CN109631871B - 一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，首先利用随机或伪随机序列生成两组互为反向的镜像调制序列，两个互为镜像的调制序列两两交叉组合形成最终的调制序列；然后对陀螺的光相位进行调制；最后数字中心处理器根据对应的解调序列对光电探测器接收到的电压值进行解调处理，得到陀螺的转速误差，并将误差信号作为闭环回路的反馈信号，从而实现陀螺的闭环控制。该方法通过采用随机数生成调制序列，实现了调制与解调在统计上的去相关，抑制光纤陀螺中的调制信号与解调信号之间的交叉耦合。同时该方法可以在任意整数倍的光纤环渡越时间内实现解调，加快了陀螺闭环的响应，提高了系统的动态性能。

Description

一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法

技术领域

本发明涉及干涉型数字闭环光纤陀螺的一种调制和解调方法，具体涉及一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法。

技术背景

数字闭环光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，广泛应用于导航、定位等惯性系统中，其主要包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、光电探测器、数字处理电路。

基本原理是光源发出光通过Y波导分成两束正反传播的光波，数字处理电路在Y波导处施加调制信号，对光波进行相位调制，调制后的光波在Y波导合光后，由光电探测器转化为电信号，中心处理器对电信号进行采样并解调，得到陀螺的转速等信息，作为误差信号实现陀螺的闭环控制，闭环光纤陀螺原理见图1所示。

在闭环光纤陀螺中，由于调制信号的幅值有几伏，而光电探测信号可小至微伏以下。幅值较大的调制信号可能交叉耦合进入到微弱的探测器信号中。这种交叉耦合被认为是造成闭环光纤陀螺随机游走增大和死区的主要原因之一。在专利CN 1197924 A，《在采用过调制的光纤陀螺仪中克服交叉耦合的装置和方法》中，介绍了一种采用特殊序列的调制解调方法，该方法通过生成随机、伪随机或特定序列，实现了陀螺调制与解调的去相关性，从而消除了陀螺的交叉耦合。同时文中指出：在一个解调周期中，解调信号的正负号个数必须相等，但由于调制序列的随机性，将使陀螺的解调周期很长(约一秒)并且不固定，这将导致陀螺闭环响应加长，动态性能下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，采用随机或伪随机序列生成陀螺的特定调制信号，对陀螺转速进行调制并解调，实现了调制与解调在统计上的去相关，消除陀螺由于调制信号与解调信号之间的交叉耦合导致的随机游走增大及死区现象，同时可以在任意整数倍的光纤环渡越时间内实现陀螺的快速解调，加快了陀螺闭环的响应，提高陀螺的动态性能。

本发明的技术解决方案是提供一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，包括以下步骤：

S1：生成相位调制序列；

利用随机或伪随机序列生成两组互为镜像的相位调制序列，两个互为镜像的相位调制序列中互为镜像的两个对应调制相位依次交叉排列组合形成最终的相位调制序列C；

S2：调制；

陀螺的数字中心处理器将相位调制序列C经D/A转换及放大电路施加到Y波导上，对陀螺的光相位进行调制；

S3：解调；

数字中心处理器根据对应的解调序列对光电探测器接收到的电压值进行解调处理。

进一步地，步骤S1包括：

S11：构造陀螺调制相位图形；

根据不同的陀螺选定适合的偏值工作点θ，根据陀螺所选用的偏值工作点θ，按照公式m·θ＝n·2π生成对应的调制相位图形；其中θ为偏值工作点，m代表要生成一个调制波形所需要的最小分段数，n为整数；具体构造依据CN1197924A公开内容实现。

S12：在中心处理器中生成随机或伪随机序列。

S13：根据生成的随机或伪随机序列，在调制相位图形中按照随机或伪随机序列表达顺序选择调制相位，得到两条互为镜像的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B；例如相位调制序列A生成中，随机数0表示逆时针，则在随机相位调制序列B生成中随机数0则表示顺时针，故这两条调制序列正好相反，相位互为镜像。

