CN108444464B - 一种光纤陀螺仪中的光源相对强度噪声抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺仪中的光源相对强度噪声抑制方法。本方法为：1)对接收到的干涉信号和参考信号进行功率均衡；其中，干涉信号为光纤陀螺仪输出的干涉信号，参考信号为光纤陀螺仪中的光源的信号；2)计算功率均衡后的干涉信号的各次谐波分量，计算功率均衡后的参考信号的各次谐波分量；3)对干涉信号和参考信号的奇次谐波分量进行加法运算，对干涉信号和参考信号的偶次谐波分量进行减法运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号的各次谐波分量；4)对经过噪声补偿后的输出信号进行多谐波解调。本发明可以达到良好的光源相对强度噪声补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度。

Description

一种光纤陀螺仪中的光源相对强度噪声抑制方法
技术领域
本发明属于陀螺仪技术领域，具体涉及一种在开环干涉式光纤陀螺仪中应用的光源相对强度噪声的抑制方法。
背景技术
光纤陀螺仪是一种敏感角速率的光纤传感器，随着该技术的不断发展，光纤陀螺仪已经在军事及商业领域取得了显著的产业化成果。干涉式光纤陀螺仪作为光纤陀螺技术中最成熟的代表，在导航制导、姿态控制等应用场景中都有着极其广泛的应用。
降低光纤陀螺中的噪声、提高信噪比是提高光纤陀螺检测灵敏度的重要方式。在其噪声的主要来源中，热噪声是由光纤的折射率热涨落而引起的相位噪声，与光功率无关，可以通过在光纤陀螺本征频率处进行解调而得到抑制；光子散粒噪声是光子转换为电子时产生的随机噪声，与光功率成正比；光源相对强度噪声是光源输出能量的振荡，是由于宽谱光源各频率分量之间的拍频引起的随机噪声，与光功率平方成正比，也是目前高精度光纤陀螺中最主要的噪声。
干涉式光纤陀螺的主要性能指标包括零偏稳定性、标度因数、随机游走系数、动态范围和带宽这5个方面。其中，零偏稳定性通常定义为在一定平均时间下光纤陀螺输出角速率的标准偏差1σ，由光纤陀螺静态输出中的漂移和噪声共同决定；随机游走系数是表征光纤陀螺中白噪声大小的一项重要特征参数，其物理意义为在光纤陀螺中仅有白噪声的情况下，尽管不同带宽要求下测得的陀螺输出的1σ不同，但其随机游走系数不变：
Figure GDA0002943698090000011
其中，RWC代表随机游走系数，其单位为
Figure GDA0002943698090000012
σΩ(T)为检测时间T内的标准偏差，Be＝1/T为检测带宽。在一定范围内，光纤陀螺的信噪比越高，随机游走系数越小，因此提高光源输出功率是提高信噪比、降低RWC的有效办法。当光功率增大到一定值时，光源相对强度噪声逐渐成为噪声中的最主要成分。
在使用宽谱光源的高精度光纤陀螺中，噪声主要来自于光子散粒噪声和光源相对强度噪声，根据公式(1)，可将等式近似为：
Figure GDA0002943698090000013
其中，σshot表示光子散粒噪声标准差，σRIN表示光源相对强度噪声，h为普朗克常量，P为探测器接收到的光功率。表1是偏置工作点处探测器接收光功率大小与光纤陀螺检测灵敏度受噪声种类限制的关系。
表1.光纤陀螺仪检测精度噪声受限情况
Figure GDA0002943698090000021
目前导航级别的光纤陀螺使用的宽谱光源其输出光功率通常>10mW，即使考虑到光路上的损耗，达到光电检测器的功率仍>10μW，因此抑制光源相对强度噪声对高精度光纤陀螺的灵敏度提高具有非常重要的意义。
在高精度光纤陀螺的光源相对强度噪声抑制办法中，通常采用光路或电路两种办法进行补偿，利用耦合器另一端的参考信号提取出光源噪声信息，与原测量信号进行抵消运算，从而抑制测量信号中的光源相对噪声成分，其特点是光纤陀螺采用闭环结构并采用方波调制，能较好地降低光源相对强度噪声的影响，但也造成了较高的成本，在较高精度的开环陀螺中无法很好应用和推广。
发明内容
针对开环光纤陀螺仪已经可以实现检测精度高、成本较低且使用正弦波调制，而现有的光源相对强度噪声抑制办法多用于闭环方波调制的陀螺中的现状(参考文献：F.Guattari,S.Chouvin,C.Moluc，on,and H.Lef`evre,A Simple Optical Technique toCompensate for Excess RIN in a Fiber-Optic Gyroscope,in DGON IntertialSensors and Systems(ISS)(IEEE,2014),pp.1–14；Yue Zheng,Chunxi Zhang,Lijing Li,Lailiang Song,Yuhui Zhang.All-optical relative intensity noise suppressionmethod for the high precision fiber optic gyroscop.SPIE 10158,101580L(2016))，本发明提供一种在正弦波调制的低成本开环光纤陀螺中的光源相对强度噪声抑制方法，采用本方案后的开环光纤陀螺仪能较好地提高检测灵敏度，且复杂度较低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
