CN109029412A - 一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法及系统，该方法包括：数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模转换器和调制波驱动电路输出至Y波导相位调制器，调制电压信号为非线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；Y波导相位调制器将调制电压信号转换为调制相位信号，得到调制相位差；光电探测器检测调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至数字信号处理芯片；数字信号处理芯片根据调制相位差计算并输出第一解调值；确定模块根据第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。本发明实现了光纤陀螺的闭环测试，提高了反馈回路非线性测试的准确性。

Description

一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度 测试方法及系统。

背景技术

光纤陀螺作为一种基于Sagnac效应的惯性角速度传感器，以其特有的技 术和性能优势，广泛应用于惯性测量领域。

目前，光纤陀螺普遍采用闭环反馈方式，以提高其灵敏度、稳定性、动态 范围和标度因素的线性度。反馈回路包括三个关键器件：数模转换器(DAC)、 调制波驱动电路(运算放大器)、集成光学调制器(Y波导相位调制器)。DAC 将数字信号转换成模拟电流信号，经过调制波驱动电路转换成电压信号，驱动 电路的输出是阶梯波和方波叠加的调制信号，最后通过集成光学调制器转换成 光相位调制信号，实现光纤陀螺的相位调制。

反馈回路调制系数由DAC器件的转换系数k_DA，驱动放大电路的放大系 数k_sd以及Y波导相位调制器的调制系数构成，可表示为：

式中，G为Y波导相位调制器两个电极的间距，λ为真空中的波长，n_e为 铌酸锂晶体非寻常光折射率，γ₃₃为铌酸锂晶体的电光张量系数，Γ为电场和光 场的重叠因子，L为铌酸锂晶体的电极长度，V为FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)产生的数字调制电压，ΔΦ为调制相位差。

理想情况下，数字调制电压与调制相位差之间呈线性关系，即k为常数。 而实际情况下，由于DAC自身的差分非线性和积分非线性，调制波驱动电路 的增益非线性，Y波导相位调制器的外加电场、光折变效应以及温度特性导致 的波导调制系数非线性等，会造成反馈回路调制系数k的非线性。反馈回路调 制系数非线性会导致光纤陀螺的输出有随阶梯波周期性变化的干扰误差，当转 速相位差小于该非线性误差产生的相位差时，会引起“死区”。

研究反馈回路调制系数非线性度的测试方法能够准确获得由调制系数非 线性对光纤陀螺输出误差的影响，可为后续反馈回路非线性抑制方法的提出、 器件性能的改进提供指导。目前对反馈回路调制系数非线性度的测试方案较少， 测试中硬件电路较复杂，测试方法不易实现，且测试中未考虑温度漂移对反馈 回路调制系数线性度的影响，测量精度不准确。丁东发在《光纤陀螺用Y波 导电光调制特性测试研究》中设计了马赫-曾德干涉仪的非线性测试方法，由 于仅测试几个特殊点的非线性关系，测量精度较差。王巍在《光纤陀螺用Y 波导相位调制线性度测试方法》中采用最小二乘拟合的方法进行非线性测试， 该拟合方法复杂，且测试时陀螺工作于开环状态，易受敏感转速的影响，使得 反馈回路非线性测试的准确性较低。

发明内容

本发明实施例提供一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法及系统， 以解决光纤陀螺反馈回路非线性测试的准确性的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试 方法，包括：

数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模转换器和调制波驱动电 路输出至Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非线性激发调制波信号和 固定阶梯波信号的叠加信号；

所述Y波导相位调制器将所述调制电压信号转换为调制相位信号，得到 调制相位差；

光电探测器检测所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至 所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片根据所述调制相位差计算并输出第一解调值；

确定模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

可选的，所述确定模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非 线性度，包括：

所述确定模块采用数字式多点平均的方法对所述第一解调值处理后，得到 第二解调值；

所述确定模块根据所述第二解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

可选的，所述非线性激发调制波信号是包含4个调制状态的周期信号，每 个状态的持续时间为τ，周期为4τ，τ为光纤环的渡越时间；固定阶梯波是 周期为Nτ的锯齿波，每个阶梯状态的持续时间为τ，相邻阶梯的高度设定为 ΔA，固定阶梯波的总高度为NΔA，且所述固定阶梯波总高度产生的调制相 位差为2π。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测 试系统，包括数字信号处理芯片、Y波导相位调制器、光电探测器、数模转换 器、调制波驱动电路、确定模块、前置放大器和模数转换器，其中，

