CN107389097B - 光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率跟踪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率跟踪测量方法，属于光纤陀螺技术领域。光经过耦合器与Y波导相位调制器后被分为两束线偏振光，分别沿光纤敏感环顺时针和逆时针传播，在相位调制器处受到锯齿波相位调制和方波偏置相位调制，然后返回Y波导处发生干涉。经处理后，误差信号在FPGA中被解调出来。根据误差信号的强度调整锯齿波调制信号的频率和方波偏置调制信号的频率，当锯齿波信号的频率等于本征频率的偶数倍时，误差信号为零，此时方波偏置调制频率准确地处于本征频率上，锯齿波调制信号的频率恰好为本征频率的偶数倍，方波偏置调制频率等于本征频率。本发明可以实现对光纤陀螺本征频率的跟踪测量，并将方波偏置频率调节到本征频率上的目的。

Description

光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率跟踪测量方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率跟踪测量方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速率传感器，具有体积小、重量轻、动态范围大、灵敏度高等优点，被应用于如航空、航天、航海和兵器等军用领域和如石油勘探等民用领域。随着中低精度光纤陀螺这些年的成功应用和光学器件性能的提高，研制用于惯性导航系统的高精度光纤陀螺成为一个发展趋势。

数字闭环光纤陀螺是中高精度光纤陀螺的主要方案，而数字闭环光纤陀螺需要将方波偏置调制的频率准确的调制在本征频率上。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。外界环境的变化如温度的变化会造成本征频率变化，如果使用固定频率的偏置调制信号就有可能出现偏置调制信号的频率偏离本征频率的情况。而偏置调制频率偏离本征频率将会引起调制误差，对光纤陀螺的精度造成不利影响。因此，需要研究本征频率的跟踪方法，将偏置调制的频率准确地调制到本征频率上，这也是当前高精度陀螺的一个重点研究领域。

宋凝芳等人在提出了采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率(参考文献1：采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率的方法，公开号1967146，公开日期2007.05.23，中国发明专利申请)，通过控制模块FPGA(现场可编程门阵列)控制DDS(直接数字式频率合成器)产生不同频率下的不对称方波对Y波导进行相位调制，并由数字信号处理模块实时解算出A/D(模拟/数字)采样时间内的累加和的差值绝对值ΔP_d，并对差值绝对值ΔP_d进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率f_e等于调制频率f_d。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，因此，采用该方法本征频率测量精度不够高。

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2：一种光纤陀螺本征频率的测量方法，公开号102840869，公开日期2012.12.26，中国发明专利申请)，该方法基于偶倍频本征频率方波相位过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，该方法与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不需要增加硬件的基础上大幅度提高本征频率的测量精度。但该方法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，而且不能实现本征频率的跟踪。

邵志浩等人提出低成本光纤陀螺本征频率测量方法(参考文件3：低成本光纤陀螺本征频率测量方法，公开号103105177，公开日期2013.05.15，中国发明专利申请)，该方法通过对光纤环的相位调制，调制信号高度任意，调制信号周期大于预估光纤环渡越时间，得到实际光纤环受到的调制信号相位，然后通过时序控制，实现模数转换器对探测器输出信号的模数转换，生成采样序列，最后，利用采样序列与调制信号序列进行互相关函数运算，并在一定范围内求极值，结合数模转换器转换周期，计算渡越时间，然后渡越时间倒数即为本征频率。该方法可以在不增加任何成本的前提下，快速有效的测量光纤陀螺本征频率，从而为系统调制信号周期提供有效依据，以消除本征频率漂移造成的系统零偏，满足低成本光纤陀螺的测试需求，其测试精度亦满足中低精度光纤陀螺的精度需求。但该方案仍不能满足高精度光纤陀螺的精度要求，亦不能实现本征频率的跟踪测量。

Standjord等人提出Sagnac干涉仪本征频率探测器(参考文件4：Eigen frequencydetector for Sagnac interferometers，公开号EP1627204A1，公开日期2006.02.22)，提供了一种在正常陀螺运行时调整偏置调制频率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，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。但该方案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，增加了装置的成本。

光纤陀螺的偏置调制频率需要准确的调制到本征频率上，偏置调制频率偏离本征频率会对光纤陀螺的性能产生不利的影响，会影响陀螺的零偏造成陀螺精度下降。而本征频率不是一个固定的值，它会随着外界环境因素包括温度、湿度等因素的改变而改变，会随着时间的推移光纤环的老化而发生变化，这就需要一种对光纤陀螺的偏置调制频率校正到本征频率上的方案，以消除或减小由于偏置调制频率偏离本征频率对陀螺造成的不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，将光纤陀螺的偏置调制频率校正到本征频率上，并且不需要增加额外的器件。

