CN107356266B - 基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法，属于光纤陀螺领域。所述的测量方法包括：调制生成接近偶倍光纤陀螺本征频率的锯齿波相位调制信号，叠加在方波偏置调制信号上，生成叠加调制信号；经过光纤敏感环传播输出的两束光受到所述叠加调制信号的相位调制，发生干涉；探测干涉信号获取在所述相位调制时的两束光产生的相位误差；改变所述的锯齿波相位调制信号的频率并检测所述的相位误差，当相位误差为零时，所述的锯齿波相位调制信号的频率恰好为本征频率的偶数倍，从而得出光纤陀螺本征频率。本发明不需要改变原有数字闭环光纤陀螺的基本结构就可以实现本征频率的高精度测量，还可以为相关性研究提供手段。

Description

基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺领域，具体是基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法。

背景技术

光纤陀螺是一种随着光纤技术迅速发展而出现的光学角速度传感器，具有无转动部件的全固态结构、体积小、重量轻、动态范围大、抗振动冲击、寿命长等优点，已经被作为一种重要的惯性传感器应用于航空、航天、航海等领域，并且光纤陀螺的研制正向着高精度的方向发展。

本征频率是光纤陀螺的一个极其重要的参数，它由光程来定义，具体为：光在光纤敏感环中传播的光程的两倍除光速。

数字闭环光纤陀螺是中高精度光纤陀螺的主要方案，而在数字闭环光纤陀螺中，需要将方波偏置调制的频率准确的调制在本征频率上。偏置调制频率偏离本征频率将会引起调制误差，对光纤陀螺的精度产生不利影响。而外界环境因素改变会造成本征频率发生变化，比如本征频率会随温度的改变而改变，会随光纤环的老化而改变，如果不知道光纤陀螺本征频率的具体数值，就不能将方波偏置调制频率调制到本征频率上，就会产生误差，所以获取不同温度条件下的光纤陀螺的特征频率，对于研制光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺具有重要意义。

宋凝芳等人提出基于不对称方波调制的光纤陀螺本征频率测试方法(参考文献【1】：宋凝芳，吕峰建，赵慧，金靖.基于不对称方波调制的光纤陀螺特征频率测试方法[J].中国惯性技术学报，2007，15(4)：494～496)，该方法从光纤陀螺本征频率的测试机理出发，采用不对称方波对Y波导进行调制，分析解调信号，得到相邻脉冲宽度差值的绝对值与特征频率的关系，并将本征频率的测试转化为极值搜索问题，通过Matlab仿真表明该测试方法的测试精度可达0.1kHz。该方法需要测量脉冲宽度，这与调制方波的形状关系紧密，因此得到精确的本征频率很困难，当调制频率接近本征频率时会有调制死区的存在，即当调制频率接近本征频率时调整调制频率，获得的脉冲宽度不再改变。

周友伟等人提出基于对称方波调制的光纤陀螺本征频率自动测试方法(参考文献【2】：周友伟,刘铁根,李茂春,侯丽丽,姚晓天.基于对称方波调制的光纤陀螺特征频率自动测试方法[J].激光与红外，2008，38(7)：676～679)，该方法从光纤陀螺的调制原理出发，采用频率为光纤环本征频率的1/2的对称方波对Y波导进行调制，分析光纤陀螺的输出信号，得到输出的方波信号的占空比与调制频率的对应关系，通过数据采集卡将占空比转化为方波上下峰值点数差的问题，并以此点数差作为反馈量调节对Y波导的调制频率实现对本征频率的自动锁定，试验表明该测试方法可在几秒钟之内完成而且测试精度可达0.01kHz。但是，该方法的测量精度不高，而且需要高性能的采集卡对占空比进行测量，对硬件的要求高，增加了成本。

