CN108318020B - 一种基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于谐振式光纤陀螺(RFOG)控制技术，涉及一种谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统。本发明谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统包括伪随机信号发生器、信号驱动模块、延迟控制补偿模块、信号调理模块、相干解调模块、PID补偿模块、传输延迟监测模块和激光器驱动模块。本发明采用的调制信号为基于伪随机信号的锯齿波序列，所述序列的斜率是根据移位寄存器产生的M序列。本发明调制方法除了能够实现RFOG谐振跟踪控制之外，还能够实时检测出光路及电路所引入的传输延迟，可用于实现温度相关噪声及随机振动噪声的抑制，有利于进一步提高RFOG的性能。

Description

一种基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统
技术领域
本发明属于谐振式光纤陀螺技术，涉及一种谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统。
背景技术
谐振式光纤陀螺同时具有激光陀螺和干涉式光纤陀螺的部分优点，能够利用很短的光纤以及低成本实现导航级以及更高级别性能。其测量功能的实现通过将窄线宽激光器频率时刻锁定至光纤敏感环的谐振频率，而敏感光纤环的谐振频率由载体转速确定。谐振频率跟踪技术是谐振式光纤陀螺的核心技术之一，其跟踪精度直接关系到谐振式光纤陀螺的精度。
如图1所示，传统的频率跟踪方法利用相位调制器对输出光纤环的光束进行频率调制，所用调制信号为确定性的周期信号(通常为正弦波、方波、固定频率/斜率的三角波或锯齿波)，这使得谐振环输出振荡光强，该振荡光束由光纤导入光纤探测器，探测器输出信号进入前处理电路以及相敏解调电路得到激光器频率与光纤敏感环谐振频率的差别，该差频信号通过激光驱动电路传递至激光器进行频率跟踪。传统的信号调制方式无法实现对于调制信号因在光纤敏感环或电路处理环节中延时的影响，制约了相干解调级的增益，进而影响了陀螺性能及长期工作稳定性。
所述谐振频率跟踪系统采用伪随机信号施加在调制器上，伪随机信号发生器的输出为随机数字码值，经过信号驱动级转换为对应码值斜率的锯齿波，以对经过PM调制器的激光进行调制。经过调制的激光信号在经过光纤敏感环、PD光探测器及信号调理电路之后，在相干解调级采用相干解调来提高信号的信噪比，进而还原出与所调制的伪随机信号相一致的信号，再经过数字处理算法计算出输入的激光频率与光纤敏感环之间的频率失谐量以及所调制信号在光路、电路中的传输延迟。所述谐振频率跟踪系统及方法一方面借助于数字处理算法改善了相干解调级的信噪比，另一方面也能够实时检测因温度、振动或应力等因素引起的调制信号传输延迟并对其进行实时补偿，有利于提高陀螺的性能及长期工作稳定性。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种基于伪随机信号调制/解调的谐振式光纤陀螺谐振跟踪系统，可动态实时监测调制信号在光路及电路中的传输延迟变化，有助于提高陀螺的性能及长期工作稳定性。
本发明的技术方案是：一种基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统，包括伪随机信号发生器、信号驱动模块、延迟控制补偿模块、信号调理模块、相干解调模块、PID补偿模块、传输延迟监测模块和激光器驱动模块，其中，所述信号调理模块连接在相干解调模块上，所述伪随机信号发生器两路输出分别连接延迟控制补偿模块和信号驱动模块，所述延迟控制补偿模块连接到相关解调模块上，所述相干解调模块经PID补偿模块、激光器驱动模块后输出，所述传输延迟监测模块设置在相干解调模块和延迟控制补偿模块之间。
伪随机信号发生器连接有高速时钟源。
所述相干解调模块处理后产生频率失谐量和调制信号延迟量。
伪随机信号为数字信号，采用最大长度线性移位寄存器序列。
伪随机信号包括线性反馈结构、非线性反馈结构和非线性前馈结构。
本发明的优点是：本发明谐振跟踪系统采用伪随机信号调制/解调方式来完成激光器与光纤敏感环之间频率失谐量的误差提取，利用数字信号处理算法来动态实时监测调制信号在光路及电路中的传输延迟变化，并进行延迟补偿，有助于提高陀螺的性能及长期工作稳定性。
附图说明
图1是谐振式光纤陀螺及其频率跟踪系统示意图；
图2是本发明所述伪随机信号调制/解调的谐振式光纤陀螺谐振跟踪系统示意图，
其中，1-高速时钟源、2-伪随机信号发生器、3-信号驱动模块、4-延迟控制补偿模块、5-信号调理模块、6-相干解调模块、7-PID补偿模块、8-传输延迟监测模块、9-激光器驱动模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
请参阅图1，本发明所针对的谐振式光纤陀螺的原理框图，以及其中谐振频率跟踪系统的交互关系。
请参阅图2，所述谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统包括高速时钟源、伪随机信号发生器、信号驱动模块、延迟控制补偿模块、信号调理模块、相干解调模块、PID补偿模块、传输延迟监测模块和激光器驱动模块。
其中，高速时钟源连接到伪随机信号发生器，为后者提供产生伪随机信号的高速时间基准；伪随机信号发生器的输出信号分为两路：一路经过信号驱动后，施加到图1中的PM调制器上，另一路经过延迟控制补偿环节，经过一定延迟时间后成为相干解调环节的参考信号；取自PD的光电信号经过信号调理环节后进入相干解调环节，经过数字信号处理后产生两种控制信号，其中一种控制信号表示图1中的激光器与光纤敏感环之间的频率失谐量，该控制信号经过PID补偿环节及激光器驱动环节处理后，施加到激光器上，用以改变激光器的频率，而另一路控制信号则表示伪随机信号经过光路及电路之后的传输延迟，这路控制信号经传输延迟监测环节后，作用到延迟控制补偿环节，用于改变相干解调环节的解调参考信号与输入待检测信号之间的相位关系。
本发明所述谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统工作时，先由图2中高速时钟源为时间基准产生伪随机数字信号，该伪随机信号一方面通过信号驱动转换为对应的模拟信号之后施加到PM调制器上，另一方面经过固定的延迟之后作为相干解调环节的解调参考信号。作用到PM调制器上的伪随机信号经过光路及电路延迟之后，经PD光探测器光电转换之后，作为待检测信号进入相干解调环节，并在该环节中经数字信号处理产生了频率失谐量和调制信号延迟量，其中频率失谐量经过PID补偿及激光器驱动后，用于控制激光器频率随光纤敏感环谐振频率而变化，即实现频率跟踪功能，而调制信号延迟量经过传输延迟监测环节后，作用到延迟控制补偿控制环节，用于补偿因光路及电路延迟所造成的待解调信号与解调参考信号之间的相对延迟问题。
其中，伪随机信号为数字信号，可以采用移位寄存器加反馈来产生，包括线性反馈结构、非线性反馈结构和非线性前馈结构，通常采用m序列即最大长度线性移位寄存器序列。该伪随机信号是数字信号，1表示对光信号进行频率调制，0表示不进行频率调制，该数字信号经过信号驱动环节转变为PM调制器真正需要的模拟调制信号。
相比于现有谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统，本发明所述谐振跟踪系统采用伪随机信号调制/解调方式来完成激光器与光纤敏感环之间频率失谐量的误差提取，利用数字信号处理算法来动态实时监测调制信号在光路及电路中的传输延迟变化，并进行延迟补偿，这种调制方法除了能够实现RFOG谐振跟踪控制之外，还能够实时检测出光路及电路所引入的传输延迟，可用于实现温度相关噪声及随机振动噪声的抑制，有助于提高陀螺的性能及长期工作稳定性，进一步提高RFOG的性能，具有较大实际应用价值。

