CN109373991B - 一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，光源经副载波调制器单元和副载波调制光源单元调制后的光信号，载着一定频率的副载波，由耦合器耦合至多圈光纤环，光纤环输出至干涉仪解调副载波单元，干涉仪解调副载波单元连接锁相环单元，干涉本振副载波信号由副载波调制器单元另一路分支提供；在解调后且相位及频率已变化的副载波频率信号输入PLL电路作为锁相环的一路频率，并与PLL基准副载波VCO电路实时比较，而后由A/D单元转化为数据信号，输入至CPU单元处理。本发明具有超高的稳定性和可再现性，超高的细节解析性，最高精度达0.000001°/h，在保持超高精度的基础上还能保持超高的分辨率和灵敏度。

Description

一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪，尤其涉及一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪。

背景技术

陀螺仪的原理是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时是不会改变的。根据此原理，以机械结构及检测电路制造出陀螺仪，用它来保持方向，主要用于测量角位移和角速度的惯性传感器，是惯性导航系统的重要组成部件。

原有的产品以机械陀螺仪为主，而最新的光纤陀螺仪是基于萨格奈克效应发展起来的一种新型的固态化角速度惯性传感器。光纤陀螺仪相比于传统的机械式陀螺，具有无旋转固定轴、外形尺寸小、消耗功率小、使用寿命长、动态量程大、灵敏度高等诸多优点，受到世界许多国家的大学和科研机构的重视，取得了很大的进步，具有广阔的应用前景，可广泛应用于航空、航天、航海及其它经济领域。

现有的光纤陀螺仪检测精度最高已达到小于等于0.001°/h，但国内光纤陀螺仪的精度主要集中在0.01°/h，研制水平只能做到惯性导航系统的中、低精度要求。如果需要更高精度，则现有技术无法实现。

发明人发现，基于萨格奈克效应得到的被测信号相位变化的信息，其信号处理部分，尤其是前置运放放大部分国内外采用的处理电路相同或类似，由于温飘、外界电磁干扰、器件本身参数漂移等因素的影响，会造成其精度和灵敏度、分辨率等受到限制，而重复性精度会更低，另外还存在陀螺仪的光纤圈环旋转速度较低时检测值为0的问题。因此，现有的国内外的光纤陀螺仪均具有以上缺点，需要改进。

发明内容

本发明为解决上述问题，发明人根据自己的研究发现，提供一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪。

本发明为达到上述目的，所采取的技术方案是：一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，由副载波VCO电路输出，并为CPU设置锁定的副载波信号，经上变频器后，增高为0.1THz～10THz频段的副载波信号，光源经副载波调制器单元和副载波调制光源单元调制后，变为已调光信号，载着一定频率的副载波，由耦合器耦合至多圈光纤环，由光纤环输出至干涉仪解调副载波单元，干涉仪解调副载波单元连接锁相环单元，干涉仪解调副载波单元的干涉本振副载波信号由副载波调制器单元另一路分支提供；根据 Sagnac效应 ,当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内传播的光波信号的相位会发生变化，即所调制的副载波信号的相位和频率也会发生变化，在解调后且相位及频率已变化的副载波频率信号输入PLL电路作为锁相环的一路频率，并与PLL基准副载波VCO电路实时比较，

如解调副载波相位及频率高于基准副载波VCO，PLL电路的锁定电压PD2降低，加载至变容二极管使其容量增大，再使基准副载波VCO的频率降低，如再次经上次的光路过程会，并负反馈地降低解调副载波相位及频率的升高态，即减小相位及频率，输入PLL，与通过CPU设置PLL的副载波信号频率比较，直至相等，此时锁相环处于锁定状态，即锁相电压PD2电压为一相对稳定的实时电压值；

如解调副载波相位及频率低于基准副载波VCO，PLL电路的锁定电压PD2升高，再使基准副载波VCO的频率升高，如再次经上次的光路过程会并负反馈地升高解调副载波相位及频率的降低态，即减小相位及频率，输入PLL，与通过CPU设置PLL的副载波信号频率比较，直至相等，光纤环在角速度动态变化之前获得一个锁相电压PD1，PD1与PD2的差值对应光纤环的角速度变化量，PD2较PD1降低则为光纤环角速度升高，反之PD2较PD1升高光纤环角速度降低，而后由A/D单元转化为数据信号，输入至CPU单元处理，计算并显示，或由通讯单元与外界通讯，发至上位机进一步运算处理。

