CN106507910B - 基于fpga的全数字处理闭环光纤陀螺 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，由光路部分和电路部分组成，光路部分由宽带光源、光纤耦合器，多功能集成光学芯片和光纤线圈构成，电路部分由放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器等构成，FPGA逻辑电路来完成数字信号的处理，其产生的方波调制与数字阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上，其中光纤线圈为在其一端或两端加有lyot消偏器的单模光纤。本发明由于采用了在单模光纤线圈的基础上增加了lyot消偏器，这样沿单模光纤的偏振演变就不再对陀螺输出产生影响，提高了光纤陀螺的零偏稳定性，进而使得陀螺精度大大提高；此外采用加消偏器的单模光纤线圈与保偏光纤的调制解调方式相同，但其成本仅为保偏光纤价格的十几分之一。

Description

基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺

所属技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺，特别是一种基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺。

背景技术

光纤陀螺作为一种新型无运动部件的全固态惯性仪表，通常用于导航和制导目的，通过系统解算提供运动载体的姿态和方位信息；作为角速率传感器，还可用来操纵汽车、机器人等。光纤陀螺不仅能精确地测定角速率，而且还能通过积分角速率提供方向数据。目光纤陀螺已被广泛应用于航空、航天、航海、兵器和其它工业领域中。在光纤陀螺中应用最广泛的是干涉式光纤陀螺，其工作原理是：从共用光源中发出的两个相干光通过位于旋转载体上的一个闭合光路系统，沿两个相反方向传播时，其传输的两个方向的光波具有不同的光程差，这种光程差产生一个相位差，人们通过干涉方法和调制解调技术检测出该相位差，从而可以测量出载体的旋转速率。产生的这一非互易性相位差是法国科学家Sagnac于1913年第一次提出的，因此称为Sagnac相移。

目前，干涉式光纤陀螺主要有开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺。开环光纤陀螺的设计采用了标准的全光纤型最简配置的光路，光路中应用压电陶瓷调制器(PZT)用来拉伸光纤环和影响所需的零偏调制，解调后的输出是一个代表转速的开环数值，这种采用PZT调制器的开环系统，由于调制频率远远低于光纤线圈的本征频率，无法得到最大的信号强度，另一方面陀螺没有工作在最灵敏的零点，因而实现的精度较低。闭环光纤陀螺的基本原理是在光纤环中人为地引入一非互易的补偿相移，以抵消由于光纤环转动产生的Sagnac相移，补偿相移与Sagnac相移大小相等，方向相反，光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零个位差点附近，陀螺的输出信号(转速)可以从补偿相移中获得，这时的陀螺动态范围取决于补偿相移的器件性能，较之开环陀螺，闭环光纤陀螺扩大了线性动态范围，提高了偏置稳定性。在电路实现上，根据选用的解调手段和进行相位调制的控制波形的不同，闭环光纤陀螺又分为模拟闭环和全数字闭环。模拟闭环光纤陀螺采用锯齿波反馈来实现相位补偿，它要求反馈锯齿波具有非常短、并且稳定的回扫时间，以提高标度因数稳定性和线性度，但在具体实现上，由于锯齿波的回扫时间和斜波的非线性及2π复位精度的影响，导致光纤陀螺标度因数的线性度和稳定性受到了限制，同时模拟器件组成的电路调整困难，一致性差，因而目前国内外一般都采用阶段波反馈实现相位补偿的全数字闭环方案。这种全数字闭环陀螺一般由光路部分和电路部分组成，光路部分由光源、光纤耦合器，光电转换器、集成多功能光学器件Y波导和光纤线圈构成，其原理是从光源发出的光，经光纤耦合器和集成多功能光学器件Y波导后分成两束，分别按顺时针和逆时外方向沿光纤线圈传输，并在集成多功能光学器件Y波导的Y分支的合光点上发生干涉相位差，此相位差由集成多功能光学器件Y波导调制和反馈后再次经过光纤耦合器，之后到达光电转换器；电路部分由前置放大、A/D转换、逻辑电路、D/A转换器等组成，前置放大电路对光电转换器的输出调制模拟信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器进行模数转换后，送入逻辑电路对数字量进行处理，并存贮陀螺的输出信号，同时还将其产生的数字解调信号经过D/A转换器反馈输入到集成多功能光学器件Y波导上，形成全数字闭环处理的光纤陀螺。在上述全数字闭环处理的光纤陀螺中，光纤线圈一般采用保偏光纤或单模光纤线圈，由于单模光纤中产生的不可控值的和与环境(如温度、应力、扭曲等)有关的偏振演变会引起偏正噪声和偏振游离，前者会导致陀螺零偏稳定性劣化，后者造成信号衰减和涨落，同样消弱陀螺性能；而采用保偏光纤，由于其工艺复杂、批量小，其成本比通信用的标准单模光纤要高几十倍，使得光纤在整个陀螺成本中所占的比重很大，大大限制了中高精度光纤陀螺的批量生产和与其它机电陀螺的竞争能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的全数字处理的闭环光纤陀螺，这种光纤陀螺的零偏稳定性及陀螺精度大大提高，且成本低、体积小、重量轻、功耗小。

