)的同步解调信号；第二路信号源(7)作为第二路相位调制器(5)的调制信号和第二路锁相放大器(17)的同步解调信号，第三路信号源(15)作为第三路锁相放大器(14)的同步解调信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于二次频信号检测技术的谐振式光纤陀螺光源强度调制噪声的抑制装置，其特征在于所述的第三路信号源(15)的频率是第一路信号源(6)频率的2倍，第三路锁相放大器(14)用于实时解调二次频信号，实现对激光光强的检测。