对开环干涉式光纤陀螺仪的解调模块进行改进。对于任一根据图1(干涉式光纤陀螺仪最小互易性结构)原理工作的开环单模光纤陀螺来说，多使用PZT相位调制器，原陀螺输出信号为干涉信号，其输出端与光电检测器PD1相连，光源端耦合器未使用端的输出信号可以作为参考信号，其输出端与光电检测器PD2相连，由于参考信号中含有光源相对强度噪声信息，因此在干涉信号的解调中加入所采集的参考信号信息进行联合解调，可以较好地补偿掉光源相对强度噪声。
一种光源相对强度噪声抑制方法，其步骤包括：
1)对接收到的干涉信号和参考信号进行功率均衡；其中，干涉信号为光纤陀螺仪输出的干涉信号，参考信号为光纤陀螺仪中的光源的信号；
2)计算功率均衡后的干涉信号的各次谐波分量，计算功率均衡后的参考信号的各次谐波分量；
3)对干涉信号和参考信号的奇次谐波分量进行加法运算，对干涉信号和参考信号的偶次谐波分量进行减法运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号的各次谐波分量；
4)对经过噪声补偿后的输出信号进行多谐波解调。
进一步的，采用公式
Figure GDA0002943698090000031
对奇次谐波进行补偿；采用公式
Figure GDA0002943698090000032
对偶次谐波进行补偿；其中，
Figure GDA0002943698090000033
表示t时刻奇次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，
Figure GDA0002943698090000034
表示t时刻偶次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，α1为干涉信号光路中的损耗，α2为参考信号光路中的损耗；fe＝1/(2τ)，fe为调制频率，τ为光在光纤环中的传播时间，IRIN(t)为t时刻由光源产生的相对强度噪声，nfe为n次谐波处解调的频率；然后利用补偿后的谐波量进行多谐波解调。
进一步的，通过快速傅里叶FFT变换或贝塞尔函数展开得到干涉信号的各次谐波分量和参考信号的各次谐波分量。
进一步的，光电检测器PD1依次经一滤波器、AD转换模块与所述联合解调模块连接，光电检测器PD2经一AD转换模块与所述联合解调模块连接。
进一步的，所述PZT相位调制器的调制信号为正弦波调制信号。
本发明方案的特点为：
对奇次、偶次谐波均进行噪声补偿。在常用闭环光纤陀螺的噪声补偿中，其只在陀螺本征频率的一次谐波处进行解调(Yue Zheng,Chunxi Zhang,Lijing Li,LailiangSong,Yuhui Zhang.All-optical relative intensity noise suppression method forthe high precision fiber optic gyroscop.SPIE 10158,101580L(2016))；而当开环光纤陀螺采用PZT相位调制器时，由于该器件带宽受限，只能采用正弦波调制，因此噪声补偿算法要同时适用于本征频率的奇次谐波和偶次谐波。本发明将参考信号与干涉信号在奇次和偶次谐波上分别进行光源相对强度噪声抑制，在解调时利用补偿后的谐波量进行多谐波解调，从而达到噪声补偿的目的。本发明先将各次谐波按公式6、7的方式运算后，再将各次谐波按原有多谐波解调方案进行解调即可。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
如上所述，本发明基于谐波量分别补偿的方案提供了开环陀螺抑制光源相对强度噪声的办法，本发明所述的方法对光纤陀螺仪不仅具有很好的噪声抑制效果，且光路和电路结构所需做的改动很少，通过调整解调算法，可以达到良好的光源相对强度噪声补偿效果，实现较高的陀螺精度和稳定度，具有较低的成本。
附图说明
图1是干涉式光纤陀螺仪最小互易性结构的示意图；
图2是加入光源相对强度噪声补偿方案后，开环单模光纤陀螺仪结构示意图；
图3是典型的开环光纤陀螺解调模块的流程示意图；