王曦等人提出基于2倍本征频率调制的光纤陀螺本征频率测量方法(参考文献【3】：王曦，高延滨，霍亮.基于2倍特征频率调制的光纤陀螺特征频率测量方法[J].中国惯性技术学报，2011，19(4)：477～481)，该方法利用2倍本征频率的方波对Y波导进行调制，对解调信号进行分析，得到光电探测器输出脉冲与调制方波频率的关系，将本征频率测试的问题转化成了测量脉冲的问题，避免了复杂的软件编程和昂贵的测量器件。实验表明利用此方法测试光纤陀螺本征频率，精度可达50Hz。但是，其中存在的问题在于对本征频率的测量精度不够高，不能满足高精度光纤陀螺的研究需要，而且需要将光纤陀螺的光路分离后才能测量。

杨明伟等人提出了一种光纤陀螺本征频率的测量方法(参考文献【4】：MingweiYang,Yuanhong Yang.New measurement method for eigen frequency of a fiberoptic gyroscope[J].Optical Engineering,2013,52(2)：024401-1～024401-7)，该方法基于偶倍本征频率方波相位调制的光纤陀螺本征频率测量系统，测量系统采用的光路与实际陀螺的光路完全一致，该发明与其他现有的方法相比降低了对方波调制信号质量的严格要求，可在现有的陀螺系统基础上大幅度提高本征频率的测量精度，不需要增加硬件，并且保证测量精度优于5Hz。但是此方法对本征频率的测量精度仍不够高，依然不能满足高精度光纤陀螺的研究需要，而且此方法需要将光纤陀螺的光路分离后才能测量。

国外专利中有SAGNAC干涉仪本征频率探测器的发明(参考文献【5】：Standjord LK,Doheny D A.Eigen frequency detector for Sagnac interferometers:US,US7038783[P].2006.)，该发明是一种在正常陀螺运行时将偏置调制频率调制到本征频率上的方法。该方法包括用一个额外的相位调制器作用于传播于光纤环的光。这个额外的相位调制器产生一个“误差”信号，这个误差信号与陀螺偏置调制频率和本征频率之间的差频成比例。一个伺服回路控制陀螺运行频率于本征频率通过驱使“误差”信号到零，即将偏置调制频率调整到本征频率上。这是一种高精度的将偏置调制频率调节到光纤陀螺本征频率上的方法，但此方法不仅需要改变光路结构，需要在光路中增加一个额外的相位调制器，而且需要改变电路结构，增加比较器等元件使得电路十分复杂，增加了该装置的成本。

现有方法对本征频率的测量，精度普遍不高，难以满足研制高精度光纤陀螺的需要，结构也相对复杂，因此需要一种简单易行的本征频率的高精度测量方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提高光纤陀螺本征频率的测量精度，提出了一种基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法。

本发明基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法，包括：调制生成接近偶倍光纤陀螺本征频率的锯齿波相位调制信号，叠加在方波偏置调制信号上，生成叠加调制信号；经过光纤敏感环传播输出的两束光受到所述叠加调制信号的相位调制，发生干涉；探测干涉信号获取在所述相位调制时的两束光产生的相位误差；改变所述的锯齿波相位调制信号的频率并检测所述的相位误差，当相位误差为零时，所述的锯齿波相位调制信号的频率恰好为本征频率的偶数倍，从而得出光纤陀螺本征频率。

所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号，在光纤陀螺本征频率的测试范围内，按照设定步长改变频率值。

所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号通过FPGA生成，通过FPGA设置光纤陀螺本征频率的值，调制方波偏置调制信号的频率值为设置的本征频率值，调制锯齿波相位调制信号的频率值为设置的本征频率值的偶数倍。

所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号的时钟频率，由FPGA内部根据预先输入的频率调整表来改变。

所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号的时钟频率，通过在FPGA外部加入直接数字频率合成器或者压控振荡器来改变。

所述的获取两束光产生的相位误差，包括：

首先，将叠加调制信号的正半周期调制内获得的采样数据累加结果减去叠加调制信号的负半周期调制内获得的采样数据累加结果，结果记为α₁，采集N个周期得到结果Nα₁，Nα₁代表由于锯齿波信号偏离本征频率偶数倍导致的误差信号和Sagnac效应导致的误差信号之和；

然后，去除锯齿波相位调制信号仅施加方波偏置调制信号，在方波正半周期内的采样数据累加减去方波负半周期内采样数据累加结果，结果记为α₂，采集N个周期得到结果Nα₂，Nα₂代表Sagnac效应导致的误差信号；N为正整数；