所述数字信号处理芯片，用于产生调制电压信号后，通过所述数模转换器 和所述调制波驱动电路输出至所述Y波导相位调制器，所述调制电压信号为 非线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；

所述Y波导相位调制器，用于将所述调制电压信号转换为调制相位信号， 得到调制相位差；

所述光电探测器，用于检测所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转 换器输出至所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片，还用于根据所述调制相位差计算并输出第一解调 值；

所述确定模块，用于根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线 性度。

可选的，所述确定模块具体用于，所述确定模块采用数字式多点平均的方 法对所述第一解调值处理后，得到第二解调值；并根据所述第二解调值确定闭 环反馈回路调制系数非线性度。

可选的，所述非线性激发调制波信号是包含4个调制状态的周期信号，每 个状态的持续时间为τ，周期为4τ，τ为光纤环的渡越时间；固定阶梯波是 周期为Nτ的锯齿波，每个阶梯状态的持续时间为τ，相邻阶梯的高度设定为 ΔA，固定阶梯波的总高度为NΔA，且所述固定阶梯波总高度产生的调制相 位差为2π。

本发明实施例中，通过数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模 转换器和调制波驱动电路输出至Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非 线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；所述Y波导相位调制器 将所述调制电压信号转换为调制相位信号，得到调制相位差；光电探测器检测 所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至所述数字信号处理芯 片；所述数字信号处理芯片根据所述调制相位差计算并输出第一解调值；确定 模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。这样，实现了 光纤陀螺的闭环测试，从而提高了反馈回路非线性测试的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法的 流程图；

图2是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法中 光纤陀螺的硬件架构图；

图3是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法中 非线性激发调制波信号对应的调制相位示意图；

图4是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法中 非线性激发调制波的调制相位差示意图；

图5是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法中 第一解调值随阶梯波变化的曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法中 对第一解调值作数字式多点平均法处理之后的曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试系统的 结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种光纤陀螺闭环反馈回路 非线性度测试方法的流程图，图2为光纤陀螺的硬件结构图，该光纤陀螺包括 数字信号处理芯片、Y波导相位调制器、光电探测器、数模转换器、调制波驱 动电路、光纤环、前置放大器和模数转换器。如图1所示，该方法包括以下步 骤：

步骤101，数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模转换器和调 制波驱动电路输出至Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非线性激发调 制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；

步骤102，所述Y波导相位调制器将所述调制电压信号转换为调制相位信 号，得到调制相位差；

步骤103，光电探测器检测所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转 换器输出至所述数字信号处理芯片；

步骤104，所述数字信号处理芯片根据所述调制相位差计算并输出第一解 调值；

步骤105，确定模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线 性度。

在本发明实施例中，上述步骤101和步骤102主要用于产生能够激发非线 性误差的调制波形(即上述调制电压信号)，得到调制非线性误差。其中，数 字信号处理芯片中产生的调制电压信号为非线性激发调制波信号和固定阶梯 波信号的同相叠加。可选的，所述非线性激发调制波信号是包含4个调制状态 的周期信号，每个状态的持续时间为τ，周期为4τ，τ为光纤环的渡越时间； 固定阶梯波是周期为Nτ的锯齿波，每个阶梯状态的持续时间为τ，相邻阶梯 的高度设定为ΔA，固定阶梯波的总高度为NΔA，且所述固定阶梯波总高度 产生的调制相位差为2π，即根据背景技术中的公式(1)满足ΔΦ＝kNΔA＝2π。

理想情况下的调制波形如图3所示，非线性激发调制波信号一个周期内的 调制相位为对应于图3中Φ(t)，是调制相位， 小于π。顺逆传输的光经过光纤环进入Y波导相位调制器，两束光到达Y波导 相位调制器的时间间隔为τ，延迟τ的光束对应的调制相位为Φ(t-τ)，两束光 在Y波导相位调制器处的调制相位差ΔΦ如图4所示，ΔΦ为

