CN108519079B - 一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，属于光纤陀螺技术领域。所述方法通过逻辑处理器产生六态调制波形，经过数模转换器及其驱动电路转换成两路差分的模拟调制电压；模拟调制电压施加到相位调制器上，对Sagnac干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制；调制后的干涉光信号经过光电探测器及其前置放大电路转换成包含转速信息的电压信号，经AD采集后在FPGA中进行六态解调，提取转速信息并输出；同时进行光纤陀螺的闭环控制。本发明不仅具有四态调制的技术优点，还能降低调制电压和转速信号的相关性，减小闭环光纤陀螺的串扰，在调制深度

时，可完全消除光纤陀螺的串扰，为高性能光纤陀螺的实现提供了一条道路。

Description

一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，涉及一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺以其全固态结构、小尺寸、低成本等优点在惯性角速度领域得到了广泛应用。

一般来说，与开环配置相比，闭环配置在动态范围和标度因数线性度等方面有显著提高，因此对于大多数高性能应用来说，闭环配置是首选的。目前的双闭环处理方法，采用方波偏置调制、数字相位斜坡和第二闭环回路来稳定调制链增益，是最广泛采用的检测技术。然而，当涉及更高性能的应用时，这种检测仍然存在一些性能限制。

所述的性能限制与调制电压和光电探测器输出信号之间的电气串扰有关。由于方波调制模拟电压与相应的解调序列之间的高相关性，串扰会在闭环处理过程中产生一个偏置误差，可能会导致死区，这是闭环干涉式光纤陀螺的一个重要误差，特别是在低转速下。在电子设计中，特别是在调制电压与光电探测器信号有较大的振幅差异时，串扰是不可避免的。目前，有两种广泛使用的调制技术来抑制串扰感应的死区。一种是通过随机(伪随机)调制消除串扰噪声和解调序列之间的相关性，从而增加随机游走和偏置不稳定性。另一种是抖动技术，它改变调制相位，防止它被固定在一个恒定的水平上，类似于环形激光陀螺仪中的抖动。然而，IFOG(光纤陀螺)的动态范围大大减少，需要额外的技术来消除抖动引起的偏置误差，并稳定IFOG控制回路的增益。由于抖动技术和随机调制在抑制死区的同时牺牲了精度和其他性能，所以这两种技术都不能应用于高性能的IFOG上。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服方波调制和四态调制技术的不足，提供一种新型的双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，可以在不影响其他性能的情况下，减少IFOG的串扰效应。同时，本发明适用于模拟和数字两种调制方式。由于本发明最接近于四态调制，只不过每个周期是六个调制状态，故将其称为六态调制技术。通过对调制电压的主要本征频率谐波分离解调频率的思想，大大降低了串扰误差和解调序列之间的相关性，通过调整调制深度，可以补偿部分剩余串扰误差。本发明对所述的六态调制技术进行了详细的描述，并对其串扰效应进行了分析。

本发明提供的一种用于闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，具体步骤如下：

第一步，逻辑处理器产生六态调制波形，经过数模转换器及其驱动电路转换成两路差分的模拟调制电压。

第二步，模拟调制电压施加到相位调制器上，对Sagnac干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制。

第三步，调制后的干涉光信号经过光电探测器及其前置放大电路转换成包含转速信息的电压信号，经AD采集后在FPGA中进行六态解调，提取转速信息并输出。同时进行光纤陀螺的闭环控制。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的六态调制技术，不仅具有四态调制的技术优点，还能降低调制电压和转速信号的相关性，减小闭环光纤陀螺的串扰。