最后，Nα₁和Nα₂做差得到锯齿波信号偏离本征频率偶数倍导致的误差信号。

本发明的优点及带来的有益效果在于：

1、本发明基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法，通过锯齿波调制和相应的解调就可以实现本征频率的高精度测量，不需要改变原有数字闭环光纤陀螺的基本结构，只需要加入计算机接收从光纤陀螺输出的本征频率数据，并且实施例的实验结果表明本方法的测量精度为2.5ppm。

2、本发明基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法，不仅可以为光纤陀螺提供高精度的本征频率值，还可以为高精度光纤陀螺的本征频率的环境相关性研究包括温度相关性研究提供手段。

附图说明

图1为本发明本征频率测量系统整体结构框图；

图2为本发明本征频率测量方法的相位误差信号的产生原理图；

图3为本发明本征频率测量方法生成的数字锯齿波信号示意图；

图4为本发明本征频率测量方法数字锯齿波调制下的误差信号产生过程示意图；

图5为本发明本征频率测量方法各部分时钟频率关系图；

图6为本发明本征频率测量方法解调示意图；

图7为本发明本征频率测量方法误差信号随调制频率的变化曲线图；

图8为本发明本征频率测量方法误差信号随调制频率的变化曲线的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法，不需要改变原有数字闭环光纤陀螺的基本结构，只需要加入接收从光纤陀螺输出的本征频率数据的计算机，通过信号的调制和解调就可以实现本征频率的高精度测量。

本征频率由光在光纤敏感环中传播的时间来定义，光在光纤敏感环中传播的光程的两倍除以光速，本征频率表达式为：

其中，τ为光在光纤敏感环中传播的时间，即渡越时间。

本发明基于偶倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量系统的整体结构，如图1所示，包括光源、耦合器、Y波导相位调制器、光纤敏感环、光电探测器、前放滤波部分、模/数转换部分、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、数/模转换部分、放大滤波部分以及用于显示本征频率数据的计算机。

光源发出的光，通过耦合器再经过Y波导相位调制器分成两束偏振光，一束沿光纤敏感环顺时针传播，一束则沿光纤敏感环逆时针传播；调制生成接近偶倍光纤陀螺本征频率的锯齿波相位调制信号，叠加在方波偏置调制信号上，生成叠加调制信号；经过光纤敏感环传播输出的两束光分别回到Y波导相位调制器处受到叠加调制信号的相位调制，发生干涉。干涉光的光强被光电探测器接收，光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经过前放滤波和模/数转换转变为数字信号传入FPGA中，数字信号在FPGA中经解调得到误差信号。

由于渡越时间的存在，在光纤敏感环中，顺时针传播的光和逆时针传播的光在不同时间受到相位调制，因而顺时针传播的光和逆时针传播的光会产生一个相位差。当施加的调制信号频率恰好为本征频率的偶数倍时，产生的相位误差信号为零；而当施加的调制信号频率偏离本征频率的偶数倍时，将产生一个与偏离量成比例的相位误差，此处所述的偏离量是指本征频率的实际值与设置值之间的误差量Δf。需要改变调制信号的频率并检测这个相位误差导致的误差信号，当误差信号为零时，认为此时调制信号的频率恰好为本征频率的偶数倍，从而可以得出本征频率的数值。

相位误差信号的产生过程，如图2所示，图中Φ(t)为在光纤敏感环中顺时针传播的光所受到的相位调制，Φ(t-τ)为在光纤敏感环中逆时针传播的光所受到的相位调制，Φ(t)-Φ(t-τ)为这两束光在Y波导处发生干涉时它们之间的相位差。图2中所示锯齿波为接近2倍本征频率的锯齿波，误差相位为

其中τ+Δτ＝T₁；Φ₁为锯齿波相位调制的幅值，T₁为锯齿波相位调制的周期，τ为渡越时间，Δτ为锯齿波相位调制的周期与渡越时间的差值。

而对于更一般的情况

m为偶倍频数。f_e是光纤陀螺的本征频率，Δf表示本征频率的实际值与设置值之间的误差量。

从图2可以看出，由于锯齿波信号频率偏离了本征频率的2倍，导致了一个强度与频率偏离量相关的误差信号。为了提高检测的灵敏度，在施加的偶数倍特征频率附近的锯齿波的基础上叠加一个与本征频率接近的方波信号来提供偏置，锯齿波频率为方波频率的偶数倍。

