CN108917792A - 一种基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆解调的新型干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，其中逆解调即为光纤陀螺角速率解调的逆向过程，是将相邻两个解调周期内的角速率解调值进行累加，并以此积分，得到逆解调值的过程；经过对逆解调值的拟合标定后，即可获取光纤陀螺当前光功率信息。本发明首次提出了逆解调的概念，剔除了传统功率监控方法中所引入的额外硬件电路与复杂检测程序，实现了在原有陀螺电路系统内直接计算提取光功率信息的设想，完成了可靠有效的空间用光纤陀螺状态在线监控方法的优化，提高了轻小型干涉式光纤陀螺的空间应用进一步拓展的可能性。

Description

一种基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体来说，是一种基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺凭借着其测量精度高、灵敏度好、动态范围大、体积小、重量轻、寿命长、易集成等特点，广泛应用于军事和民用领域，在导弹制导、卫星导航、姿态控制等方向都起着重要的作用，近年来已经成为全世界的研究热点。如图1所示，是典型的干涉式光纤陀螺的结构示意图，主要包括光源、分束器、相位调制器、敏感光纤环、探测器和信号处理装置。

与地面环境下使用的光纤陀螺不同，卫星用光纤陀螺在太空环境下会长期受到辐照、高温等恶劣环境的影响，因此更容易造成器件损伤、光功率下降等情况的发生，严重影响陀螺性能，甚至使陀螺失效而导致卫星导航与姿态控制的失调。因此，空间用光纤陀螺一般会进行冗余设计，比如四轴光纤陀螺中，包含有四个轴向陀螺并且共用两个光源，其中一个轴向陀螺与其中一个光源是用于冗余备份，这样的结构大大增加了光纤陀螺在空间中应用的可靠性，因此对于空间用光纤陀螺的状态监控具有十分重要的意义。光功率是光纤陀螺监控状态中的一个十分重要的参数，首先光功率影响光纤陀螺的随机游走系数稳定性；其次，光功率的监控值是故障诊断的重要标志，更是在故障模式下陀螺冗余光源切换的关键判断条件；再者，光纤陀螺需要利用光功率监控值对由于环境等因素引起的光源漂移进行补偿，以确保陀螺在空间等复杂环境下的稳定工作。所以，光功率监控对光纤陀螺尤其是空间用光纤陀螺是十分必要的。

现阶段，最常用的空间用光纤陀螺光功率监控方法有两种，如图2所示。图中方法①直接在耦合器一端的尾纤处增加光电探测器及其相关电路进行光功率探测，将光功率信息传送至数字信号处理模块中处理；方法②是在光纤陀螺本身的探测器输出端，引出另外一路信号，利用信号中的直流分量值进行光功率监控。这两种方法均实现简单而且精度较高，但随着空间技术以及小型化飞行器技术的不断发展，对空间用光纤陀螺的体积、功耗、重量都提出了更高的要求，这两种外加检测电路的方法增加了额外的检测电路，提高了检测电路的功耗、体积与成本，不符合空间用光纤陀螺的小体积、低功耗的设计要求，其所产生的附加效应制约着空间用轻小型光纤陀螺的性能发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明在传统光纤陀螺光功率在线监控方法会引入额外的检测电路及复杂检测程序，不符合轻小型空间用光纤陀螺低功耗、小体积、低成本要求的基础上，提出了一种不增加额外器件、电路以及复杂冗余程序的新型光功率在线监控方法，即通过对光纤陀螺解调信号的逆解调处理，实现对光纤陀螺光功率的监控。

本发明是一种新型干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，首次提出了逆解调的概念，即将相邻两个τ周期用于角速率解调的解调采样值相加得到逆解调值，积分得到光功率检测信息；陀螺闭环稳定时相邻两个τ周期的角速率解调采样值分别为：

其中，I₀是光功率；η为光电探测器转换系数；R_i为跨阻值；K_A为运算放大器的增益系数；t_g是脉冲展宽的时间宽度；τ_RC是RC滤波电路的时间常数，且t_g＜τ_RC＜τ；N_i、N_i+1分别为两个τ内的采样点数，分别为两个周期内第n个采样点与其各自信号尖峰点的时间间距。

逆调解值经过积分、拟合标定后，可得到光功率：I₀＝K_Is∑D_Is+D_X。

其中，∑D_Is＝S₁+S₂+S₃+...+S_N为逆解调积分值，N为逆解调积分周期数；K_Is为该陀螺逆解调的比例系数；D_X为常数。

本发明的优点在于：

(1)本发明是基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，首次提出了逆解调的概念，剔除了传统功率监控方法中所引入的额外硬件电路与复杂检测程序，实现了在原有陀螺电路系统内直接计算提取光功率信息的设想；

(2)本发明是基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，实现了可靠有效的空间用光纤陀螺状态在线监控方法的优化，提高了轻小型干涉式光纤陀螺的空间应用进一步拓展的可能性；

附图说明

图1为干涉式光纤陀螺最小典型结构示意图；

图2为传统光纤陀螺光功率在线监控方法原理图；

图3a为理想情况下陀螺方波与已调信号示意图；

图3b为现实情况下陀螺方波与已调信号示意图；

图4为光纤陀螺已调信号经过RC滤波器的形变过程示意图

图5为光纤陀螺闭环稳定状态下的采样示意图

图6为本发明基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法示意框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

光纤陀螺是一种角速率敏感装置，光源发出光束，经过耦合器与相位调制器后分成相位相同且传播方向相反的两束光，若光纤环发生转动，由于萨格纳克效应，正/反向两束光经过在光纤环内的传播后会产生相位差，在耦合器处干涉时光强发生变化，由光电探测器将光信号转换为电压信号，在信号处理模块中解调检测光强变化，进而处理得到角速率信息。目前，数字闭环技术与方波调制是光纤陀螺的主流技术，光信号经探测器转换为电压信号，本征响应为余弦信号：