本发明的光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，包括：

(1)生成锯齿波调制信号和方波偏置调制信号；设置方波偏置调制信号的频率处于光纤环本征频率f_e附近，偏差量为Δf；设置锯齿波调制信号的频率f为方波偏置调制信号频率的偶数倍，表示为f＝m(f_e+Δf)，m为正偶数；

所述的锯齿波调制信号包括N个周期的正向锯齿波调制信号和N个周期的反向锯齿波调制信号，N为正整数；

(2)将所述的锯齿波调制信号和方波偏置调制信号施加在Y波导相位调制器上，沿光纤环逆时针和顺时针传播输出的两束光在Y波导相位调制器处受到所述锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的相位调制，发生干涉；

(3)光电探测器检测干涉信号，对干涉信号解调获得误差信号，输出误差信号、锯齿波调制信号频率和方波偏置调制信号频率；

对N个周期的正向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号调制的干涉信号解调，获得误差信号1，对N个周期的反向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号调制的干涉信号解调，获得误差信号2；将误差信号1减去误差信号2得到误差信号3作为最终的误差信号解调出来；

(4)根据误差信号的强度以及强度的变化，调整锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的频率，继续转(1)执行，直到误差信号等于0，所输出的方波偏置调制频率就是光纤环的本征频率。

(5)检测误差信号的强度以及强度的变化，当误差信号不为0时，说明光纤环的本征频率发生改变，调整锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的频率，继续转(1)执行。

本发明可以实现光纤陀螺本征频率的高精度测量和光纤陀螺本征频率的跟踪，可以实时地获得光纤陀螺本征频率值，用于Sagnac光纤环本征频率的特性的研究；可以用于光纤陀螺仪本征频率的实时调整，能将偏置调制频率准确地调制到本征频率上，来消除由于偏置调制频率偏离本征频率造成的误差。

附图说明

图1是本发明进行光纤环本征频率的跟踪测量装置的整体框架示意图；

图2是本发明进行光纤环本征频率的跟踪测量方法的流程示意图；

图3是本实施例过程1中正向锯齿波调制对光波相位的调制结果示意图；

图4是本实施例过程1中正向锯齿波调制产生的相位误差信号示意图；

图5是本实施例过程1中方波偏置调制对光波相位的调制结果示意图；

图6是本实施例过程1中方波偏置调制产生的相位差示意图；

图7是本实施例过程1中光电探测器采集到的光强信号示意图；

图8是本实施例过程2中反向锯齿波调制对光波相位的调制结果示意图；

图9是本实施例过程2中反向锯齿波调制产生的相位误差信号示意图；

图10是本实施例过程2中方波偏置调制对光波相位的调制结果示意图；

图11是本实施例过程2中方波偏置调制产生的相位差示意图；

图12是本实施例过程2中光电探测器采集到的光强信号示意图。

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。

本发明提出了一种光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，所采用的测量装置的整体结构如图1所示。该装置主要包括光源、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、数/模转换部分、驱动放大滤波电路部分、计算机等部分。

由光源发出的光经过耦合器进Y波导相位调制器。光在Y波导相位调制器中经过起偏后被Y波导分为两束强度相等的线偏振光，一束线偏振光沿光纤敏感环顺时针传播，另一束则沿光纤敏感环逆时针传播，两束光分别在相位调制器处受到由FPGA产生的经数/模转换、放大滤波的锯齿波相位调制和方波偏置相位调制，然后返回Y波导处发生干涉。干涉光被光电探测器接收，再经过前放、滤波，模/数转换后输入FPGA中，误差信号在FPGA中被解调出来。根据解调出的误差信号的强度调整锯齿波调制信号的频率和方波偏置调制信号的频率，同时向计算机输出锯齿波调制信号的频率、方波偏置调制信号的频率和解调误差值。当锯齿波信号的频率等于本征频率的偶数倍时，解调得到的误差信号为零，此时方波偏置调制频率准确地处于本征频率上，锯齿波调制信号的频率恰好为本征频率的偶数倍，方波偏置调制频率等于本征频率。