图4是本发明改进的开环光纤陀螺联合解调模块的流程示意图；
图5是采用本方案前后的一个光纤陀螺仪样机输出角速度数据的误差对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
本发明结构如图2所示，在任何以最小互易结构为基础的开环光纤陀螺仪中，其基本组成包括一个光纤光源、一个光源端耦合器、一个起偏器、一个环端耦合器、一个光纤环、一个PZT相位调制器。由光源端耦合器输出的干涉信号端接入光电检测器PD1，从光源输出的只经过光源端耦合器的参考信号接入光电检测器PD2。干涉信号和参考信号经过联合解调模块进行光源相对强度噪声抑制和解调，其联合输出信号较好地消除了噪声，提高了检测灵敏度。
联合解调模块在原有公知的多谐波解调方案(如图3)基础上加入了功率均衡和光源相对强度噪声抵消的过程，具体步骤为：
(1)首先对接收到的干涉信号和参考信号进行功率均衡。
在使用PZT调制器、采用正弦波调制的低成本开环陀螺中，其调制频率fe与光在光纤环中的传播时间τ有关，即fe＝1/(2τ)。对于本发明所关心的光源相对强度噪声来说，如果t时刻由光源产生的相对强度噪声为IRIN(t)，则在PD1和PD2检测到的光源相对强度噪声可以表示为：
Figure GDA0002943698090000051
Figure GDA0002943698090000052
其中，α1为干涉信号光路中的损耗，α2为参考信号光路中的损耗。当干涉信号与参考信号达到功率均衡时，上述公式满足α1＝α2＝α，此时光源相对强度噪声将最大限度得到抵消。
(2)分别对功率均衡后的两路信号进行快速傅里叶FFT变换或贝塞尔函数展开(相干解调中常用方案)，得到两路信号的各次谐波分量。
对于两路信号中的光源相对强度噪声来说，考虑到干涉光在光纤环中的相位延迟，PD1检测到的噪声可进一步表示为：
Figure GDA0002943698090000053
公式(5)中的nfe即代表在n次谐波处解调的频率。
当干涉信号与参考信号具有较高相关性时，参考信号中包含与干涉信号中相同的光源相对强度噪声信息，通过各次谐波分量的运算可以实现噪声补偿。
(3)对干涉信号和参考信号的奇次谐波分量进行加法运算，对干涉信号和参考信号的偶次谐波分量进行减法运算，使得干涉信号中的光源相对强度噪声得到抵消。由此得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号的各次谐波分量。
对于两路信号中的光源相对强度噪声来说，该噪声补偿过程可表示为：
Figure GDA0002943698090000054
Figure GDA0002943698090000055
其中，
Figure GDA0002943698090000056
表示t时刻奇次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，
Figure GDA0002943698090000057
表示t时刻偶次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，
Figure GDA0002943698090000058
表示t时刻PD1检测到的干涉信号的奇次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，
Figure GDA0002943698090000059
表示t时刻PD2检测到的参考信号的奇次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，
Figure GDA00029436980900000510
同理。
公式(6)是闭环方波调制陀螺中最常用的加法抵消光源相对强噪声的方案，公式(7)在偶次谐波处应用减法去除噪声，在使用高次谐波解调的开环陀螺中可进一步显著降低噪声，提高信噪比。
因此，进行多谐波解调的各次谐波由原来的I1odd(t)和I1even(t)，经上述噪声补偿过程变为：
Iodd(t)＝I1odd(t)+I2odd(t) 公式(8)
Ieven(t)＝I1even(t)-I2even(t) 公式(9)其中，I1odd(t)、I1even(t)表示t时刻干涉信号的奇、偶次谐波分量，I2odd(t)、I2even(t)表示t时刻参考信号的奇、偶次谐波分量，Iodd(t)、Ieven(t)表示要进行多谐波解调的各次谐波分量。
(4)对经过噪声补偿后的输出信号进行多谐波解调。
图4是应用该种噪声补偿方案下的联合解调流程示意图。