本发明的技术解决方案是：基于FPGA的全数字处理的闭环光纤陀螺，光路部分由宽带光源、光纤耦合器，光电探测器、多功能集成光学芯片和光纤线圈构成，从宽带光源发出的光，经光纤耦合器和多功能集成光学芯片后分成两束，分别按顺时针和逆时针方向沿光纤线圈传输，并在多功能集成光学芯片的Y分支的合光点上发生干涉相位差，此相位差由多功能集成光学芯片调制和反馈后经过光纤耦合器，之后到达光电探测器；电路部分包括放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器，放大滤波电路对光电探测器的输出模拟信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器进行模数转换后，送入逻辑电路进行处理，其产生的方波调制与数字相位阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上，其特征在于：所述的光纤线圈为在其一端或两端加有消偏器的单模光纤线圈。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明在单模光纤线圈的基础上增加了lyot消偏器，这样沿单模光纤的偏振演变就不再对陀螺输出产生影响，提高了光纤陀螺的零偏稳定性，进而使得陀螺精度大大提高；此外采用加消偏器的单模光纤线圈与保偏光纤的调制解调方式相同，但其成本仅为保偏光纤价格的十几分之一，使成本大大降低。

附图说明

图1为本发明的结构组成原理示意图；

图2为本发明中FPGA逻辑电路原理框图；

图3为本发明中多功能集成光学芯片采用双Y型结构的结构示意图；

图4为本发明中持续时间为的数字相位阶梯波形图；

图5为本发明中方波调制信号和数字相位阶梯波相反馈信号叠波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由光路部分和电路部分组成，光路部分由宽带光源1、光纤耦合器2、光电探测器5、多功能集成光学芯片3和光纤线圈4构成，其中光纤线圈4采用在其一端或两端加有Lyot消偏器12的单模光纤，在单模光纤两端加有Lyot消偏器12时，其效果更好，Lyot消偏器12由两段长度不等的高双折射光纤主轴成45°角融接而成，这样，可使输出光波随机地均匀分布在所有可能的偏振态上，偏振随机化程度与以消偏器的偏振度或者说与相对45°角的对准误差有关。另外，两段高双折射光纤的长度以及它们之间的长度差要远大于保偏光纤2的退偏长度，以便产生足够的时间延迟使沿其快轴和慢轴传播的光去相干。当光波经过陀螺输入/输出端口的消偏器12时，总有稳定的1/2光功率被通过，因此，沿单模光纤的偏振演变就不再对陀螺输出产生影响，提高了光纤陀螺的零偏稳定性。采用单模光纤线圈与保偏光纤的调制解调方式相同，但其成本仅为保偏光纤价格的十几分之一。

电路部分由前置放大和滤波电路6、A/D转换7、FPGA逻辑电路8、对FPGA逻辑电路产生的数字信号进行数模转换的D/A转换器9及对FPGA逻辑电路产生的2复位数字补偿信号的进行数模转换的D/A转换器10及增益控制电路11组成，放大滤波电路6对光电探测器5输出的信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器7进行模数转换后，送入FPGA逻辑电路8对数字量进行处理，并存贮陀螺的输出信号，同时其产生的方波调制信号和数字相位阶梯波反馈信号叠加之和进行经过D/A转换9，输入到增益控制器11中，由增益控制11调整增益幅后将方波调制信号和数字相位阶梯波反馈信号之和加到多功能集成光学芯片3的一臂上。

如图2所示，FPGA逻辑电路8主要由数字解调80、加法器81、存储器82、速率寄存器83、加法器84、存储器85、加法器86、晶振88、分频器87组成，其中数字解调80、加法器81和存储器82完成对多功能集成光学芯片3输出的调制误差信号的数字回路积分功能，产生数字相位阶梯波的高度；寄存器83、加法器84和存储器85完成对数字回路积分后的信号进行二次积分，产生数字相位阶梯波，加法器86将将晶振88和分频器87产生的方波调制信号作为偏置调制与数字相位阶梯波叠加后加到多功能集成电路芯片3的一臂上，使光纤线圈中的顺时针和逆时针光波产生一个固定相位差(等于阶梯波的高度)，抵消旋转引起的Sagnac相移，光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零个位差点附近，提高光纤陀螺的标度因数稳定性和动态范围，同时回路积分输出的旋转速率数字量存储在速率寄存器83中作为陀螺的输出值。

光路系统可以工作在0.8um，或1.3um，或1.55um三个光通信窗口，宽带光源1可以采用边发光二极管(ELED)，或超发光二极管(SLD)，或宽带掺铒光纤光源(SFS)。如果采用1.55um的宽带掺铒光纤光源(SFS)时，光纤线圈4需要采用大直径环圈和长度较长的保偏光纤(一般在1000km以上)。选择SFS是因为它有足够高的功率，可以在降额使用(为了保持长寿命)的情况下提供大于4mw的输出功率，可使散粒噪声和光电探测器5噪声值满足低角随机游走(ARW)的需要，工作在1.55μm波长提供了比0.8μm、1.3μm最低的辐射灵敏度，SFS输出的宽谱有助于减少宽带光源1相对强度噪声(RIN)和陀螺偏置不稳定性，且SFS的波长稳定性，与采用半导体二极管光源相比，可使陀螺很容易达到几PPm的标度因数稳定性。采用大直径环圈和长度较长的保偏光纤也是为了改善零偏稳定性和随机游走，这种很低的角随机游走、很长的寿命、高的可靠性，在飞船、潜艇、战略导弹等应用中，它具有达到任意高分辨率的能力，虽然采用铒光源是一种奢侈的方案，但在通信技术快速发展的今天，特别是在多轴工作条件下，噪声方面的代价很低。