本发明的光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，整体过程如图2所示。

首先，根据光纤环的长度，预设置初始频率值，使得初始的锯齿波信号频率处于偶倍本征频率附近，初始的方波偏置调制频率处于本征频率附近，锯齿波调制信号频率等于方波偏置调制频率的偶数倍。然后，将锯齿波调制信号和方波偏置调制信号施加在Y波导相位调制器上，受到相位调制的光波被光电探测器接收后转换为电信号。经信号采集、信号解调过程，得到一个与本征频率偏移相关的解调误差信号。解调误差信号、锯齿波调制信号频率和方波偏置调制信号频率输出。之后，根据解调误差信号的强度以及强度的变化，对信号时钟频率进行调整，频率改变后锯齿波调制信号和方波偏置调制信号再作用于Y波导相位调制器上。最终使得解调误差信号等于零，输出的方波偏置调制频率或锯齿波调制频率除以偶倍频数就是本征频率值，同时方波偏置调制信号的频率准确地调制到了本征频率上。

过程1

向通过FPGA产生偶倍本征频率附近的正向锯齿波调制信号和本征频率附近的方波偏置调制信号，正向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号在FPGA中经过数字叠加后输出给D/A芯片，在D/A芯片中经数/模转换，再由驱动电路做信号放大，放大后的电压信号施加在Y波导相位调制器上，对在由光源产生在沿光纤敏感环中顺时针传播的光波和逆时针传播的光波分别进行相位调制。图3所示的是由于施加了偶倍本征频率附近的正向锯齿波相位调制信号(以下示意图中均为施加2倍本征频率附近的锯齿波相位调制信号的情况，作为举例)对沿光纤敏感环顺时针传播的光波和逆时针传播的光波的相位调制示意图，其中Φ₁(t)为顺时针传播光波受到的相位调制，Φ₁(t-τ)为逆时针传播的光波受到的相位调制，τ为渡越时间，T为锯齿波相位调制信号的周期，Δτ反映锯齿波相位调制信号的周期与渡越时间之差，Φ_m为锯齿波相位调制的相位幅值。

由于正向锯齿波相位调制，这两束光波之间产生了一个与本征频率有关的相位误差信号，如图4所示。图4中黑色加粗部分为相位误差信号Φ_e1，可表示为：

其中，f_e为Sagnac光纤环实际的本征频率，Δf为设置的本征频率与本征频率f_e的偏差量，设f为锯齿波调制频率，f与f_e之间的关系可以表示为：f＝m(f_e+Δf)，m为锯齿波调制频率相对于设置的本征频率的倍频数，为正偶数。可以看出，随着锯齿波频率偏离本征频率的偶数倍，相位误差信号随之偏离零位。

由于FPGA中产生的锯齿波信号为数字锯齿波信号，即阶梯波信号。为了生成频率为f的锯齿波调制信号，可以通过增加每个锯齿波(阶梯波信号)周期内的台阶的数目，再通过电路滤波的方式达到生成锯齿波信号的目的。

又由于向Y波导相位调制器施加了本征频率附近的方波偏置调制信号，方波偏置调制对光波的相位进行了调制，如图5所示。一般采用幅度为

的相位调制信号，也可以为其他幅度。由于施加了方波偏置调制，这两束光波之间产生相位为

的相位差，如图6所示。

由于这两种信号同时作用在Y波导上，因此对光波产生的相位的改变可以相互叠加，叠加后两束光波的相位差为Φ”(t)-Φ”(t-τ)。经过相位调制后的光纤敏感环中顺时针传播的光波和逆时针传播的光波返回Y波导处发生干涉，干涉光强被光电探测器接收，干涉信号如图7所示。

在

偏置下，干涉信号

在

偏置下，干涉信号

其中，I₀为入射光光强，Φ_s为Sagnac相移。所以，在方波信号的相邻半周期上的两种调制态之差变为ΔI＝-2I₀sin(Φ_s+Φ_e1)≈-2I₀(Φ_s+Φ_e1)。

光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经过前放、滤波，模/数转换后的信号输入FPGA中。FPGA对该信号进行信号处理，解调出一个与方波调制信号频率偏离本征频率的数值相关的误差信号1。解调过程为：对方波偏置调制信号的正半周期内的正向锯齿波调制信号中间部分的采样结果进行累加得到解调结果α₁，然后对方波偏置调制信号负半周期内的正向锯齿波调制信号中间部分的采样结果进行累加得到解调结果α₂，最终的误差信号1为N(α₁-α₂)，N为解调过程中经历的方波调制的周期数。