由于调制非线性误差的存在，使得反馈回路增益改变，调制相位与调制电 压的关系为:

Φ(t)＝k·V(t)+ε_x (2)

式中，Φ(t)是施加到Y波导的调制相位，k是反馈回路的线性调制系数， V(t)是数字信号处理芯片中产生的数字调制电压，ε_x是不同调制电压下对应的 调制相位非线性误差项，ε_x体现反馈回路调制系数的非线性度。

带有调制非线性误差的调制相位差为：

ΔΦ(t)＝Φ(t)-Φ(t-τ)＝k·[V(t)-V(t-τ)]+ε_x1-ε_x2 (3)

式中，ε_x1是调制电压V(t)对应的调制相位非线性误差项，ε_x2是调制电压 V(t-τ)对应的调制相位非线性误差项。

顺逆光束经过Y波导干涉到达探测器的输出光功率为：

I(t)＝A·[1+cos(k·ΔΦ(t))] (4)

式中，A为干涉系数。

上述步骤103和步骤104主要用于，产生与上述调制电压信号对应的解调 信号，准确解调出调制非线性误差，计算得到反馈回路调制系数非线性误差的 大小，不受敏感角速度的影响。

经过上述步骤101和102得到带有调制非线性误差的光功率信号，光功率 信号经过光电探测器、前置放大电路及模数转换器转换为数字信号，得到的数 字电压为：

U(t)＝K_amp·K_ad·K_dr·A·[1+cos(k·ΔΦ(t))] (5)

式中，K_dr为探测器的光电转换效率，K_amp为前置放大器的放大增益，K_ad为模数转换器增益。

当反馈回路调制系数非线性时，数字信号处理芯片产生调制电压对应的调 制相位有非线性误差存在，在Y波导中产生对应的调制相位差，该相位差经 过光电探测器转换为电信号输入至数字信号处理芯片进行解调，解调信号的波 形如图5所示，其解调序列为：

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

光纤陀螺输出的解调值为：

式中，m为正整数，对n/4向下取整得到m。测得第一解调值如图6所示， 其中，实线表示第一解调值，虚线表示解调波信号。通过图6可以得到，第一 解调值与阶梯波高度有关，随阶梯波周期性变化，即测试结果表明调制相位差 与调制电压之间呈非线性关系。

在步骤105中，上述确定模块可以位于光纤陀螺之外的结构，当然在硬件 允许的情况下，也可以设置在光纤陀螺内。本实施例中，以确定模块为光纤陀 螺之外的情况进行说明，例如，该确定模块可以为一处理器，其具体结构在此 不做进一步的限定。

上述确定模块获取到数字信号处理芯片解调输出的第一解调值后，可以根 据第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

本发明实施例中，通过数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模 转换器和调制波驱动电路输出至Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非 线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；所述Y波导相位调制器 将所述调制电压信号转换为调制相位信号，得到调制相位差；光电探测器检测 所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至所述数字信号处理芯 片；所述数字信号处理芯片根据所述调制相位差计算并输出第一解调值；确定 模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。这样，实现了 光纤陀螺的闭环测试，从而提高了反馈回路非线性测试的准确性。

进一步的，了消除温度等环境变化对反馈回路调制系数非线性度测试的影 响，采用数字式多点平均的方法对解调值处理。基于上述实施例，在本实施例 中，上述步骤105包括：

所述确定模块采用数字式多点平均的方法对所述第一解调值处理后，得到 第二解调值；

所述确定模块根据所述第二解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

具体的，上述第二解调值与阶梯波信号的对比曲线如图7所示，其中，实 线表示第一解调值，虚线表示解调波信号。由于在本实施例职工采用的数字式 多点平均的方法对解调值处理得到第二解调值，基于第二解调值确定闭环反馈 回路调制系数非线性度。这样，可以避免环境温度对测试结果的影响，从而进 一步提高反馈回路非线性测试的准确性。

参见图7，图7是本发明实施例提供的光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测 试系统的结构图，如图7所示，光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试系统包括： 数字信号处理芯片701、Y波导相位调制器702、光电探测器703、数模转换 器704、调制波驱动电路705、确定模块706、前置放大器707和模数转换器 708，其中，

