CN108444463A - 一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路，包括光源、探测器、耦合器、Y波导光学器件、光纤环圈、锁定放大器、信号发生器、伺服反馈电路；所述光源、探测器与耦合器相连接，该耦合器通过Y波导光学器件与光纤环圈相连接，锁定放大器输通过伺服反馈电路与Y波导光学器件相连接，所述信号发生器输出端分别与锁定放大器及Y波导光学器件相连接，其主要技术特点是：所述探测器通过数控积分器与锁定放大器相连接。本发明在探测器与锁定放大器之间设有数控积分器，实现了切换积分器在不同工作模式下的转换，达到采样保持的作用，解决了尖峰不对称性对陀螺零偏输出的影响的问题，提高了陀螺的精度。

Description

一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其是一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路。

背景技术

由于光纤陀螺环圈的本征频率会随温度等因素而产生偏移，以及在调制解调过程中，产生方波的数字电路存在回扫时间等问题，会在探测器端产生不对称的尖峰脉冲。这种不对称的尖峰脉冲不仅限制了我们对前级放大器的选择，还会将谐波干扰带入数据采集过程中，造成陀螺的输出误差。

目前实际采用的闭环光纤陀螺方案如图1所示，伺服反馈环节产生一个与环圈转动角速度相等的相位差这样不管旋转角速率是多少，干涉光波之间的总相位差始终为常值满足这一条件所引入的反馈相移作为闭环陀螺仪的输出。由于测量的是与旋转速率成线性比例的Sagnac相移，闭环陀螺对旋转速率的响应也基本上是线性的。这也就造成了闭环光纤陀螺相较开环光纤陀螺的一个较大的优势：角速率测量范围大，输出线性度好。

在闭环光纤陀螺系统中，我们往往采用两态方波(四态方波)作为载波进行调制。假设方波的幅值为V_m(t)，两束光波在不同时间受到一个相位调制

式中：m＝0,1,2…。由于方波的调制频率为环圈的本征频率f₀＝1/2τ，因此，偏置调制产生的两束反向传播光波之间的相位差为：

上述方波偏置调制信号施加到光纤陀螺中，在方波调制周期的两个相邻半周期上，光纤陀螺依次工作在此时陀螺的输出为：

其中，为转动信号产生的非互易相移，为阶梯波产生的非互易相移。

在闭环反馈系统中，因此我们看到探测器输出的波形应该是一条直线，并且每隔τ的时间就会产生一个向上的“刺”，在这我们称之为尖峰脉冲，如图2所示。

探测器输出的尖峰脉冲才会是非对称波形，这种非对称的尖峰脉冲产生的谐波干扰才会对数字离散采样造成干扰。

尖峰脉冲的幅值要远大于解调信号的幅值。经探测器输出的信号是十分微弱的，在设计调制解调电路的时候，前级是要加入运算放大器对信号进行放大。对于放大器而言，为了获得最佳的信噪比，放大倍数不宜选择过低。而尖峰脉冲经过放大倍数“过高”的放大器后，会造成信号畸变并耦合进采样周期中的“平坦”部分，从而削弱信号的有用部分。这就限制了我们对前级放大器放大倍数的选择。即使我们选择的放大器放大倍数合适，未达到放大器的增益饱和区，但是尖峰脉冲不对称性造成的谐波干扰也已经耦合进了信号的有用部分，从而造成陀螺输出的误差。

综上所述，如何消除尖峰脉冲对陀螺输出的影响并从根本上抑制了尖峰脉冲不对称性对光纤陀螺零偏输出的影响使目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路，解决尖峰不对称性对陀螺零偏输出的影响的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路，包括光源、探测器、耦合器、Y波导光学器件、光纤环圈、锁定放大器、信号发生器、伺服反馈电路；所述光源、探测器与耦合器相连接，该耦合器通过Y波导光学器件与光纤环圈相连接，锁定放大器输通过伺服反馈电路与Y波导光学器件相连接，所述信号发生器输出端分别与锁定放大器及Y波导光学器件相连接，所述探测器通过数控积分器与锁定放大器相连接。

所述数控积分器包括电阻、光二极管、第一开关、运算放大器、第二开关和电容；所述电阻的一端与探测器输出的电压信号连接，电阻的另一端连接光二极管负极，光二极管的正极通过第一开关连接运算放大器的正向输入端、第二开关的一端及电容的一端，运算放大器的反向输入端接地，运算放大器的输出端连接第二开关及电容的另一端。

本发明的优点和积极效果是：

本发明在探测器与锁定放大器之间设有数控积分器，通过光二极管既可以选择光导模式加偏工作，也可以选择光伏模式加偏工作，通过两个高速开关，使得积分器的工作模式按照设定的模式进行，从而从而实现切换积分器在不同工作模式下的转换，达到采样保持的作用，解决了尖峰不对称性对陀螺零偏输出的影响的问题，提高了陀螺的精度。