Claims (4)

1.一种基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统，其特征在于，包括伪随机信号发生器、信号驱动模块、延迟控制补偿模块、信号调理模块、相干解调模块、PID补偿模块、传输延迟监测模块和激光器驱动模块，其中，
所述信号调理模块连接在相干解调模块上，所述伪随机信号发生器两路输出分别连接延迟控制补偿模块和信号驱动模块，所述延迟控制补偿模块连接到相关解调模块上，所述相干解调模块经PID补偿模块、激光器驱动模块后输出，所述传输延迟监测模块设置在相干解调模块和延迟控制补偿模块之间；
取自PD的光电信号经过信号调理环节后进入相干解调环节，经过数字信号处理后产生两种控制信号，其中一种控制信号表示激光器与光纤敏感环之间的频率失谐量，该控制信号经过PID补偿环节及激光器驱动环节处理后，施加到激光器上，用以改变激光器的频率，而另一路控制信号则表示伪随机信号经过光路及电路之后的传输延迟，这路控制信号经传输延迟监测环节后，作用到延迟控制补偿环节，用于改变相干解调环节的解调参考信号与输入待检测信号之间的相位关系。
2.根据权利要求1所述的基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统，其特征在于，伪随机信号发生器连接有高速时钟源。
3.根据权利要求2所述的基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统，其特征在于，伪随机信号为数字信号，采用最大长度线性移位寄存器序列。
4.根据权利要求2所述的基于伪随机信号的谐振式光纤陀螺谐振频率跟踪系统，其特征在于，伪随机信号包括线性反馈结构、非线性反馈结构和非线性前馈结构。
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