进一步的，所述光纤环以一定的角速度运动，得到PD差值对应光纤环副载波调制的光信号和光信号上调制的副载波信号的相位和频率，也即对应承载体的角速度及加速度信息。

更进一步的，所述光信号及其上所调制的副载波信号的相位和频率由于萨格奈克效应的变化，按光纤环顺时针运动或逆时针运动；当光纤环顺时针运动时，此时与光的方向一致，光速提高，光信号及其调制的副载波信号的相位及频率的变化为增高，则解调后的副载波信号的相位及频率也升高，致使输入到锁相环单元使锁相电压PD降低；反之，当光纤环逆时针运动时，锁相电压PD升高；而光纤环静止时，此时光速为地球自转速度加光纤环的速度矢量和，锁相环电压PD为一固定电压值PD1。

更进一步的，根据光纤环静止时角速度和角度的值，及动态变化之前的PD1，以及锁相电压的PD差值对应的角速度和实时角度的值，计算出实时的角速度、角度、加速度、方位数据。

进一步的，所述变容二极管和电路各基准电源均设置在恒温槽内，解调用的本振及PLL基准晶振均加恒温槽。

本发明的有益效果是：以无限趋近于一中心线的锁相电压PD及前后差值为标定测量线及测量手段，具有超高的稳定性和可再现性，超高的精度、超高的细节解析性，最高可以将精度实现0.000001°/h，同时基于锁相环的自动锁相跟踪相位以及量子效应层面的灵敏度，对被测信号的超高解析性，在保持超高精度的基础上还能保持超高的分辨率和灵敏度。

副载波调制器调制光纤环的光信号，并由锁相环实现超高精度的相位跟踪与锁定，利用锁相环的锁相电压，以数理关系、超高分辨率及精度对应于光纤环体角运动的角度及角速度、比力的特性，算出光纤环运动的角度及角速度，在光纤环低速或相对速度为0时，仍能有效检测，解决了现有陀螺仪在光纤环旋转速度较低或相对速度为0时，检测值为0的问题。

变容二极管和各基准电源采用恒温槽，解调用的本振及PLL基准晶振均加恒温槽，能进一步的促进PD锁定电压始终等于或无限趋近于标定中心线参数，从而使最终的测量值及角度和角速度的测量值达到超高的精度、分辨率和具有重复性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明结构示意图。

图2 是本发明锁相电压PD无限趋近中心线电压图。

具体实施方式

一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，由副载波VCO电路输出，并为CPU设置锁定的副载波信号，经上变频器后，增高为0.1THz～10THz频段的副载波信号，光源经副载波调制器单元和副载波调制光源单元调制后，变为已调光信号，载着一定频率的副载波，由耦合器耦合至多圈光纤环，由光纤环输出至干涉仪解调副载波单元，干涉仪解调副载波单元连接锁相环单元，干涉仪解调副载波单元的干涉本振副载波信号由副载波调制器单元另一路分支提供；在解调后且相位及频率已变化的副载波频率信号输入PLL电路作为锁相环的一路频率，并与PLL基准副载波VCO电路实时比较，由于光纤环是一定角速度动态旋转的，即使光纤环在相对静止时，由于地球的自转速度，光纤环的光信号及所载的副载波信号也会发生角速度及角加速度方面的变化，光信号及所载的副载波信号与周围的时空及引力场的作用产生相位和频率的变化，即萨格奈克效应。

如解调副载波相位及频率高于基准副载波VCO，PLL电路的锁定电压PD2降低，加载至变容二极管使其容量增大，再使基准副载波VCO的频率降低，如再次经上次的光路过程会并负反馈的降低解调副载波相位及频率的升高态即减小相位及频率，输入PLL，与通过CPU设置PLL的副载波信号频率比较，直至相等，此时锁相环处于锁定状态，即锁相电压PD2电压为一相对稳定的实时电压值；

如解调副载波相位及频率低于基准副载波VCO，PLL电路的锁定电压PD2升高，再使基准副载波VCO的频率升高，如再次经上次的光路过程会并负反馈的升高解调副载波相位及频率的降低态即升高相位及频率，输入PLL，与通过CPU设置PLL的副载波信号频率比较，直至相等，光纤环在角速度动态变化之前获得一个锁相电压PD1，PD1与PD2的差值对应光纤环的角速度变化量，PD2较PD1降低则为光纤环角速度升高，反之PD2较PD1升高光纤环角速度降低，而后由A/D单元转化为数据信号，输入至CPU单元处理，计算并显示，或由通讯单元与外界通讯，发至上位机进一步运算处理。