过程2

向Y波导相位调制器施加与正向锯齿波调制同频的反向锯齿波调制信号和本征频率附近的方波偏置调制信号。反向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号在FPGA中经过数字叠加后输出给D/A芯片，在D/A芯片中经数/模转换，再由驱动电路做信号放大，放大后的电压信号施加在Y波导相位调制器上，对在由光源产生在沿光纤敏感环中顺时针传播的光波和逆时针传播的光波分别进行相位调制。图8所示的是由于施加了偶倍本征频率附近的反向锯齿波相位调制信号(同样以2倍本征频率附近的锯齿波信号为例)对沿光纤敏感环顺时针传播的光波和逆时针传播的光波的相位调制示意图，其中Φ₂(t)为顺时针传播光波受到的相位调制，Φ₂(t-τ)为逆时针传播的光波受到的相位调制，τ为渡越时间，T为锯齿波相位调制信号的周期，Δτ反映锯齿波相位调制信号的周期与渡越时间之差，Φ_m为锯齿波相位调制的相位幅值。

由于施加了反向锯齿波相位调制，这两束光波之间产生了一个与本征频率有关的相位误差信号，如图9所示。图9中黑色加粗部分为相位误差信号Φ_e2，其表达式可以表示为：

其中，f_e为Sagnac光纤环实际的本征频率，Δf为设置的本征频率与本征频率f_e的偏差量，设f为锯齿波调制频率，f与f_e之间的关系可以表示为：f＝m(f_e+Δf)，m为锯齿波调制频率相对于设置的本征频率的倍频数，为正偶数。可以看出，随着锯齿波频率偏离本征频率的偶数倍，相位误差信号随之偏离零位。与施加同频的正向锯齿波信号相比，反向锯齿波调制信号产生的误差相位正好等于正向锯齿波调制信号产生的误差信号的相反数。

同时向Y波导相位调制器施加了本征频率附近的方波偏置调制信号，方波偏置调制对光波的相位进行了调制，如图10所示。

由于施加了方波偏置调制，这两束光波之间产生相位为

的相位差，见图11。

由于这两种信号同时作用在Y波导上，因此对光波产生的相位的改变可以相互叠加，叠加后两束光波的相位差为Φ”'(t)-Φ”'(t-τ)。经过相位调制后的光纤敏感环中顺时针传播的光波和逆时针传播的光波返回Y波导处发生干涉，干涉光强被光电探测器接收。干涉信号如图12所示。

在

偏置下，干涉信号

在

偏置下，干涉信号

其中，I₀为入射光光强，Φ_s为Sagnac相移。所以，在方波信号的相邻半周期上的两种调制态之差变为ΔI＝-2I₀sin(Φ_s+Φ_e2)≈-2I₀(Φ_s+Φ_e2)。

光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经过前放、滤波，模/数转换后的信号输入FPGA中。FPGA对该信号进行信号处理，解调出一个与方波调制信号频率偏离本征频率的数值相关的误差信号2。解调过程为：对方波偏置调制信号的正半周期内的反向锯齿波调制信号中间部分的采样结果进行累加得到解调结果α₃，然后对对方波偏置调制信号的负半周期内的反向锯齿波调制信号中间部分的采样结果进行累加得到解调结果α₄，最终的误差信号2为N(α₃-α₄)，其中N为解调过程中经历的方波调制的周期数。

过程3

将误差信号1减去误差信号2。由于解调的误差信号1中包含由于Sagnac效应导致的误差信号和由正向锯齿波偏离本征频率偶数倍导致的误差信号，误差信号2中包含由于Sagnac效应导致的误差信号和由反向锯齿波偏离本征频率偶数倍导致的误差信号，因此两者相减，可以去除Sagnac效应对本征频率测量产生的影响，得到了只与本征频率偏离的有关的误差信号3。误差信号3越大，偏离本征频率越大，误差信号3为零时，锯齿波调制信号的频率等于本征频率的偶数倍，方波偏置调制频率等于本征频率。将误差信号3、锯齿波调制频率和方波偏置调制频率的数值同时输出并显示。

过程4

根据误差信号3的强度和强度的变化对正向锯齿波调制频率、反向锯齿波调制频率和方波偏置调制频率的频率值进行调整。频率调整可以通过FPGA中的数字时钟管理器实现，向数字时钟管理器输入需要调整到的频率所对应的数字量，就可以完成时钟频率的调整。重复过程1到过程3，使误差信号3维持在零附近。

