CN109696180B - 基于双电极y波导的超高精度光纤陀螺量化误差抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于双电极Y波导的超高精度光纤陀螺量化误差抑制方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明采用一种双电极Y波导，在传统Y波导的基础上增加了第二对电极。用两个DA分别驱动两对电极，并且用两个DA的阶梯波寄存器组合在一起构成一个更高位数的阶梯波寄存器，等效提升了用于反馈的DA位数，从而改善了超高精度光纤陀螺的量化噪声。本发明所述方法在提高了阶梯波寄存器位数，而未大幅降低1LSB所对应的电压值，避免了电路噪声和干扰对小电压(DA最低位对应的电压)的影响。该方法是在传统Y波导的基础上增加第二对电极，生产加工方便，成本较低。

Description

基于双电极Y波导的超高精度光纤陀螺量化误差抑制方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，是一种基于双电极Y波导的超高精度光纤陀螺量化误差抑制方法。

背景技术

陀螺仪是惯性系统的核心部件，也是惯性技术研究的重点内容之一。光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，它实际上是一个基于Sagnac效应的环形干涉仪，通过检测两束反向传播光束之间的相位差，来计算出闭合光路的角速率。由于它具有全固态、低成本、可靠性高、启动速度快等优点被广泛应用于飞机、潜艇、军舰、导弹、卫星等领域,成为近几年来国内外惯性器件的一个研究热点。

在光纤陀螺的研制过程和实际应用中，对“高精度”和“超高精度”一般没有严格的定义；随着光纤陀螺精度的不断突破，相比于轻小型的战术级光纤陀螺，一般将导航级光纤陀螺称为高精度光纤陀螺；相比于导航级光纤陀螺，一般将精度优于10^-3°/h的战略级和参考级光纤陀螺称为超高精度光纤陀螺。

光纤陀螺的全数字闭环检测方案是现阶段的主流检测方案，采用这种类型的光纤陀螺仪具有高精度、动态范围大和标度因数线性度高等特点。光纤陀螺仪具有高理论灵敏度的优势, 促进了过去30年全球对光纤陀螺仪的研究。全数字闭环光纤陀螺检测的核心是将反映光强变化的电信号数字化，在FPGA或DSP中完成数字解调、信号处理。AD(模数转换器)、 DA(数模转换器)器件是连接模拟和数字部分的关键器件。

在数字闭环光纤陀螺中，反馈信号为施加在Y波导上(Y波导由铌酸锂晶体构成，是基于电光效应构成的相位调制器)的阶梯波，阶梯波台阶高度对应两束光之间的反馈相位差，用来补偿光纤陀螺转动所产生的两束光之间的Sagnac相位差。由于阶梯波由DA产生，而DA 的位数有限，因此反馈阶梯波台阶的最小值对应DA的1LSB(最低位)。阶梯波台阶同时作为光纤陀螺每个闭环周期的输出，因此光纤陀螺每个闭环周期的输出转速中存在比较明显的量化。数字闭环反馈带来的量化问题是数字闭环本身固有的问题，但随着时间的平均，量化误差对光纤陀螺精度影响较小，因此对此问题研究不多。但是在毫秒、微秒量级时间应用的条件下，量化误差对光纤陀螺精度有较大影响。

参见图1所示，此为光纤陀螺数字闭环简化模型。光纤陀螺的有效反馈闭环周期最短为τ_loop，τ_loop是光通过整个光纤线圈长度的传输时间。以一个典型的超高精度光纤陀螺为例，该陀螺使用16位DA的低15位生成阶梯波，最高位用于阶梯波复位，所以数字阶梯波寄存器的位数为15，2π相位差对应的数字量为2¹⁵，因此，DA的1LSB所对应的相位差为2π/2¹⁵＝1.9×10^-4rad。设光纤环直径D为200mm，光纤长度L为5000m，光源波长λ为1550nm，根据Sagnac效应，旋转引起的相位差