本发明将锯齿波调制信号的频率和误差信号的强度输入计算机中，调整锯齿波调制信号的频率，由于锯齿波调制信号频率等于方波偏置调制频率的偶数倍，因此改变锯齿波调制信号的频率时方波偏置调制频率也做相应的调整。重复检测相位误差信号，当计算机中显示的误差信号为零时，所对应的锯齿波调制信号的频率等于本征频率的偶数倍，将此时的锯齿波调制信号的频率除以倍频数，就得到了本征频率的数值。

在实际中，可实现接近的锯齿波相位调制信号。本发明利用FPGA实现了一种数字锯齿波信号。在数字闭环光纤陀螺中通过FPGA生成数字锯齿波信号，生成的数字锯齿波如图3所示，图中Φ₁为阶梯波的高度，为希望产生的锯齿波的高度；Φ₂为锯齿波台阶高度。数字锯齿波生成的波形的形状会随着数字锯齿波的台阶的高度和宽度的减小而与锯齿波的形状接近，同时由于电路的滤波作用，高频信号得到抑制，生成的信号的形状也会越来越与锯齿波接近，因而可以通过减小阶梯波台阶高度和利用电路的滤波作用近似实现偶倍本征频率锯齿波调制本征频率测量的效果。本发明中，可以直接利用光纤陀螺电路中器件(包括数/模转换电路、放大滤波电路)的不理想特性对数字锯齿波信号滤波，形成滤波后接近锯齿波信号的数字锯齿波信号，也可以在数/模转换后的放大滤波模块中增强对数字锯齿波转换为模拟电压后的滤波作用。

数字锯齿波调制下的误差信号产生过程，如图4所示，调节数字锯齿波频率，当数字锯齿波频率偏移本征频率偶数倍时就会产生与锯齿波调制信号相似的，与偏离量成比例的误差信号；当数字锯齿波频率等于本征频率偶数倍时误差信号为零，从而可以得出本征频率的数值。

锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号的时钟频率的调制，如图5所示。晶振向FPGA提供外部时钟信号，频率为f_c，用来生成FPGA的可调频率时钟和固定频率时钟。可调频率时钟部分：通过查找表向数字时钟管理器输入数字量以生成变频时钟频率，变频时钟频率为f_clk，变频时钟经过分频后的频率为f_clk1的时钟向D/A和信号处理模块提供时钟，其2分频的时钟(频率为f_clk1/2)作为A/D的采样时钟信号。固定频率时钟部分：晶振提供的时钟信号在FPGA中直接分频得到。动态频率调整的时钟频率可以由FPGA内部生成，根据预先输入的频率调整表来改变，也可以在FPGA外部通过加入直接数字频率合成器或者加入压控振荡器等方式来改变时钟频率，但不仅限于所述的这些方式。

解调过程为将叠加了数字锯齿波的方波调制正半周期调制内获得的采样数据累加结果减去叠加了数字锯齿波的方波负半周期调制内获得的采样数据累加结果，结果记为α₁，采集N个周期得到结果Nα₁，然后去除数字锯齿波仅施加本征频率附近的方波调制信号，在方波正半周期内的采样数据累加减去方波负半周期内采样数据累加结果，记为α₂，采集N个周期得到结果Nα₂。N为正整数。

Nα₁为由于锯齿波信号偏离本征频率偶数倍导致的误差信号和Sagnac效应导致的误差信号之和，Nα₂为Sagnac效应导致的误差信号，两者相减得到Nα₁-Nα₂，即为锯齿波信号偏离本征频率偶数倍导致的误差信号。

由于在偏置调制相位由

到

和由

到

处会产生剧烈变化的边沿，如图6所示，图中尖锐的强度很大的尖峰就是这一剧烈变化的边沿造成的结果，需要加入门控信号，门控信号频率为本征频率的2倍，作用是拒绝尖峰信号，保留中间部分信号。