光纤耦合器2采用2x2保偏光纤耦合器，或2x2单模光纤耦合器，如果光纤线圈4采用保偏光纤，光纤耦合器2最好也采用保偏光纤耦合器。

光电探测器5为Si-PIN/FET光电探测器或Zn/GaAs-PIN/FET光电探测器。

多功能集成光学芯片3可以采用单Y波导型多功能集成光学芯片，目前用的最多的是铌酸锂L_iNbO₃多功能集成光学芯片，如图1所示。也可以采用双Y型多功能集成光学芯片，如图3所示，它是将图1中的光纤耦合器2集成到了集成光学芯片3上，构成了双Y多功能集成光学芯片，这种结构特点是：为了避免Y分支上第四个端口(衬底)的辐射，利用一段保偏光纤作为空间模式滤波器连接两个Y分支的基波导，保偏光纤与铌酸锂波导的耦合端面按反射定律抛光成一定的倾角，以减少相干背向反射噪声，两个Y分支在铌酸锂基片上并行排列(方向相反)，缩短了器件长度，易于小型化。实际上，双Y与单Y多功能集成光路尺寸相同，都仅为35x10x5mm，但其优点是：集成度高，结构简单，利于批量生产和降低成本，精度适中，适于小型捷联组合系统的应用。

如图4、图5所示，加到集成光学芯片3中相位调制器上的信号有方波调制信号和持续时间为τ数字相位阶梯波之和的电压值及2π复位误差控制信号Φ_RS。方波调制信号为频率是1/2τ，调制幅值为2/π，或2π/3，或由它们构成的确定的或随机的序列，其中τ是光纤线圈4的传输时间，1/2τ称为光纤线圈的本征频率。当τ等于光导波在光纤线圈中的渡越时间时，在光纤线圈中以相反方向传播的两个光导波之间产生与相位阶梯高度相等的相位差，用以抵消旋转引起的Sagnac相移Φ_S。

在光纤陀螺得相位调制方面存在着两个基本问题：一个是信噪比问题，一个是调制信号电子耦合引起得整流效应。众所周知，旋转灵敏度正比于输出响应。在工作电的斜率p₀Sinφ₀，另一方面，光子散粒噪声正比于探测器接收得实际光功率的根方也既因而陀螺光路信噪比正比于也即从理论是讲φ₀＝π时，可获得最好的测试结果。由于φ₀＝π对应着干涉条纹的暗纹，且光路中还存在着其它得噪声，最佳工作点φ₀通常位于π/2和π之间。对于目前的光纤陀螺系统来说，一个典型值为φ₀＝2π/3。因此通过选择适当的调制振幅(过调制)，可以改善陀螺的信噪比，降低系统的随机游光。另一方面，为了消除调制信号的电子耦合问题，可以将方波调制π/2(或2π/3)与具有同样功能的另一个调制点3π/2(或)组合成一种确定的或随机的波形，在不影响调制的情况下，消除了通常的π/2或2π/3调制中的大部分耦合整流误差，可减少陀螺的空偏和死区。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，由光路部分和电路部分组成，光路部分由宽带光源、光纤耦合器，光电探测器、多功能集成光学芯片和光纤线圈构成，从宽带光源发出的光，经光纤耦合器和多功能集成光学芯片后分成两束，分别按顺时针和逆时针方向沿光纤线圈传输，并在多功能集成光学芯片的Y分支的合光点上发生干涉相位差，此相位差由多功能集成光学芯片调制和反馈后经过光纤耦合器，之后到达光电探测器；电路部分包括放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器，放大滤波电路对光电探测器的输出模拟信号进行前置放大和选通滤波，并通过A/D转换器进行模数转换后，送入逻辑电路进行处理，其产生的方波调制与数字相位阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上，其特征在于：所述的光纤线圈为在其一端或两端加有消偏器的单模光纤线圈。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，其特征在于：所述的消偏器采用lyot消偏器。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，其特征在于：所述的光纤耦合器是一个2x2单模光纤耦合器，或一个2x2保偏光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，其特征在于：所述的多功能集成光学芯片是Y波导型多功能集成光学芯片，或是双Y型多功能集成光学芯片。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的全数字处理闭环光纤陀螺，其特征在于：所述的宽带光源是边发光二极管，或超发光二极管，或宽带掺铒光源。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的全数字处理的闭环光纤陀螺，其特征在于：光电探测器采用跨阻抗高灵敏度Si-PIN/FET或ZnGaAs-PIN/FET光接收件。