CN109141391A - 一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明通过对逻辑软件的更改，实现了一种干涉式闭环光纤陀螺调制波形，其特点是包含有六个调制状态，六个调制状态的相位值分别为2π‑5b/2、‑3b/2、‑5b/2、‑3b/2、2π‑5b/2、2π‑3b/2，其中b为相应的调制深度。该发明在不更改硬件的条件下，仅通过对逻辑语言的更改，不仅可实现对集成光学调制器2π复位误差的实时监控，还可大幅度降低调制波形频域的奇次谐波分量，避免在调制过程中引入测量误差，可进一步提高光纤陀螺标度因数的线性度。

Description

一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法

技术领域

本发明一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法属于光纤陀螺技术领域，特别涉及干涉式闭环光纤陀螺的信号调制技术。

背景技术

光纤陀螺是一种基于sagnac效应的光学旋转传感器，结合相应的调制解调技术，可准确测量运动载体的角速率，已经成为被广泛应用的中高精度惯性传感器件。传统的旋转传感器包括机械陀螺仪和激光陀螺仪。相较于机械陀螺仪，光纤陀螺没有高速转动的机械转子，对加速度不敏感，具有体积小、结构简单、寿命长、启动快、性能稳定、工艺简单、精度覆盖面更广等优点。激光陀螺属于第一代光学旋转传感器且性能优良，但是激光陀螺启动时需要极高的电压、对光学加工的精密度要求极高且需要全真空的腔体环境，另外激光陀螺不可避免地存在自锁效应，需要外加机械抖动装置来克服自锁，导致其功耗非常大，装配工艺复杂。随着低损耗传输光纤的问世，光纤陀螺应运而生，其特点是光纤本身可作为光信号的传输通道，易于实现小型化、低成本、高精度且无自锁效应。目前，光纤陀螺已广泛应用于飞行器、制导武器及石油钻井等领域。干涉式闭环光纤陀螺是中高精度领域最成熟也是使用最多的一种光纤陀螺。

干涉式闭环光纤陀螺的信号处理方法与传感器本身一样重要，都是实现高精度角速率传感的保障。干涉式闭环光纤陀螺信号处理的核心部件是数字信号处理模块6，实现的主要功能是对旋转信号的调制与解调。数字信号处理模块6产生调制波形并施加在集成光学调制器9上对干涉光信号产生调制，经过调制后的信号具有检测灵敏度高、标度因数线性度好等优点。干涉式闭环光纤陀螺调制波形的设计一般需要考虑以下两个方面：

1、要求调制波形能够实时监控集成光学调制器9的2π复位误差，以便快速应对集成光学调制器9半波电压随温度变化而变化的情况，半波电压是指施加在集成光学调制器9上，使在光纤环10中反向传输的两束光产生π相移所需的电压。这就要求调制波形包含有四种调制状态：b，2π-b，-b，-2π+b，其中b是调制深度，π是集成光学调制器9上半波电压对应的相位差，满足这个条件的调制波形可实现对集成光学调制器9的2π复位误差的实时监控与修正，有效避免半波电压随温度变化而带来的测量误差。

2、要求调制过程中尽量避免引入与旋转信号同频的误差信号。干涉式闭环光纤陀螺检测的旋转信号是周期为2τ的方波信号，其中τ为光纤环的渡越时间。该旋转信号频域包含一系列的奇次谐波，所以任何同频的奇次谐波分量都会成为旋转信号检测的误差量。调制信号本身以及调制后的PINFET信号是此类干扰误差的两个主要来源，所以要求调制信号及调制后PINFET信号尽可能抑制其奇次谐波分量。

传统用于干涉式闭环光纤陀螺的调制波形是周期为2τ的方波，也是目前使用最多的一种调制波形。图2给出了方波调制的波形图和PINFET信号。该调制方法的优势在于调制波形简单，调制后的PINFET信号频域没有奇次谐波分量。但是方波频域却包含大量与旋转信号同频的奇次谐波分量，会引入测量误差。另外方波只有两个调制状态，需要对复位前后的信号大小进行比较才能确定2π复位误差量，当陀螺低速旋转没有有效复位时便无法补偿调制增益，产生不可消除的误差，这是方波调制不可避免的缺陷。