S14：随机相位调制序列A与随机相位调制序列B中的互为镜像的两个对应调制相位依次交叉排列组合，形成最终的相位调制序列C。

进一步地，步骤S13中根据随机或伪随机序列在调制相位图形选择调制相位时：首先，对生成的随机或伪随机序列经镜像变换，得到镜像随机或伪随机序列；

然后，根据随机或伪随机序列及其镜像随机或伪随机序列在调制相位图形中按相应顺序选择调制相位，得到两条互为镜像的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B。

进一步地，相位调制序列C每个调制相位持续时间为光纤环的渡越时间的一半。

进一步地，步骤S12具体为：在FPGA中采用伪随机发生器产生m序列。

本发明的有益效果是：

1、本发明最终调制序列由反向的两组序列交叉而成，且每个调制持续时间为τ/2，故一个τ周期内包括一个顺时针与逆时针，所以由陀螺旋转产生Sagnac相移的幅值变化方向相反，解调序列可表示为{+，-，+，-….}。在光纤环渡越时间τ的整数倍内，解调序列中正负号个数相等，从而可以在任意整数倍τ实现解调，提高了系统的动态性能。

2、该方法通过在调制端生成随机、伪随机序列，而在解调端为固定的正负相间序列，实现了陀螺调制与解调的去相关性，消除了陀螺的交叉耦合，减少随机游动。

附图说明

图1为数字闭环光纤陀螺原理图；

图2为偏值工作点θ为3π/4偏置相位，对应的陀螺调制相位图形；

图3a为陀螺随机调制相位；

图3b为陀螺随机调制相位对应的调制后的光功率信号；

图4a为实施例随机相位调制序列A产生相应的调制信号图；

图4b为实施例随机相位调制序列B产生相应的调制信号图；

图5为实施例中最终生成的随机相位调制序列；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明通过生成随机或伪随机调制相位并施加到Y波导上，光电探测器实时检测到调制后的电压信号并根据解调序列得到转速误差及2π复位误差，作为陀螺闭环的反馈信号，实现陀螺的闭环控制。

具体调制及解调通过如下过程实现：

1、陀螺调制相位图形构造：

为实现陀螺的最佳检测灵敏度，可根据不同陀螺光纤环大小，以及光源光功率大小，选取合适陀螺的偏值工作点，以达到最佳信噪比，通常偏值工作点处于π/2～π之间，例如

等。确定了陀螺的偏值工作点后，可依据CN1197924A专利，通过如下公式构造一个模为2π的图形：

m·θ＝n·2π

其中θ为偏值工作点，m代表要生成一个过调制波形所需要的最小分段数，n为一个整数。

例如陀螺偏值工作点θ为3π/4偏置相位，那么此时状态数目m＝8，渡越次数为n＝3。便可生成如图2所示的模为2π的图形，其中每一个扇形都代表了一种调制信号的调制幅值。

2、生成两组互为镜像的随机调制相位序列，具体可通过如下步骤进行：

a)、首先生成随机序列，由于在实际操作中很难生成真正的随机序列，因此在实际应用中常用伪随机序列代替随机序列，如在FPGA中采用伪随机发生器产生m序列。

b)、根据生成的随机序列或伪随机序列在调制相位图形中进行选择，得到两条互为镜像的随机相位调制序列A及随机相位调制序列B。

其中随机相位调制序列A及随机相位调制序列B生成的方向正好相反，如随机相位调制序列A中，0表示逆时针选取，1表示顺时针选取，随机相位调制序列B，则0表示顺时针选取，1表示逆时针选取，调制序列每次状态选取时只能在相邻的两个状态之间进行。例如随机数为{0,0,0,0,0,0...}，则随机相位调制序列A调制序列为

随机相位调制序列B调制序列为

如图4a及图4b所示。

也可以首先对生成的随机或伪随机序列经镜像变换，得到其镜像随机或伪随机序列；然后，根据随机或伪随机序列及其镜像随机或伪随机序列在调制相位图形中按相应顺序选择调制相位，得到两条互为镜像的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B。在该步骤中0、1选取规则一致，即在随机相位调制序列A和随机相位调制序列B中，0均表示逆时针选取，1均表示顺时针选取，或0均表示顺时针选取，1均表示逆时针选取。