时钟频率调整是由FPGA中的数字时钟管理器实现的，也可以通过其他方式实现时钟频率的调整，如直接数字频率合成器(DDS)，或压控振荡器也可以实现改变时钟频率的目的。

本发明中，锯齿波信号由FPGA合成，经过电路的滤波作用，最终生成。也可以通过模拟电路生成模拟锯齿波信号。锯齿波信号和方波偏置信号可以是在FPGA中数字叠加后，经过数/模转换，放大、滤波后施加在Y波导相位调制器上。也可以分别生成锯齿波信号和方波偏置信号，分别经过数/模转换后在模拟电路中实现信号叠加，然后作用于Y波导相位调制器。

采用本发明可实现本征频率的闭环跟踪，当外界环境改变时，光纤环的本征频率受到影响改变，此时，通过检测所输出的误差信号3不再为0，调整锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的频率，继续进行上面过程(1)～(4)，检测本征频率，实现了对光纤环本征频率的闭环跟踪。

Claims (5)

1.一种光纤陀螺Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，其特征在于，包括：

(1)生成锯齿波调制信号和方波偏置调制信号；设置方波偏置调制信号的频率处于光纤环本征频率f_e附近，方波偏置调制信号的频率与f_e的偏差量为Δf；设置锯齿波调制信号的频率f为方波偏置调制信号频率的偶数倍，表示为f＝m(f_e+Δf)，m为正偶数；

所述的锯齿波调制信号包括N个周期的正向锯齿波调制信号和N个周期的反向锯齿波调制信号，正向锯齿波调制信号和反向锯齿波调制信号的频率相同；N为正整数；

(2)将所述的锯齿波调制信号和方波偏置调制信号施加在Y波导相位调制器上，沿光纤环逆时针和顺时针传播输出的两束光在Y波导相位调制器处受到所述锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的相位调制，发生干涉；

(3)光电探测器检测干涉信号，对干涉信号解调获得误差信号，输出误差信号、锯齿波调制信号频率和方波偏置调制信号频率；

对N个周期的正向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号调制的干涉信号解调，获得误差信号1，对N个周期的反向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号调制的干涉信号解调，获得误差信号2；将误差信号1减去误差信号2得到误差信号3作为最终的误差信号解调出来；

(4)根据误差信号的大小，调整锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的频率，继续转(1)执行，直到误差信号等于0，所输出的方波偏置调制频率就是光纤环的本征频率；

(5)检测误差信号的大小，当误差信号不为0时，说明光纤环的本征频率发生改变，调整锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的频率，继续转(1)执行。

2.根据权利要求1所述的Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，其特征在于，所述的锯齿波调制信号和方波偏置调制信号通过FPGA生成，在FPGA中数字叠加后，再经过数/模转换、放大和滤波后施加在Y波导相位调制器上。

3.根据权利要求1所述的Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，其特征在于，所述的锯齿波调制信号和方波偏置调制信号在FPGA中生成后，分别经过数/模转换后在模拟电路中实现信号叠加，然后作用于Y波导相位调制器。

4.根据权利要求1所述的Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，其特征在于，所述的误差信号1解调过程是：对N个方波偏置调制信号的正半周期内的正向锯齿波调制信号的采样结果进行累加得到解调结果α₁，对N个方波偏置调制信号的负半周期内的正向锯齿波调制信号的采样结果进行累加得到解调结果α₂，解调获得误差信号1为N(α₁-α₂)；

所述的误差信号2解调过程是：对N个方波偏置调制信号的正半周期内的反向锯齿波调制信号的采样结果进行累加得到解调结果α₃，对N个方波偏置调制信号的负半周期内的反向锯齿波调制信号的采样结果进行累加得到解调结果α₄，解调获得误差信号2为N(α₃-α₄)。

5.根据权利要求1所述的Sagnac光纤环本征频率的跟踪测量方法，其特征在于，所述的光电探测器，在正向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的调制下，获得

在

偏置下，干涉信号

在

偏置下，干涉信号

其中，I₀为入射光光强，Φ_s为Sagnac相移，Φ_e1为在正向锯齿波调制下光纤环输出的两束光波之间产生的与本征频率有关的相位误差信号，表示为

Φ_m为锯齿波调制信号的相位幅值；

所述的光电探测器，在反向锯齿波调制信号和方波偏置调制信号的调制下，获得

在

偏置下，干涉信号

在

偏置下，干涉信号

其中，Φ_e2为在反向锯齿波调制下光纤环输出的两束光波之间产生的与本征频率有关的相位误差信号，表示为

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