为了弥补方波调制在2π复位误差调控方面的不足，人们提出了四态调制法。该调制方法具有四个调制状态，每τ/2转换一次调制状态，图3给出了四态调制的波形及相应的PINFET信号。这种调制方法使得PINFET信号在每τ/2的时间就会出现一次尖峰，导致在解调采样过程中有效采样区间变小。同时，四态调制波形频域的奇次谐波分量较大，会引入较大的测量误差。

随后人们提出了双斜波调制法，每个调制状态保持时间为τ，图4给出了双斜波调制的波形及相应的PINFET信号。该调制方法弥补了四态调制有效采样区间小的不足、降低了调制波形频域的奇次谐波分量，但是却在PINFET信号频域中引入了奇次谐波分量，对陀螺性能带来不利影响。

本发明采用更改逻辑语言的方式产生了一种调制波形，其特点是包含有六个调制态，每个调制状态保持时间为τ，可实现对集成光学调制器9的2π复位误差的实时监控，又不影响有效采样区间的大小。同时该调制波形及调制后PINFET信号频域的奇次谐波分量均小于前文所述的三种现有调制方法，引入的旋转误差量最小，可使光纤陀螺性能更优。图5给出了数字信号处理模块6产生的本调制波形及相应的PINFET信号图形。

图6、图7、图8、图9分别描述了方波调制、四态调制、双斜波调制和本发明调制方法调制波形的频域归一化图，归一化的基准是四态调制波形频域的一次谐波分量值。以上图形对应的调制深度均为π/2。

图10、图11、图12、图13分别描述了方波调制、四态调制、双斜波调制和本发明调制方法PINFET信号的频域归一化图，归一化的基准是方波调制PINFET信号频域的二次谐波分量值。

发明内容

本发明的目的：针对目前干涉式闭环光纤陀螺所常用的调制方法，即方波调制、四态调制、双斜波调制存在的不足，比如方波调制无法实时监控集成光学调制器9的2π复位误差而且调制波形频域存在大量奇次谐波分量；四态调制会牺牲有效采样区间并且调制波形频域存在大量奇次谐波分量；双斜波调制使调制波形和PINFET信号的频域存在大量奇次谐波，上述调制方法都会引入大量与旋转信号同频的误差量。本发明提出了一种调制波形，该调制波形包含有六个调制状态，可对集成光学调制器9的2π复位误差进行实时监控与修正，同时该调制波形可使PINFET信号频域无奇次谐波分量的同时，将调制波形频域的奇次谐波分量抑制到很小，使电路中由于调制而引入的误差信号降到最低。仿真与实验结果均证明本调制波形频域的奇次谐波分量远低于方波调制、四态调制及双斜波调制等现有调制方法。由图6、图7、图8和图9可知，当调制深度为π/2时，本调制波形频域的一次谐波分量是方波和双斜波的三分之一，是四态调制波形频域一次谐波分量的七分之一。本发明所述调制波形的实现无需进行硬件更改，只需修改逻辑语言即可，通过参数设置还可方便地调整光纤陀螺的调制深度，适应不同的应用需求。

本发明的技术方案：

一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，基于干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路而实现，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路、反馈驱动电路；所述光路部分：其功能是在光纤环10中输入相向传播的两束光使其发生干涉，并将这两束光的干涉光强输出；光源1输出一束宽带光，集成光学调制器9将该宽带光分为两束光，这两束光分别进入光纤环10，并在光纤环10中相向传播，这两束光同时敏感旋转角速率；光源1输出的宽带光与从光纤环10中输出的光之间的分离由光耦合器2来实现；所述滤波放大电路：其功能是将从光路部分输出的光信号转换为模拟电信号，再对模拟电信号进行滤波放大后输出；光电转换功能由光电转换器3实现，滤波放大功能由前置放大电路4实现；所述数字信号处理电路：其功能是将滤波放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行调制解调得到数字输出信号与数字反馈信号；A/D转换器5将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理模块6再对该数字信号进行调制解调运算，并将调制解调运算得到的数字输出信号与数字反馈信号输出；所述反馈驱动电路：将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，对该模拟信号进行增益变换及滤波后输出一路模拟电压信号；D/A转换器7将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，驱动电路8将该模拟信号放大后输出给光路部分的集成光学调制器9，其特征在于，所述方法在上述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路的数字信号处理电路中，用逻辑语言编写代码，并将该代码用下载器烧写进数字信号处理模块6中，对输入到光纤环10的光信号施加调制波形，以实现对光信号的调制，所述调制波形包含六个调制状态，该六个调制状态的相位值的大小分别为2π-5b/2、-3b/2、-5b/2、-3b/2、2π-5b/2、2π-3b/2，其中b是调制深度，每个调制状态保持的时间为光纤环10的渡越时间τ，光纤环10的渡越时间是指光在光纤环10中传播一周所需的时间，反馈驱动电路将该调制波形施加到光路部分的集成光学调制器9上，来实现相应的电路调制功能。