如图1、2所示，根据 Sagnac效应 ,当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内传播的光波信号的相位会发生变化，同时调制光信号上的副载波的相位也会发生变化。光源经副载波调制器单元并在副载波调制光源单元调制后，变为已调光信号并载着一定频率的副载波，由耦合器耦合至多圈光纤环，并到光路出端部分，并输入如图1的干涉仪解调副载波单元，实际中光纤环是以一定的角速度在运动中，会由于萨格奈克效应而得到的，对应于光纤环中的光信号及其调制的副载波信号的相位及频率的变化，且也即对应承载体的角速度及加速度信息，根据之前的角速度、角度或方位数据，利用算法计算出当前角度、角速度的实时变化信息，以及角速率及加速度，及光信号相位变化的信息。

所述光纤环以一定的角速度运动，并得到的PD差值，是对应光纤环副载波调制的光信号和光信号上调制的副载波信号的相位和频率，也即对应承载体的角速度及加速度信息，

所述光信号及其上所调制的副载波信号的相位和频率由于萨格奈克效应的变化，按光纤环体的顺时针运动及逆时针运动有两种；当光纤环顺时针运动时，此时与光的方向一致，光速提高，光信号及其调制的副载波信号的相位及频率的变化为增高，则解调后的副载波信号的相位及频率也升高，致使输入到锁相环单元使锁相电压PD降低；反之，当光纤环逆时针运动时，锁相电压PD升高；而光纤环静止时，此时光速为地球自转速度加光纤环的速度矢量和，锁相环电压PD为一固定电压值即PD1。

光信号及其上调制的副载波信号的相位及频率的变化包括两种，为对应于光纤环体的顺时针运动及逆时针运动两种，则当光纤环顺时针运动时实际与光的方向是一致的时，致使光速提高，则光信号及其调制的副载波信号的相位及频率的变化趋势方向为增高，由于萨格奈克效应使光信号及其调制的副载波信号的相位及频率升高，致使输入到后级锁相环单元会使锁相电压PD降低，反之当光纤环逆时针运动时，锁相电压PD升高，而光纤环静止时，此时光速为地球自转速度与光纤环的速度矢量和，同理锁相环的PD电压也对应一固定电压值，前后PD值差值则对应角速度及实时角度，根据光纤环静止时角速度及角度，计算出实时的角速度及角度、加速度、方位数据。

最后根据光纤环静止时角速度和角度的值及动态变化之前一次的PD1，以及锁相电压的PD差值对应的角速度和实时角度的值，计算出实时的角速度、角度、加速度、方位数据。

所述变容二极管和电路各基准电源均设置在恒温槽内，解调用的本振及PLL基准晶振均加恒温槽。

采用闭环锁相环技术，当将要实时测量时，此时副载波VCO则对应为PD1锁相电压，通过副载波调制器调制到光纤环的输入端的入射光信号，此光信号就是被一定频率的比如几THz副载波调制的已调光信号，已调光信号的光纤环如此时以一定的角速度在实时运动中，则光信号及其调制的副载波信号的相位及频率在光纤环的出端，由于萨格奈克效应而变化，即经干涉仪解调副载波单元解调后，其相位及频率均实时变化。干涉仪解调副载波单元的干涉本振副载波信号由副载波调制器单元另一路分支提供。由解调后并其相位及频率已变化的副载波频率信号再输入PLL单元作为锁相环的其中一路频率，而又与PLL的基准副载波VCO实时比较，如经解调副载波相位及频率高于之前基准副载波VCO，由萨格奈克效应原理可知当前光纤环角速度在升高，再依据锁相环的相位检测和负反馈原理，PLL单元的锁定电压PD电压即PD2则会降低，并加载至变容二极管使其容量增大，再使基准副载波VCO的频率降低，与通过CPU设置PLL的副载波信号频率比较，直至相等，此时即为锁相环处于锁定状态，此时PD2电压为一相对的稳定实时电压值。如果解调副载波相位及频率低于于之前副载波VCO，即当前光纤环角速度在降低，PD电压即PD2则升高，当前的PD电压实际对应了当前仪器所处的实时角度和角速度，暂定为PD2，之前即上一次的锁相电压为PD1，PD2与PD1的差值则是对应了仪器即装载仪器的运动物体的角度和角速度的变量值，由此变量值PD，及之前的角速度、角度或方位数据，利用算法计算出实时的角速度及角度、加速度、方位数据。PD电压还由A/D单元转化为数据信号，输入至CPU单元进一步的处理，计算，并显示，由通讯单元完成与外界通讯及发至上位机进一步的处理运算。

实施例，以无限趋近于一中心线的锁相电压PD及前后差值为标定测量线及手段，即拉格朗日的中值定律物理方面的应用，其具有超高的稳定性和可再现性、超高的精度、超高的细节解析性，理论上可以将精度实现0.000001°/h，同时基于锁相环的自动锁相跟踪相位以及量子效应层面的灵敏度，对被测信号的超高解析性，在保持超高精度的基础上还能保持超高的分辨率和灵敏度。