(2)本发明提供的六态调制技术，在传统的光纤陀螺调制解调技术上，不需要增加任何硬件电路，也不需要电路提供更大的驱动范围，仅通过更改FPGA/DSP软件即可实现。

(3)本发明提供的六态调制技术，在调制深度

时，可完全消除光纤陀螺的串扰，为高性能光纤陀螺的实现提供了一条道路。

附图说明

图1是为双闭环光纤陀螺原理示意图；

图2A为六态调制方案A六个调制电压状态示意图，图2B为六态调制方案B六个调制电压状态示意图；

图3A和图3B分别为两种六态调制方案下相位调制器干涉端非互易相位差ΔΦ_b(t)产生原理示意图。

图4A和图4B分别为六态调制方案A主闭环和第二闭环回路的探测器响应示意图；

图5A和图5B分别为六态调制方案B主闭环和第二闭环回路的探测器响应示意图；

图6A和图6B分别为六态调制A和B两种方案的采样解调序列示意图；

图7为六态调制与传统的方波、四态调制串扰误差随调制深度

变化的示意图。

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。

本发明提供一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，如图1所示，所述的双闭环光纤陀螺的主控制回路包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环、光电探测器、前置放大器、模数转换器(ADC)、逻辑处理器、第一数模转换器(DAC)、第二数模转换器和缓冲放大器。所述光源、耦合器、相位调制器和光纤环组成Sagnac干涉仪。所述的耦合器为四端口器件，其中一个端口悬空，另外三个端口分别连接光源、相位调制器和光电探测器，所述的相位调制器具有三个端口，第一个端口连接耦合器，第二个端口和第三个端口分别连接光纤环的两端。

所述光电探测器的输入端接所述的耦合器，输出端顺次连接了前置放大器、模数转换器、逻辑处理器、第一数模转换器和缓冲放大器，所述的缓冲放大器的输出端接相位调制器，用于为相位调制器提供方波和斜坡信号。所述的第二数模转换器、逻辑处理器和第一数模转换器构成第二闭环回路。

在双闭环IFOG配置中，当陀螺旋转时，反向传播的光波经过光纤环产生非互易相位差φ_s。所述相位差φ_s与陀螺旋转速率Ω成正比。反向传播光波的干扰信号落在光电探测器上，其光强随相位差的余弦函数而变化。携带旋转速率信息的光强信号被转换成输出光电流，随后由前置放大器放大和检测。为了提高检测灵敏度，调制信号是由逻辑处理器和缓冲放大器产生，并应用于相位调制器偏差较大的相位差余弦曲线的斜率。

因为相位调制器的电光系数与温度相关，所以在温度或其他环境变化的情况下，标度因数可能不太稳定。这个问题可以通过使用第二闭环回路来解决，如图1所示，当受到温度变化时，第二闭环回路将根据所施加的偏置调制来检测误差信号，并调整第一个DAC(第一数模转换器)的参考电压，或用第二数模转换器来补偿缓冲放大器的增益，以补偿相位调制器电光系数的变化。

所述逻辑处理器可以是DSP(数字信号处理器)、FPGA(可编程逻辑门阵列)或ASIC(专用集成芯片)，是光纤陀螺实现数字闭环检测的核心器件，可以实现调制相位同步解调，然后将检测到的转速信号集成在一起，产生反馈信号，由于总的相移值几乎始终为零，因此闭环操作扩展了动态范围，增加了标度因数的稳定性和线性度。

所述第一数模转换器使逻辑处理器产生的数字量六态调制波形转换成模拟电流信号；第二模数转换器可用来补偿缓冲放大器的增益，以补偿相位调制器电光系数的变化。

所述相位调制器也称为Y波导或多功能集成光学芯片，是将电压信号转化为光学相位信号的相位调制器，相位调制器的两个电极均与模拟开关的两路输出相连，经过模拟开关的切换，到达相位调制器两个电极的电压信号变为两路差分的波形信号。

本发明提供了一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，为了在不影响IFOG其他性能的情况下解决串扰问题，本发明设计了两种调制方案，分别为SSM A和SSM B，不仅具有四态调制(FSM)的技术优点，而且还能降低调制电压和转速信号之间的相关性。这种得到两种调制方案的方法与四态调制FSM相似。具体步骤如下：

第一步，由逻辑处理器FPGA产生数字状态的六态电压，所述的六态电压有两种，分别对应SSM A的六个调制态和SSM B的六个调制态，所述的SSM A对应的六个调制态为：

如图2A所示。

所述的SSM B对应的六个调制电压为：

如图2B所示。

第二步，逻辑处理器FPGA产生的六态调制电压经过第一数模转换器及其驱动电路后转换为两路差分的模拟调制电压，经过缓冲放大器后施加到相位调制器上。对Sagnac干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制，产生一个延迟的相位差

如图3A和图3B。

第三步，调制后的干涉光经过光电探测器及其前置放大电路转换成包含转速信息的电压信号，经AD采集后在FPGA内进行六态解调，提取转速信息并输出，同时进行光纤陀螺的闭环控制。