以下述开环光纤陀螺为例：采用波长为1550nm、谱宽40nm的ASE光源，所用光纤陀螺的光纤环长为710m，直径为36mm，调制频率在135kHz，调制深度为π/2，选用第一、二、三、四次谐波进行多谐波解调。使用本发明所用噪声抑制方法前后，光纤陀螺仪输出角速度数据的误差分析对比图如图5所示。可以看到，应用本方案后光纤陀螺的性能有明显提升。
以上对本发明进行了详细的说明，但显然本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺仪中的光源相对强度噪声抑制方法，其步骤包括：
1)对接收到的干涉信号和参考信号进行功率均衡；其中，干涉信号为光纤陀螺仪输出的干涉信号，参考信号为光纤陀螺仪中的光源的信号；
2)计算功率均衡后的干涉信号的各次谐波分量，计算功率均衡后的参考信号的各次谐波分量；
3)对干涉信号和参考信号的奇次谐波分量进行加法运算，对干涉信号和参考信号的偶次谐波分量进行减法运算，得到噪声补偿后的光纤陀螺输出信号的各次谐波分量；
4)对经过噪声补偿后的输出信号进行多谐波解调。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0001569695900000011
对奇次谐波进行补偿；采用公式
Figure FDA0001569695900000012
对偶次谐波进行补偿；其中，
Figure FDA0001569695900000013
表示t时刻奇次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，
Figure FDA0001569695900000014
表示t时刻偶次谐波频率上的光源相对强度噪声分量，α1为干涉信号光路中的损耗，α2为参考信号光路中的损耗；fe＝1/(2τ)，fe为调制频率，τ为光在光纤环中的传播时间，IRIN(t)为t时刻由光源产生的相对强度噪声，nfe为n次谐波处解调的频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过快速傅里叶FFT变换或贝塞尔函数展开得到干涉信号的各次谐波分量和参考信号的各次谐波分量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110553810B (zh) * 2019-07-23 2021-02-09 北京控制工程研究所 一种星载变速cmg微振动噪声抑制方法
CN113532414B (zh) * 2021-08-10 2023-02-07 杭州友孚科技有限公司 一种干涉式光纤陀螺及其双端口差分噪声抑制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101696882A (zh) * 2009-10-26 2010-04-21 浙江大学 光纤陀螺仪开环信号调制解调电路
JP2010210611A (ja) * 2009-03-09 2010-09-24 Honeywell Internatl Inc 共振器光ファイバージャイロスコープに最適な利得と雑音制御を提供する信号調節
CN105388315A (zh) * 2015-11-30 2016-03-09 哈尔滨睿之芯信息技术股份有限公司 角速度传感器的驱动控制电路
CN106546266A (zh) * 2016-10-26 2017-03-29 北京航天时代光电科技有限公司 评估光纤陀螺用超荧光掺铒光纤光源光谱非对称度的方法
CN106647843A (zh) * 2016-12-29 2017-05-10 北京航空航天大学 一种基于复合分数重复控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010210611A (ja) * 2009-03-09 2010-09-24 Honeywell Internatl Inc 共振器光ファイバージャイロスコープに最適な利得と雑音制御を提供する信号調節
CN101696882A (zh) * 2009-10-26 2010-04-21 浙江大学 光纤陀螺仪开环信号调制解调电路
CN105388315A (zh) * 2015-11-30 2016-03-09 哈尔滨睿之芯信息技术股份有限公司 角速度传感器的驱动控制电路
CN106546266A (zh) * 2016-10-26 2017-03-29 北京航天时代光电科技有限公司 评估光纤陀螺用超荧光掺铒光纤光源光谱非对称度的方法
CN106647843A (zh) * 2016-12-29 2017-05-10 北京航空航天大学 一种基于复合分数重复控制器的磁悬浮转子谐波电流抑制方法

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