与旋转角速率Ω的关系为：

式中c为光速。根据公式(1)，DA的1LSB对应的转速约为3°/h。当用该超高精度光纤陀螺测量角速率1°/h时，根据公式(1)求得该角速率所对应的相位差

为6.6×10^-5rad。初始状态下(开始工作时无反馈信号)数字闭环的输入就是该相位差，累加到积分器(初始值为0)中，此时积分器对应的转速小于1.9×10^-4rad(DA 1LSB)，因此产生的DA台阶数字量为0。该数字量作为该光纤陀螺第一个τ_loop时间内的输出，而且通过负反馈回路，作用到Y波导上产生对应的反馈相位差(此时为0)。在第二个τ_loop闭环周期中，设转速不变，转动引起的相位差

依然为6.6×10^-5rad，此时反馈相位差为0，闭环误差进入积分器后所累加的值为6.6×10^-5+6.6×10^-5＝1.32×10^-4rad，依然小于1.9×10^-4rad，因此第二个τ_loop闭环周期的数字量输出为0，负反馈也为0。直到第3个τ_loop时，积分器所累加值(1.32×10^-4+ 6.6×10^-5＝1.98×10^-4rad)才大于DA 1LSB所对应的值(1.9×10^-4rad)，DA输出为1。因此光纤陀螺的最终输出DA台阶数字量为0，0，1，0，0，1……存在明显的量化过程，要准确的分辨1°/h的角速率，则需要3个τ_loop时间。3τ_loop时间内的平均转速为3°/h/3＝1°/h。对于高精度光纤陀螺来说，通常要分辨10^-4°/h量级的转速，因此要分辨该量级转速则需要的时间约为3τ_loop/10^-4≈0.75s。考虑到其他因素影响，分辨过程通常需要更长的时间。

在Allan方差曲线中，量化噪声在平滑时间较短时(一般小于1s)占据主要误差，限制了陀螺输出精度。在长时间平滑时，量化噪声的影响不再显著。随着平滑时间的增长，陀螺输出精度主要的影响因素变为随机游走系数和零偏不稳定性等。因此，量化噪声性能的改善在理论上有助于提升光纤陀螺的短期精度，对长时间稳定性无明显改善作用。在超高精度用于敏感短时间、极微弱信号时(如地质监测等领域)量化误差的抑制变得十分重要。

为改善光纤陀螺量化可通过提高DA的位数，更大的位数N对应着更大的数字阶梯波寄存器，因此拥有更小的量化误差。对于一个典型的超高精度光纤陀螺来说，设DA用于生成反馈阶梯波的位数为N(0到N-1)。阶梯波在满量程时自动溢出实现复位，受到光纤陀螺中第二闭环的影响，阶梯波的满量程对应于Y波导的2π电压。我们常用的光纤陀螺2π电压典型值为3V，N＝15，可算出1LSB所对应的电压值是106μV。如果直接通过提升DA的位数，会使得1LSB对应的电压值相应减小，DA每提高1位，1LSB所对应的电压值便减小一半。因此，直接采用提升DA的位数的方法会使得DA低位对应的电压信号更容易被电路中的干扰和噪声淹没，无法达到量化误差的理想抑制效果。

发明内容

本发明的目的是通过抑制超高精度光纤陀螺的量化误差，来改善其量化噪声，从而提升光纤陀螺的短期精度。

本发明采用一种双电极Y波导，在传统Y波导的基础上增加了第二对电极，第二对电极与第一对电极成固定的倍数关系。用两个16位DA分别驱动两对电极。用两个16位DA的阶梯波寄存器组合在一起构成一个18位阶梯波寄存器，可实现18位阶梯波对应的光学相位调制。通过两个16位DA的组合，等效提升了用于反馈的DA位数，从而改善了超高精度光纤陀螺的量化噪声。