附图说明

图1是现有数字闭环光纤陀螺示意图；

图2是现有方波偏置调制信号波形图；

图3是本发明的数字闭环光纤陀螺图；

图4是数控积分器电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本发明是基于以下设计思路实现的：闭环光纤陀螺通常采用两态方波(或四态方波)进行偏置调制，在解调时，探测器的输出端每隔τ时间会出现一次尖峰脉冲。一方面由于在调制解调电路板时为全数字化方案，而任何数字电路的时钟单元在产生时序时，都会面临着时序偏移(Skew)、抖动(Jitter)和占空比失真(Duty Cycle Distortion)的问题。另一方面，随着温度的变化，光纤环圈的折射率也会发生变化，等效光程也就和最开始计算的数值有了偏差，这将造成方波调制周期与环圈本征频率之间的误差，使得陀螺输出波形的异常。这种时钟误差可以简单地概括为：频率偏移、占空比非50:50。只有频率偏移和占空比不等于50:50这两种情况同时发生时，探测器输出的尖峰脉冲才会是非对称波形，这种非对称的尖峰脉冲产生的谐波干扰会对数字离散采样造成干扰。虽然目前绝大多数的数字闭环光纤陀螺采用离散化的数字采样来进行信号采集与分析工作，并且人为地避开了尖峰脉冲，认为采集到的是“干净”的信号。但尖峰脉冲带来的谐波干扰已经被我们采集到了，并且作为陀螺的误差项进行输出。因此，为了获得更高精度的光纤陀螺，去除尖峰脉冲的干扰是十分必要的。

基于以上设计思想，本发明抑制尖峰脉冲不对称性的闭环光纤陀螺是在现有的闭环光纤陀螺中增加数控积分器，用于改进现有的信号采集技术，降低信号采集噪声及尖峰脉冲不对称性带来的零偏误差。如图3所示，本发明的闭环光纤陀螺包括光源、探测器、数控积分器、耦合器、Y波导光学器件、光纤环圈、锁定放大器、信号发生器、伺服反馈电路。所述光源和探测器与耦合器相连接，该耦合器通过Y波导光学器件与光纤环圈相连接，所述探测器通过数控积分器与锁定放大器相连接，锁定放大器输通过伺服反馈电路与Y波导光学器件相连接，所述信号发生器输出端分别与锁定放大器及Y波导光学器件相连接。

如图4所示，数控积分器包括电阻R1、光二极管D1、开关S1、运算放大器N1B、开关S2、电容C1。探测器输出的电压信号连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接光二极管D1负极，光二极管D1的正极通过开关S1连接运算放大器N1B的正向输入端、开关S2的一端及电容C1的一端，运算放大器N1B的反向输入端接地，运算放大器N1B的输出端连接开关S2及电容的另一端。

本发明的工作过程为：

步骤1、将探测器输出信号通过光二极管转换为电流信号：光二极管D1被加偏工作，探测器输出的电压信号经过电阻R1转化为电流信号。光二极管既可以选择光导模式加偏工作，也可以选择光伏模式加偏工作。

步骤2、组建数字积分器对输入信号进行积分处理：光电流通过开关S1流入切换积分器。通过控制高速开关S1和S2，使得积分器的工作模式按照设定的模式进行。数字积分器在开关S1导通、S2断开的时候处于“积分模式”，在积分模式中，运算放大器N1积分光电流I_ph，产生一个输出电压(V_out)，积分结果如公式1所示，其中C是电容C1的值。

步骤3，保持工作模式：当开关S1和S2都断开时，切换积分器工作在保持模式在保持模式中，运算放大器N1B的输入和输出之间的电压由电容C1存储。因而输出不受输入端信号变化的影响。

步骤4，复位工作模式：当开关1断开，开关2导通，切换积分器工作在复位模式。在复位模式中，电容C1短路，运算放大器N1B的输出被强制为零。

本发明通过外围时序电路控制开关的通断，从而实现切换积分器在不同工作模式下的转换，达到采样保持的作用。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路，包括光源、探测器、耦合器、Y波导光学器件、光纤环圈、锁定放大器、信号发生器、伺服反馈电路；所述光源、探测器与耦合器相连接，该耦合器通过Y波导光学器件与光纤环圈相连接，锁定放大器输通过伺服反馈电路与Y波导光学器件相连接，所述信号发生器输出端分别与锁定放大器及Y波导光学器件相连接，其特征在于：所述探测器通过数控积分器与锁定放大器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种抑制尖峰脉冲不对称性的数字闭环光纤陀螺电路，其特征在于：所述数控积分器包括电阻、光二极管、第一开关、运算放大器、第二开关和电容；所述电阻的一端与探测器输出的电压信号连接，电阻的另一端连接光二极管负极，光二极管的正极通过第一开关连接运算放大器的正向输入端、第二开关的一端及电容的一端，运算放大器的反向输入端接地，运算放大器的输出端连接第二开关及电容的另一端。