如图4A所示，与旋转率有关的SSMA光电探测器响应是一个周期为2τ，宽度为τ的脉冲序列。同时，如图4B所示，SSM A中相位调制器增益漂移引起的光电探测器响应变成了一个周期为τ，宽度为τ/3的脉冲序列。显然，相位调制器的增益误差在每个调制半周期τ/2内能被探测到并得到补偿，且第二闭环回路响应的解调序列(-1,+1,0,-1,+1,0,……)与主控制回路的解调序列(-1,-1,-1,+1,+1,+1,……)是正交的，表明第二闭环回路工作独立于主控制回路。综上所述，SSMA拥有FSM的所有技术优势，同理，SSMB也是。比较图5B与图4B，相位调制器增益漂移将在SSMB和SSMA中产生完全相同的光电探测器响应。在比较图5A和图4A时，SSMB中旋转速率诱导的光电探测器响应也是方波，但频率比SSMA高3倍。主控制回路的解调序列(-1,+1,-1,+1,-1,+1,……)与第二闭环回路的解调序列(-1,+1,0,-1,+1,0,……)保持正交。

下面做由六态调制引起的光纤陀螺串扰的相关计算：

SSMA和SSMB引起的残余偏置误差，可以计算如下:

其中，G_eq为闭环光纤陀螺的等效增益。

是SSMA中干扰误差的采样，

D_SSMA[n]＝{-1,-1,-1,-1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,…} (3)

是SSMA的采样解调序列，如图6A所示；

其中，

是SSMB中干扰误差的采样，

D_SSMB[n]＝{-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,…} (6)

是SSMB的采样解调序列，如图6B所示。

而方波调制(SWM)电压引起的残余偏置误差

由公式(7)给出：

其中，K_e表示残余偏置误差的等效增益。上述表达式表明，残余偏置误差

的绝对值与调制深度

成正比。同理，四态调制(FSM)电压引起的残余偏置误差

由公式(8)所示：

对比公式(7)和公式(8)，残余偏置误差

的绝对值是

的一个函数。

表明本发明提出的SSMA和SSMB导致的残余偏置误差更小。为了更全面的比较方波调制，四态调制和六态调制降低光纤陀螺串扰的能力，图7给出了

以及

(或

)调制深度的归一化函数图像，最优偏置区域是(π/2到7π/8)。在方波调制(SWM)中，残余偏置误差的绝对值随调制深度的增加而单调递增。相反，在四态调制(FSW)下，

随着调制深度的增加，单调减少。他们相交于最优偏置区域的起始点π/2，表明在最优偏置区域内，四态调制比方波调制有更好的串扰降低能力，当

时，

消失，但它是一个不可操作的偏置点，然而在六态调制(SSMA或SSMB)情况下，残余偏置误差可以消失在2π/3，这个偏置点是可工作的而且在最优偏置区域内。

从上述实施例可以看出，本发明提供的利用六态调制降低闭环光纤陀螺串扰的方法，不仅具有四态调制的技术优点，还能降低调制电压和转速信号的相关性。

在传统的光纤陀螺调制解调技术上，不需要增加任何硬件电路，也不需要电路提供更大的驱动范围，仅通过更改FPGA/DSP软件即可实现。在最优的偏置区域内，在调制深度

时，可完全消除光纤陀螺的串扰，为高性能光纤陀螺的实现提供了一条道路。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，其特征在于：具体步骤如下，

第一步，逻辑处理器产生六态调制波形，经过第一数模转换器及其驱动电路转换成两路差分的模拟调制电压；所述的六态调制波形有两种，分别为：

和

第二步，模拟调制电压经过缓冲放大器后施加到相位调制器上，对Sagnac干涉仪上两路反向传播的光进行相位调制，产生一个延迟的相位差

第三步，调制后的干涉光信号经过光电探测器及其前置放大电路转换成包含转速信息的电压信号，经AD采集后在FPGA中进行六态解调，提取转速信息并输出；同时进行光纤陀螺的闭环控制；

在六态调制SSMA和SSMB情况下，残余偏置误差消失在

处。

2.根据权利要求1所述的一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，其特征在于：所述逻辑处理器是数字信号处理器DSP、可编程逻辑门阵列FPGA或专用集成芯片ASIC。

3.根据权利要求1所述的一种双闭环光纤陀螺六态调制降低串扰的方法，其特征在于：所述逻辑处理器产生的两种六态调制波形SSMA和SSMB引起的残余偏置误差，计算如下:

其中，G_eq为闭环光纤陀螺的等效增益；

是SSMA中干扰误差的采样，D_SSMA[n]＝{-1,-1,-1,-1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,…}是SSMA的采样解调序列；

为调制深度；K_e表示残余偏置误差的等效增益；

其中，

是SSMB中干扰误差的采样，

D_SSMB[n]＝{-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,…}是SSMB的采样解调序列。

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