所述第二对电极(电极2)的长度为第一对电极(电极1)长度的1/8，因此第二对电极 (电极2)的2π电压为第一对电极(电极1)的2π电压V_2π的8倍。

所述两个16位DA分别为DA1和DA2，所述18位阶梯波寄存器的高位赋值到DA1，低位赋值到DA2。DA1和DA2分别驱动第一对电极(电极1)和第二对电极(电极2)，两对电极相互配合工作，对调制相位进行拼接，并根据不同时刻的2π电压误差，使得两个16 位DA分别对相应第一对电极和第二对电极的2π电压进行准确跟踪，并保证两对电极的2π电压不准时，产生的误差能被准确补偿。

本发明的优点在于：

本发明所述方法在提高了阶梯波寄存器位数，即等效DA位数的基础上，未大幅降低1LSB 所对应的电压值，避免了电路噪声和干扰对小电压(DA最低位对应的电压)的影响，有助于提升光纤陀螺的短期精度。

本发明所采用的双电极Y波导，是在传统Y波导的基础上增加第二对电极，生产加工方便，成本较低。

附图说明

图1光纤陀螺数字闭环检测模型示意图。

图2传统波导与本发明的双电极Y波导示意图。

图3双电极Y波导中两个电极1LSB分别对应电压示意图。

图4双电极Y波导中两个寄存器对应相同电压的位数示意图。

图5两个16位寄存器构成18位寄存器示意图。

图6使用双电极Y波导的检测电路驱动部分示意图。

图7使用双电极Y波导的四态调制波形示意图。

图8为2π电压分时调整对应的探测器输出误差示意图。

图9(a)为13位阶梯波寄存器对输出量化的影响示意图。

图9(b)为15位阶梯波寄存器对输出量化的影响示意图。

图9(c)为18位阶梯波寄存器对输出量化的影响示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是基于双电极Y波导的超高精度光纤陀螺量化误差的抑制方法。参见图2和图3 所示，该方法使用的双电极Y波导包含一长一短两对电极，第二对电极(电极2)的长度约为第一对电极(电极1)的1/8，因此第二对电极(电极2)的2π电压约为第一对电极(电极1)的2π电压的8倍。由于双电极Y波导中第二对电极的2π电压约为第一对电极的2π电压V_2π的8倍(≈8V_2π)，则同样的电压量V_2π/2^N对应的第二对电极的有效位数为N+3(8V_2π/2^N+3)，如图4所示。因此，第二对电极可以用更高的电压来实现较小的调制相位差。基于这种特性，我们可用第二对电极所对应的阶梯波寄存器作为光纤陀螺总的阶梯波寄存器的低位，这样就可以解决直接提升DA位数导致1LSB电压值较小，易受到电路中的干扰和噪声影响的问题。利用双电极Y波导中的第二对电极，可将同等条件下的阶梯波有效位数增加3。因此，该方案得到的是18位阶梯波寄存器，可使对应的闭环精度和量化误差也得到了相应的改善。

参见图5所示，传统方案中用16位DA的低15位生成阶梯波，最高位用于阶梯波复位，所以数字阶梯波寄存器的位数为15。采用双电极Y波导方案，能将阶梯波有效位数增加3位。本发明将FPGA中的阶梯波寄存器增大到18位，将18位([17:0])阶梯波寄存器的高6位([17:12])赋值到DA1(15bit至0bit)的14bit至9bit，DA1的第15bit(最高位)用于叠加调制信号和实现阶梯波复位；阶梯波寄存器的低12位([11:0])赋值到DA2的11bit至0bit。用DA1和DA2分别驱动第一对电极(电极1)和第二对电极(电极2)，工作方式如图6所示。