其中，V是探测器输出电压，V₀是探测器最大输出电压，I₀是到达探测器的最大光强，即光功率；η为探测器的转换系数；R_I为跨阻值；K_A为运算放大器的增益系数；ΔΦ_m是调制方波施加的相位差；Φ_b是调制方波的偏置相位值；Φ_s是转动引起的相位差；ΔΦ_f是闭环反馈相位差；τ是渡越时间；t为时间。

在理想情况下，调制方波应该具有无限带宽，并且其周期与2τ严格一致，如图3(a)所示；但在实际系统中，调制方波不可能具有无限带宽，而且由于电路延时等各方面原因，其周期会无限趋近于2τ，但不能保证与2τ完全一致，这种情况下的调制方波会使得探测器输出的已调信号会产生一些小的“脉冲展宽”，如图3(b)所示。

当这种带有“脉冲展宽”的信号经过信号处理模块时，其传递过程中的波形会产生一定的形变，如图4所示。这是因为，已调信号中存在着大量的高频噪声，在陀螺中会设计RC滤波器对信号进行滤波处理，当信号通过滤波器时，由于电容的充放电过程会使得信号发生轻微的变形，但很快会趋于稳定值，而这一过程恰好将光功率信息传递到了待采样信号区。根据RC滤波器的响应原理，以一阶系统为例，在闭环稳定时，已调信号经过RC滤波电路之后，可以描述为：

其中，t_g是脉冲展宽的时间宽度；τ_RC是RC滤波电路的时间常数，且t_g＜τ_RC＜τ；t_x是形变信号带上电压值为V_ps的任意一点与上一时刻电压值为最大值V_L时对应点的时间间隔；V_L信号周期内的最大电压值；V_ps为一个周期内的任意时刻信号对应的电压值。

此时，如图4(a)中所示的已调信号周期下降形变信号中任意点电压值均可表达为：

当陀螺系统定型后，其各项电路参数均为固定值，那么电压值V_ps与到达探测器的最大光功率值I₀成线性关系。同理，当光纤陀螺处于闭环不稳定时，在相同采样点，已调信号如图4(b)所示，在传输过程中，根据RC滤波器的相应特性可推算得：

V_pa1+V_pa2＝V_ps+V_ps (4)

V_pa1与V_pa2分别是陀螺处于闭环稳定前的已调信号前后两个τ周期内下降形变信号中任意点电压值。因此，无论光纤陀螺处于何种工作状态，其相邻两个τ周期内的相同采样位置的已调信号的和相同，将这个和值积分，经过标定计算后即可得到相应的光功率信息。

为了保证光纤陀螺的精度，光纤陀螺信号处理电路中的模数转换器通常对已调信号周期中的稳定区域进行采样，如图5圈出位置所示，此处以陀螺稳定状态状态为例，其任意两个相邻τ周期角速率解调的采样值用S_i与S_i+1表示，根据公式(3)可知：

其中，S_i是相邻两个周期第一个τ周期内的采样值域和，S_i+1是第二个τ周期内的采样值域和，N_i、N_i+1分别为两个τ内的采样点数，t_pi(n)、分别为两个周期内第n个采样点与其各自信号尖峰点的时间间距。

由于光纤陀螺信号处理电路中有着稳定的逻辑与时序控制，其在每个τ周期内的采样点与采样位置可视为相同，即有N_i＝N_i+1＝N_S,N_S为采样点数量。

正常的陀螺的解调是将相邻两个τ周期内的采样值相减，对其差值积分，所以为了与解调过程区分，此处光功率检测过程称之为逆解调，D_Is即为逆解调值。陀螺系统一旦生产定型后，其软件、硬件参数均可视为固定值，所以将相邻两个τ周期的逆解调过程拓展到多个周期后，经过积分、拟合标定后，其计算光功率计算可以表达为：

∑D_Is＝S₁+S₂+S₃+S_i+S_i+1...+S_N (7)

I₀＝K_Is∑D_Is+D_X (8)

其中，∑D_Is为逆解调积分值，K_Is为该陀螺逆解调的比例系数，D_X为一常数，N为逆解调积分周期数且为偶数，N＝2、4、6、…。

根据本发明，只需要将干涉式闭环光纤陀螺的角速率解调值进行复用并累加积分，即可得到陀螺当前状态下的光功率信息，实现过程简单可靠。所以，这种基于逆解调的方法，可以在不增加任何器件，也不增加任何冗余程序的基础上实现对陀螺光功率的监控，其工作原理框图如图6所示。

Claims (3)

1.一种基于逆解调的新型干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，其特征在于：将相邻两个τ周期用于角速率解调的解调采样值相加得到逆解调值，积分拟合后得到光功率检测信息。

2.如权利要求1所述一种基于逆解调的新型干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，其特征在于：相邻两个τ周期角速率解调的采样值为：

其中，I₀是光功率；η为光电探测器转换系数；R_I为跨阻值；K_A为运算放大器的增益系数；t_g是脉冲展宽的时间宽度；τ_RC是RC滤波电路的时间常数，且t_g＜τ_RC＜τ；N_i、N_i+1分别为两个τ内的采样点数，分别为两个周期内第n个采样点与其各自信号尖峰点的时间间距。

3.如权利要求1所述一种基于逆解调的干涉式光纤陀螺光功率在线监控方法，其特征在于：光功率为：

I₀＝K_Is∑D_Is+D_X

其中，∑D_Is为逆解调积分值，∑D_Is＝S₁+S₂+S₃+...+S_N，N为逆解调积分周期数；K_Is为该陀螺逆解调的比例系数；D_X为常数。