所述调制深度为π/2或3π/4。

所述方法使用HDL Designer软件编译逻辑语言，确保生成调制波形的逻辑语言语法的正确性。

使用ISE软件对编译后的逻辑进行综合及布局布线，生成可烧写文件。

所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光源1，光耦合器2，光电转换器3，前置放大电路4，A/D转换器5，数字信号处理模块6，D/A转换器7，驱动电路8，集成光学调制器9以及光纤环10；光信号经2×2光耦合器2进入光纤环10中进行顺、逆时针方向传播，顺、逆时针方向传播的两束光经过光纤环10后于集成光学调制器9处相遇发生干涉并进入光耦合器2中，从光耦合器2中输出的光信号经光电转换器3转换为传感电信号；传感电信号经前置放大电路4放大，再由A/D转换器5转换成数字信号进入数字信号处理模块6；该模块6对数字信号进行解调，得到数字输出信号并产生相应的调制波形；该调制波形经D/A转换器7转换为模拟电流信号，通过驱动电路8将模拟电流信号转换为电压信号输出并施加到集成光学调制器9上对光信号进行调制。

本发明具有的优点和有益效果：

1、本发明调制方法的调制波形频域的奇次谐波分量小于现有的三种调制波形，可大幅度降低由于调制波形而引入的误差信号；

2、调制后PINFET信号波形频域的奇次谐波分量为零，可避免引入误差信号；

3、本发明调制方法可实现对光纤陀螺2π复位误差的实时监控与修正，抑制集成光学调制器9半波电压随温度漂移所带来的不利影响；

4、通过参数配置可灵活地调控干涉式闭环光纤陀螺的调制深度，简单快捷；

5、本发明调制技术的复用性强，可在各类干涉式闭环光纤陀螺上应用。

附图说明

图1为本发明调制方法所应用的干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路结构示意图；

图2为方波调制的调制波形和相应的PINFET信号示意图；

图3为四态调制的调制波形和相应的PINFET信号示意图；

图4为双斜波调制的调制波形和相应的PINFET信号示意图；

图5为本发明调制方法的调制波形和相应的PINFET信号示意图；

图6为方波调制的调制波形的归一化频域信息示意图；

图7为四态调制的调制波形的归一化频域信息示意图；

图8为双斜波调制的调制波形的归一化频域信息示意图；

图9为本发明调制方法的调制波形的归一化频域信息示意图；

图10方波调制的PINFET信号波形的归一化频域信息示意图；

图11为四态调制的PINFET信号波形的归一化频域信息示意图；

图12是为双斜波调制的PINFET信号波形的归一化频域信息示意图；

图13是本发明调制方法的PINFET信号波形的归一化频域信息示意图。

其中，1是宽带光源、2是光耦合器、3是光电转换器、4是前置放大器、5是A/D转换器、6是数字信号处理模块、7是D/A转换器、8是驱动电路、9是集成光学调制器、10是光纤环。