参见图7所示，将传统的调制相位差分解为Δφ_m1(t)和Δφ_m2(t)，分别对应DA1和DA2产生的调制相位差。在T₂时间段，DA1产生全部的四态调制波形，DA2不贡献调制相位差；因此，四态调制中的2π电压误差代表了DA1输出波形与第一对电极(电极1)的2π匹配误差。在T₁时间段，四态调制波形被分解为方波部分(Δφ_m1(t))和额外部分(Δφ_m2(t))。其中，方波部分由DA1产生，额外部分由DA2产生。虽然第二对电极的2π电压约为第一对电极1的8倍，但由于Δφ_m2(t)分量很小，一般可以满足在DA2的输出范围之内。当DA1的2π电压在T₂时间段已实现准确调整时，T₁时间段内四态调制对应的2π电压误差可认为由DA2与第二对电极(电极2)的不匹配引起，可进行DA2通道的对应调整。因此可实现对两个DA分别对自己电极的2π电压的准确跟踪。从而使得DA1和DA2一起实现18位阶梯波对应的光学相位调制。其调整过程及探测器输出变化参见图8所示。

图9(a) 图 9(c) 给出了三组不同阶梯波寄存器位数的对比。在采用双电极Y波导，两路DA的2π电压准确跟踪的前提下，测试光纤陀螺每个τ_loop的数字量输出，如图9(c)所示，此时的反馈阶梯波寄存器位数可等效为18位(采用两路16bitDA)。同样的光纤环对应的反馈阶梯波寄存器位数为13位(采用一路14bitDA)和15位(采用一路16bitDA)时，输出数字量如图9(a) 和9(b)所示。可以看到，双电极Y波导的使用可有效增加反馈阶梯波的有效位数，进而降低量化误差。

Claims (1)

1.一种基于双电极Y波导的超高精度光纤陀螺量化误差抑制方法，全数字闭环光纤陀螺检测的核心是将反映光强变化的电信号数字化，在FPGA或DSP中完成数字解调、信号处理；模数转换器AD、数模转换器DA是连接模拟和数字部分的关键器件；在全数字闭环光纤陀螺中，反馈信号为施加在Y波导上的阶梯波，阶梯波台阶高度对应两束光之间的反馈相位差，用来补偿光纤陀螺转动所产生的两束光之间的Sagnac相位差；

其特征在于，在所述全数字闭环光纤陀螺中的Y波导上增加了第二对电极形成双电极Y波导，第二对电极与第一对电极成固定的倍数关系；用两个16位DA分别驱动第一对电极和第二对电极；用两个16位DA的阶梯波寄存器组合在一起构成一个18位阶梯波寄存器，实现18位阶梯波对应的光学相位调制；

所述第二对电极的长度为第一对电极长度的1/8，因此第二对电极的2π电压为第一对电极的2π电压的8倍；

所述的18位阶梯波寄存器分别赋值到两个16位DA，具体为：

将18位阶梯波寄存器的高6位赋值到第一个16位DA的14bit至9bit，第一个16位DA的第15bit用于叠加调制信号和实现阶梯波复位；

18位阶梯波寄存器的低12位赋值到第二个16位DA的11bit至0bit；

所述的两个16位DA分别对自己电极的2π电压的准确跟踪，具体步骤如下：

步骤一：将传统的调制相位差分解为Δφ_m1(t)和Δφ_m2(t)，分别对应第一个16位DA和第二个16位DA产生的调制相位差；在T2时间段，第一个16位DA产生全部的四态调制波形，第二个16位DA不贡献调制相位差；因此，四态调制中的2π电压误差代表了第一个16位DA输出波形与第一对电极的2π匹配误差；

步骤二：在T1时间段，四态调制波形被分解为方波部分和额外部分，其中，方波部分由第一个16位DA产生，额外部分由第二个16位DA产生；

当第一个16位DA的2π电压在T2时间段已实现准确调整时，T1时间段内四态调制对应的2π电压误差认为由第二个16位DA与第二对电极的不匹配引起，因此进行第二个16位DA通道的对应调整；进而实现对两个16位DA分别对自己电极的2π电压的准确跟踪。

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