图1中的变容二极管恒温槽单元、各基准电源恒温槽单元的作用是，让其对提高精度、分辨率、重复性至关重要的各电路处于一恒温环境，以使其对测量值特别是重要的PD锁定电压始终等于或无限趋近于标定中心线参数上，从而使其最终的测量值PD及角度和角速度的测量值达到超高精度、分辨率、重复性。

本发明以无限趋近于一中心线的锁相电压PD及前后差值为标定测量线及测量手段，其具有超高的稳定性和可再现性、超高的精度、超高的细节解析性，理论上可以将精度实现0.000001°/h，同时基于锁相环的自动锁相跟踪相位以及量子效应层面的灵敏度，对被测信号的超高解析性，在保持超高精度的基础上还能保持超高的分辨率和灵敏度。

副载波调制器调制光纤环的光信号并由锁相环超高精度的相位跟踪与锁定能力，再者，利用锁相环的锁相电压，以数理关系、超高分辨率及精度对应于光纤环体角运动的角度及角速度、比力的特性，此推算出光纤环体角运动的角度及角速度，会在光纤环体一定低速或相对速度为0速时，还有有效检测能力，解决之前陀螺仪存在的光纤圈环旋转速度较低时或相对速度为0检测值为0的问题，即失灵敏度的问题。

变容二极管恒温槽单元、各基准电源恒温槽单元，解调用的本振及PLL基准晶振均加恒温槽，作用是，让其对提高精度、分辨率、重复性至关重要的各电路处于一恒温环境，以使其对测量值特别是重要的PD锁定电压始终等于或无限趋近于标定中心线参数上，从而使其最终的测量值PD及角度和角速度的测量值达到超高精度、分辨率、重复性。

本申请实施例只是用于说明本申请所公开的技术特征，本领域技术人员通过简单的替换所进行的改变，仍然属于本申请所保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：由副载波VCO电路输出，并为CPU设置锁定的副载波信号，经上变频器后，增高为0.1THz～10THz频段的副载波信号，光源经副载波调制器单元和副载波调制光源单元调制后，变为已调光信号，载着一定频率的副载波，由耦合器耦合至多圈光纤环，由光纤环输出至干涉仪解调副载波单元，干涉仪解调副载波单元连接锁相环单元，干涉仪解调副载波单元的干涉本振副载波信号由副载波调制器单元另一路分支提供；在解调后且相位及频率已变化的副载波频率信号输入PLL电路作为锁相环的一路频率，并与PLL基准副载波VCO电路实时比较，

如解调副载波相位及频率高于基准副载波VCO，PLL电路的锁定电压PD2降低，加载至变容二极管使其容量增大，再使基准副载波VCO的频率减小，直至与通过CPU设置PLL的副载波信号频率相等，此时锁相环处于锁定状态，即锁相电压PD2电压为一相对稳定的实时电压值；

如解调副载波相位及频率低于基准副载波VCO，PLL电路的锁定电压PD2升高，光纤环在角速度动态变化之前获得一个锁相电压PD1，PD1与PD2的差值对应光纤环的角速度变化量，而后由A/D单元转化为数据信号，输入至CPU单元处理，计算并显示，或由通讯单元与外界通讯，发至上位机进一步运算处理。

2.根据权利要求1所述的基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述光纤环以一定的角速度运动，得到PD差值对应光纤环副载波调制的光信号和光信号上调制的副载波信号的相位和频率，也即对应承载体的角速度及加速度信息。

3.根据权利要求2所述的基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述光信号及其上所调制的副载波信号的相位和频率由于萨格奈克效应的变化，按光纤环顺时针运动或逆时针运动；当光纤环顺时针运动时，此时与光的方向一致，光速提高，光信号及其调制的副载波信号的相位及频率的变化为增高，则解调后的副载波信号的相位及频率也升高，致使输入到锁相环单元使锁相电压PD降低；反之，当光纤环逆时针运动时，锁相电压PD升高；而光纤环静止时，此时光速为地球自转速度加光纤环的速度矢量和，锁相环电压PD为一固定电压值PD1。

4.根据权利要求3所述的基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：根据光纤环静止时角速度和角度的值，及动态变化之前的PD1，以及锁相电压的PD差值对应的角速度和实时角度的值，计算出实时的角速度、角度、加速度、方位数据。

5.根据权利要求1所述的基于闭环锁相法的超高精度光纤陀螺仪，其特征在于：所述变容二极管、电路各基准电源、解调用的本振及PLL基准晶振均设置在恒温槽内。

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