具体实施方式

下面的结合附图对本发明进行详细的说明。

一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，基于干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路而实现，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路、反馈驱动电路；所述光路部分：其功能是在光纤环10中输入相向传播的两束光，并将两束光的干涉光强输出，相向传播的两束光需是相干光；光源1输出一束宽带光，集成光学调制器9将该宽带光分为两束光，这样就保证了这两束光是相干光，这两束光分别进入光纤环10，并在光纤环10中相向传播，传播一周后返回集成光学调制器9并发生干涉；光源1输出的宽带光与从光纤环10中输出的光之间的分离由光耦合器2来实现，一般使用的光耦合器是2×2的；所述滤波放大电路：其功能是将从光路部分输出的光信号转换为模拟电信号，再对模拟电信号进行滤波放大后输出；光电转换功能由光电转换器3实现，光电转换器将从光路部分输出的干涉后的光信号转换成电压信号送入前置放大电路4，滤波放大功能由前置放大电路4实现，前置放大电路4由滤波电容和运算放大器组成；所述数字信号处理电路：其功能是将滤波放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行调制解调得到数字输出信号与数字反馈信号；A/D转换器5将模拟信号转换为数字信号，A/D转换器5的位数决定了能够分辨的模拟信号电压最小值，数字信号处理模块6的核心是FPGA，对由A/D转换器5转换生成的数字信号进行调制解调运算，并将解调得到的数字输出信号与数字反馈信号输出，数字输出信号直接输出给计算机，数字反馈信号输出给反馈驱动电路；所述反馈驱动电路：将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，对该模拟信号进行增益变换及滤波后输出一路模拟电压信号；D/A转换器7将数字信号处理电路输出的数字发反馈信号转换为模拟信号，D/A转换器7的位数决定了转换后模拟信号的精度，驱动电路8将该模拟信号放大后输出给光路部分的集成光学调制器9，集成光学调制器9根据所施加的电压信号改变光信号的传播光程，达到调制目的；其特征在于，所述方法在上述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路的数字信号处理电路中，应用于数字信号处理模块6中，用逻辑语言编写代码，使用的编写软件是HDL Designer，编写完成后用下载器将该代码烧写进数字信号处理模块6中，下载器的选择取决于所使用的FPGA；所述调制波形包含六个调制状态；该六个调制状态的相位值的大小分别为2π-5b/2、-3b/2、-5b/2、-3b/2、2π-5b/2、2π-3b/2，其中b是调制深度，每个调制状态保持的时间为光纤环10的渡越时间τ，光纤环10的渡越时间是指光在光纤环10中传播一周所需的时间，若光纤环10的长度为3000米，则光纤环10的渡越时间为10μs，反馈驱动电路将该调制波形施加到光路部分的集成光学调制器9上，对输入到光纤环10的光信号施加调制波形，以实现对光信号的调制，来实现相应的电路调制功能。所述调制深度为π/2或3π/4，使用HDL Designer软件编写逻辑语言完成后要进行逻辑的编译，编译通过说明调制波形的逻辑语言无语法错误。根据FPGA的不同，可使用ISE或Synplify和Designer软件对编译后的逻辑进行综合及布局布线，并生成可烧写文件，将该可烧写文件烧写进数字信号处理模块6，对干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路重新上电后激活本调制技术。

所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光源1，2×2光耦合器2，光电转换器3，前置放大电路4，A/D转换器5，数字信号处理模块6，D/A转换器7，驱动电路8，集成光学调制器9以及光纤环10；光源1发出的宽带光经光耦合器2进入光纤环10中进行顺、逆时针方向传播，顺、逆时针方向两束光经过光纤环10后于集成光学调制器9处相遇发生干涉并进入耦合器2中，从耦合器2中输出的光信号经光电转换器3转换为传感电信号；传感电信号经前置放大电路4放大，再由A/D转换器5转换成数字信号进入数字信号处理模块6；该模块6对数字信号进行解调，得到数字输出信号并产生相应的调制波形，调制波形由逻辑语言决定；该调制波形经电流型D/A转换器7转换为模拟电流信号，通过驱动电路8将模拟电流信号转换为电压信号输出并施加到集成光学调制器9上对光信号进行调制。

实施例

根据本发明的干涉式闭环光纤陀螺调制方法，对某型干涉式闭环光纤陀螺的信号进行调制：

1、实现干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路，包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路和驱动电路，硬件电路中的光源1采用ASE宽带光源，发出的光是中心波长为1550nm的宽带光，带宽为20nm，集成光学调制器9的半波电压为3.4V，选用的A/D转换器5为12位的AD9235，FPGA选用的是XILINX公司的XC6SLX9，D/A转换器7选用的是16位的LTC1668，该D/A转换器的输出是差分电流信号，反馈驱动电路选用差分型运算放大器AD8138，输出为差分电压信号；

2、通过HDL Designer软件编辑逻辑语言实现六个调制状态，六个调制状态的相位值分别为3π/4、-3π/4、-5π/4、-3π/4、3π/4、5π/4，其对应的调制深度为π/2，每个调制状态保持的时间为6.67μs，即光纤环的渡越时间τ；