3、生成最终调制序列：

将步骤得到的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B，互相交叉组合而成最终调制信号φ(t)，且调制信号φ(t)每个调制持续时间为光纤环的渡越时间的一半，即τ/2。上例中随机相位调制序列A与随机相位调制序列B生成的最终调制信号φ(t)可表示为如下：

4、中心处理器依据最终交叉组合生成的调制序列φ(t)，通过D/A转化器及放大电路施加到Y波导上，对陀螺中的光波的相位进行调制。

5、解调序列构造

光电探测器实时检测到调制后的光功率信号并将其转化为电信号，中心处理器通过A/D转化及放大电路采样得到调制后的光功率信号。

根据陀螺原理，光纤环中反向传播的两束光受到的调制信号时间相隔τ(即光纤环的渡越时间)，产生的偏置调制相移Δφ(t)为：

Δφ(t)＝φ_m(t)-φ_m(t-τ) (2)

将调制信号代入到公式(2)中，可得最终合成的调制信号Δφ(t)为：

根据公式3知，在一个光纤环的渡越时间τ内，调制相位差Δφ(t)分为两个部分，一部分是τ周期的前半部分，由序列A生成，另一部分为τ周期的后半部分，由序列B生成。将A、B序列代入公式(3)可得：

最终调制序列由反向的两组序列交叉而成，且每个调制持续时间为τ/2，故一个τ周期内包括一个顺时针与逆时针，如图3a与图3b所示，所以由陀螺旋转产生Sagnac相移的幅值变化方向相反，解调序列可表示为{+，-，+，-….}。在光纤环渡越时间τ的整数倍内，解调序列中正负号个数相等，从而可以在任意整数倍τ实现解调，提高了系统的动态性能。

由上述所提供的实施例可以看出，该方法通过在调制端生成随机、伪随机序列，而在解调端为固定的正负相间序列，实现了陀螺调制与解调的去相关性，从而消除了陀螺的交叉耦合。同时由于解调周期可以为光纤环渡越时间τ的任意整数倍，加快了陀螺闭环的响应，提高了系统的动态性能。综上所述，本发明实施例能够在相对传播的光束间附加一个人为的随机调制相位，使得陀螺仪输出具有以下特征：1.减少对不可避免的系统交叉耦合的响应灵敏度，2.减少随机游动,3、快速反馈。

Claims (4)

1.一种抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：生成相位调制序列；

利用随机或伪随机序列生成两组互为镜像的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B，两个互为镜像的相位调制序列中互为镜像的两个对应调制相位依次交叉排列组合形成最终的相位调制序列C；

S2：调制；

陀螺的数字中心处理器将相位调制序列C经D/A转换及放大电路施加到Y波导上，对陀螺的光相位进行调制；

S3：解调；

数字中心处理器根据对应的解调序列对光电探测器接收到的电压值进行解调处理；步骤S1包括：

S11：构造陀螺调制相位图形；

根据陀螺所选用的偏值工作点，按照公式m·θ＝n·2π生成对应的调制相位图形；其中θ为偏值工作点，m代表要生成一个调制波形所需要的最小分段数，n为整数；

S12：生成随机或伪随机序列；

S13：根据生成的随机或伪随机序列，在调制相位图形中按顺序选择调制相位，得到两条互为镜像的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B；

S14：随机相位调制序列A与随机相位调制序列B中的互为镜像的两个对应调制相位依次交叉排列组合，形成最终的相位调制序列C。

2.根据权利要求1所述的抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，其特征在于：

步骤S13中根据随机或伪随机序列在调制相位图形选择调制相位时：

首先，对生成的随机或伪随机序列经镜像变换，得到镜像随机或伪随机序列；

然后，根据随机或伪随机序列及其镜像随机或伪随机序列在调制相位图形中按相应顺序选择调制相位，得到两条互为镜像的随机相位调制序列A与随机相位调制序列B。

3.根据权利要求1所述的抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，其特征在于：相位调制序列C每个调制相位持续时间为光纤环的渡越时间的一半。

4.根据权利要求3所述的抑制光纤陀螺仪交叉耦合的随机调制及解调方法，其特征在于，步骤S12具体为：在FPGA中采用伪随机发生器产生m序列。

Images