所述数字信号处理芯片701，用于产生调制电压信号后，通过所述数模转 换器704和所述调制波驱动电路705输出至所述Y波导相位调制器702，所述 调制电压信号为非线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；

所述Y波导相位调制器702，用于将所述调制电压信号转换为调制相位信 号，得到调制相位差；

所述光电探测器703，用于检测所述调制相位差，并通过前置放大器707 和模数转换器708输出至所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片701，还用于根据所述调制相位差计算并输出第一 解调值；

所述确定模块706，用于根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数 非线性度。

可选的，所述确定模块706具体用于，所述确定模块采用数字式多点平均 的方法对所述第一解调值处理后，得到第二解调值；并根据所述第二解调值确 定闭环反馈回路调制系数非线性度。

可选的，所述非线性激发调制波信号是包含4个调制状态的周期信号，每 个状态的持续时间为τ，周期为4τ，τ为光纤环的渡越时间；固定阶梯波是 周期为Nτ的锯齿波，每个阶梯状态的持续时间为τ，相邻阶梯的高度设定为 ΔA，固定阶梯波的总高度为NΔA，且所述固定阶梯波总高度产生的调制相 位差为2π。

本发明实施例中，通过数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模 转换器和调制波驱动电路输出至Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非 线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；所述Y波导相位调制器 将所述调制电压信号转换为调制相位信号，得到调制相位差；光电探测器检测 所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至所述数字信号处理芯 片；所述数字信号处理芯片根据所述调制相位差计算并输出第一解调值；确定 模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。这样，实现了 光纤陀螺的闭环测试，从而提高了反馈回路非线性测试的准确性。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示 例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来 实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用 和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现 所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述 的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程， 在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通 过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如， 所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方 式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可 以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通 信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电 性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为 单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者 也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全 部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中， 也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元 中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用 时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技 术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以 以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括 若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设 备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质 包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代 码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到 变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应 以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试方法，其特征在于，包括：

数字信号处理芯片产生调制电压信号后，通过数模转换器和调制波驱动电路输出至Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；

所述Y波导相位调制器将所述调制电压信号转换为调制相位信号，得到调制相位差；

光电探测器检测所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片根据所述调制相位差计算并输出第一解调值；

确定模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定模块根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度，包括：

所述确定模块采用数字式多点平均的方法对所述第一解调值处理后，得到第二解调值；

所述确定模块根据所述第二解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性激发调制波信号是包含4个调制状态的周期信号，每个状态的持续时间为τ，周期为4τ，τ为光纤环的渡越时间；固定阶梯波是周期为Nτ的锯齿波，每个阶梯状态的持续时间为τ，相邻阶梯的高度设定为ΔA，固定阶梯波的总高度为NΔA，且所述固定阶梯波总高度产生的调制相位差为2π。

4.一种光纤陀螺闭环反馈回路非线性度测试系统，其特征在于，包括数字信号处理芯片、Y波导相位调制器、光电探测器、数模转换器、调制波驱动电路、确定模块、前置放大器和模数转换器，其中，

所述数字信号处理芯片，用于产生调制电压信号后，通过所述数模转换器和所述调制波驱动电路输出至所述Y波导相位调制器，所述调制电压信号为非线性激发调制波信号和固定阶梯波信号的叠加信号；

所述Y波导相位调制器，用于将所述调制电压信号转换为调制相位信号，得到调制相位差；

所述光电探测器，用于检测所述调制相位差，并通过前置放大器和模数转换器输出至所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片，还用于根据所述调制相位差计算并输出第一解调值；

所述确定模块，用于根据所述第一解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述确定模块具体用于，所述确定模块采用数字式多点平均的方法对所述第一解调值处理后，得到第二解调值；并根据所述第二解调值确定闭环反馈回路调制系数非线性度。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述非线性激发调制波信号是包含4个调制状态的周期信号，每个状态的持续时间为τ，周期为4τ，τ为光纤环的渡越时间；固定阶梯波是周期为Nτ的锯齿波，每个阶梯状态的持续时间为τ，相邻阶梯的高度设定为ΔA，固定阶梯波的总高度为NΔA，且所述固定阶梯波总高度产生的调制相位差为2π。