3、使用HDL Designer软件编写逻辑语言，编写完成后进行编译，编译成功表示逻辑语言没有语法性错误；

4、根据FPGA的管脚定义进行相应的管脚分配，生成相应的管脚分配文件，使用ISE13.4软件对编译后的逻辑进行综合及布局布线，综合及布局布线通过后再生成可烧写bit文件；

5、在对应的下载器中选择JTAG边界扫描模式，选择已经生成的可烧写文件，将逻辑烧写进数字信号处理模块6的FPGA中；

6、完成逻辑烧写后，重新给干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路上电，本发明调制技术的功能便可正常使用。

实验用两型干涉式闭环光纤陀螺已采用本发明调制方法，功能运行正常，提高了光纤陀螺的标度因数。

Claims (5)

1.一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，基于干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路而实现，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路、反馈驱动电路；所述光路部分：其功能是在光纤环(10)中输入相向传播的两束光使其发生干涉，并将这两束光的干涉光强输出；光源(1)输出一束宽带光，集成光学调制器(9)将该宽带光分为两束光，这两束光分别进入光纤环(10)，并在光纤环(10)中相向传播，这两束光同时敏感旋转角速率；光源(1)输出的宽带光与从光纤环(10)中输出的光之间的分离由光耦合器(2)来实现；所述滤波放大电路：其功能是将从光路部分输出的光信号转换为模拟电信号，再对模拟电信号进行滤波放大后输出；光电转换功能由光电转换器(3)实现，滤波放大功能由前置放大电路(4)实现；所述数字信号处理电路：其功能是将滤波放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行调制解调得到数字输出信号与数字反馈信号；A/D转换器(5)将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理模块(6)再对该数字信号进行调制解调运算，并将调制解调运算得到的数字输出信号与数字反馈信号输出；所述反馈驱动电路：将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，对该模拟信号进行增益变换及滤波后输出一路模拟电压信号；D/A转换器(7)将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，驱动电路(8)将该模拟信号放大后输出给光路部分的集成光学调制器(9)，其特征在于，所述方法在上述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路的数字信号处理电路中，用逻辑语言编写代码，并将该代码用下载器烧写进数字信号处理模块(6)中，对输入到光纤环(10)的光信号施加调制波形，以实现对光信号的调制，所述调制波形包含六个调制状态，该六个调制状态的相位值的大小分别为2π-5b/2、-3b/2、-5b/2、-3b/2、2π-5b/2、2π-3b/2，其中b是调制深度，每个调制状态保持的时间为光纤环(10)的渡越时间τ，光纤环(10)的渡越时间是指光在光纤环(10)中传播一周所需的时间，反馈驱动电路将该调制波形施加到光路部分的集成光学调制器(9)上，来实现相应的电路调制功能。

2.根据权利要求1所述的一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，其特征在于，所述调制深度为π/2或3π/4。

3.根据权利要求1所述的一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，其特征在于，所述方法使用HDL Designer软件编译逻辑语言，确保生成调制波形的逻辑语言语法的正确性。

4.根据权利要求1所述的一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，其特征在于，使用ISE软件对编译后的逻辑语言进行综合及布局布线，生成可烧写文件。

5.根据权利要求1所述的一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，其特在于，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光源(1)，光耦合器(2)，光电转换器(3)，前置放大电路(4)，A/D转换器(5)，数字信号处理模块(6)，D/A转换器(7)，驱动电路(8)，集成光学调制器(9)以及光纤环(10)；光信号经2×2光耦合器(2)进入光纤环(10)中进行顺、逆时针方向传播，顺、逆时针方向传播的两束光经过光纤环(10)后于集成光学调制器(9)处相遇发生干涉并进入光耦合器(2)中，从光耦合器(2)中输出的光信号经光电转换器(3)转换为传感电信号；传感电信号经前置放大电路(4)放大，再由A/D转换器(5)转换成数字信号进入数字信号处理模块(6)；该模块(6)对数字信号进行解调，得到数字输出信号并产生相应的调制波形；该调制波形经D/A转换器(7)转换为模拟电流信号，通过驱动电路(8)将模拟电流信号转换为电压信号输出并施加到集成光学调制器(9)上对光信号进行调制。