实施例

对于长1.2km左右的光纤敏感环，其本征频率约81kHz，在实验中取Φ₁＝50Φ₂，T₁＝50T₂。数字锯齿波的频率取本征频率的两倍即162kHz，那么此时T₁约为6173ns，T₂约为123ns。阶梯波的上升沿约50ns，采样频率为特征频率的200倍即62ns采集一个点。调整数字锯齿波的频率，当数字锯齿波的频率为本征频率的偶数倍时，解调结果为零。

图7所示为1.2km左右的光纤敏感环在本发明的测量方法下获得的误差信号随数字锯齿波调制频率的改变而改变的曲线，横坐标是锯齿波调制频率除以偶数倍后的结果，因而误差信号为零处所对应的频率即为本征频率。

对图7零点附近进行局部放大，得到图8，可以看出该光纤陀螺的本征频率处于81.0288kHz±0.0002kHz的范围内，测量精度为±2.5ppm。

通过上面的描述，可知本发明提供的偶倍本征频率锯齿波调制的本征频率测量方法，不改变数字闭环光纤陀螺的基本结构，只需要通过锯齿波调制和相应的解调就可以获得光纤陀螺本征频率的高精度测量，同时为高精度光纤陀螺本征频率相关的研究提供测试手段。

Claims (9)

1.一种基于偶数倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，包括：

调制生成接近偶数倍光纤陀螺本征频率的锯齿波相位调制信号，叠加在方波偏置调制信号上，生成叠加调制信号；经过光纤敏感环传播输出的两束光受到所述叠加调制信号的相位调制，发生干涉；探测干涉信号获取在所述相位调制时的所述两束光产生的相位误差；改变所述的锯齿波相位调制信号的频率并检测所述的相位误差，当相位误差为零时，所述的锯齿波相位调制信号的频率恰好为本征频率的偶数倍，从而得出光纤陀螺本征频率。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号，在光纤陀螺本征频率的测试范围内，按照设定步长改变频率值。

3.根据权利要求1或2所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号通过FPGA生成，通过FPGA设置光纤陀螺本征频率的值，调制方波偏置调制信号的频率值为设置的本征频率值，调制锯齿波相位调制信号的频率值为设置的本征频率值的偶数倍。

4.根据权利要求3所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号，其时钟频率由FPGA内部根据预先输入的频率调整表来改变。

5.根据权利要求3所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的锯齿波相位调制信号和方波偏置调制信号，其时钟频率通过在FPGA外部加入直接数字频率合成器或者压控振荡器来改变。

6.根据权利要求3所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的锯齿波相位调制信号，通过FPGA生成一种数字锯齿波信号来实现，设置锯齿波的总高度Φ₁和锯齿波台阶高度Φ₂，并通过减小阶梯波台阶高度和电路的滤波作用，实现近似所述锯齿波相位调制信号的数字锯齿波信号。

7.根据权利要求1或6所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的获取两束光产生的相位误差，包括：

首先，将叠加调制信号的正半周期调制内获得的采样数据累加结果减去叠加调制信号的负半周期调制内获得的采样数据累加结果，结果记为α₁，采集N个周期得到结果Nα₁，Nα₁代表由于锯齿波信号偏离本征频率偶数倍导致的误差信号和Sagnac效应导致的误差信号之和；

然后，去除锯齿波相位调制信号仅施加方波偏置调制信号，在方波正半周期内的采样数据累加减去方波负半周期内采样数据累加结果，结果记为α₂，采集N个周期得到结果Nα₂，Nα₂代表Sagnac效应导致的误差信号；N为正整数；

最后，Nα₁和Nα₂做差得到锯齿波信号偏离本征频率偶数倍导致的误差信号。

8.根据权利要求6所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的数字锯齿波信号，直接利用光纤陀螺电路中器件，包括数/模转换电路、放大滤波电路进行滤波。

9.根据权利要求6所述的光纤陀螺本征频率测量方法，其特征在于，所述的数字锯齿波信号，通过在数/模转换后的放大滤波模块中增强对数字锯齿波转换为模拟电压后的滤波作用。

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