CN109737946B - 高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明在现有两个闭环基础上，采用增加第三数字闭环方式，在阶梯波复位时，比较前后探测器的采样值，测出2π复位时的误差信号，通过FPGA调整调制信号的大小，形成一个反馈回路，可在长时间工作后，环境、光源、电路等自身变化后，依然能确保2π复位误差为0，提高光纤陀螺长时间工作的稳定性；而且该数字闭环实现简单，且与光纤陀螺中的其他闭环互不影响。

Description

高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，是一种高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法。

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。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,成为近年来国内外惯性器件的一个研究热点。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、大动态范围和高标度因数线性度等特点。光纤陀螺仪的高理论灵敏度优势，促进了过去30年全球对光纤陀螺仪的研究。

在光纤陀螺中，由旋转引起的Sagnac相位差Δφ_s与角速度成正比，而探测器的输出响应是相位差的余弦函数，这导致光纤陀螺探测光强相对于相位差存在两个问题：非线性和周期性。因此通常的做法是在光纤陀螺中加入一个反馈量，使得两束反向传播的光波之间引入一个非互易相位误差Δφ_f补偿旋转引起的相位差Δφ_s，这使得闭环光纤陀螺对旋转速率的响应基本是线性的，这是光纤陀螺第一个反馈回路。光纤陀螺中的相位调制器使用的是铌酸锂电光调制器，施加在铌酸锂晶体上的电压与调制的相位成线性关系，其中相位为2π时所对应的电压值称为铌酸锂晶体的2π电压。数字相位斜波技术采用数字逻辑和D/A，通过寄存器自动溢出来实现2π复位。但是由于温度漂移等因素，会引起相位调制通道增益发生变化，从而影响2π复位精度。如图1所示，通过比较2π复位前后探测器信号的采样值就可以测得2π电压误差，当2π复位前后探测器信号的采样值相等时，认为2π电压误差为0，而当2π复位前后探测器信号的采样值不相等时，2π电压存在误差。当存在误差时，通过改变阶梯波相位反馈回路的增益，精确控制2π复位，这是光纤陀螺第二个反馈回路，通常称为第二闭环。

高精度光纤陀螺普遍采用的是四态调制，四个状态的相位差分别-Δφ_a、-Δφ_b、Δφ_b、Δφ_a、每个状态持续时间为τ/2，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间，并且相位差满足cosΔφ_a＝cosΔφ_b，即Δφ_a+Δφ_b＝2π。该四态调制方式较于方波调制的优势在于，四态调制每两个周期就能解调出2π复位电压误差，如图2所示，2π复位误差ΔD＝D₁+D₃-D₂-D₄，D₁～D₄分别为图2中标号为1～4的四个状态时刻的AD采样值，通过数字逻辑电路将误差信号解调出来，而方波调制只有在阶梯波复位时才检测一次2π复位误差。当光纤陀螺处于低转速状态工作时，阶梯波复位时间长，导致消除2π电压误差需要一个较长的调整时间，而四态调制可以避免上述缺陷，能快速调整2π电压。

在高精度光纤陀螺中，为消除光纤环中的背向反射和散射对检测精度的影响，减小光学克尔效应，一般都采用宽谱光源。单一波长λ的光(光强为I₀)干涉后的光强为I＝I₀[1+cos(2π·ΔL/λ)]，是简单的余弦函数，ΔL表示光程差，而宽谱光源跟单色光源有很大的不同。宽谱光源包含不同波长成分，不同波长成分的干涉图样与光程差的关系如图3所示。这些不同波长成分叠加在一起导致宽谱光源的干涉图样不同于单一波长干涉图样，根据光的干涉原理，在光纤陀螺中，两列波即振幅为A的一列波A(t)与它延时了τ(即光程差ΔL＝cτ，c为光速)的波A(t-τ)发生干涉，干涉波的强度为：

其中，<>表示时间的平均，A^*(t)表示A(t)的共轭。

维纳欣钦定理表明：如果振幅函数A(t)的傅里叶变换为α(f),那么其自相关函数Γ(τ)具有正实数的傅里叶变换，并且等于其功率谱密度，因而有

其逆变换为

f表示频率。

并且定义自相关函数为

因此

光强公式可改写为

宽谱光源的归一化相干函数为

可得到宽谱光源光强

在空间域上可写为

其中C(ΔL)函数与光谱的谱宽有关，

表示宽谱光源的平均频率，

表示宽谱光源发光的平均波长。所以宽谱光源的干涉图样如图4所示。这就会导致原来的调制深度，-Δφ_b、Δφ_a相位处所对应的光强不再相等。

四态调制中第二闭环每两个周期就检测一次2π电压误差，从而调整阶梯波的增益系数。但是采用宽谱光源的光纤陀螺中，设定的准确的调制深度-Δφ_b和Δφ_a(两者相位相差2π)所对应的光强不再相等，第二闭环会检测出这两种状态所对应的光强差值，通过对A/D采样的数字信号中解调出2π电压的误差，经过积分后控制反馈通道的增益，对2π电压进行调整，使得第二闭环误差为0，这样会导致第二闭环调整后的2π电压与铌酸锂晶体实际所对应的2π电压不一致。所以当阶梯波复位时，由于调整后的2π电压与铌酸锂晶体实际所对应的2π电压不准产生误差，如图5所示(Δφ_a由于第二闭环调整为Δφ_c)，阶梯波复位时的误差会影响到陀螺的性能。

在小转速情况，阶梯波复位时间相对较长，在长时间的平滑下，该误差对陀螺零偏的影响较小；但当陀螺处在一定的特殊转速时，可能会导致阶梯波频繁复位，如图6所示，由于阶梯波复位时2π电压不准所引起的复位误差会被光纤陀螺检测出来，在这些特定转速下的频繁复位所产生的误差相当于引入了一个额外附加转速，此时的转速输出等于实际转速加上频繁复位所产生的误差等效的转速，这会导致在这些转速下，标度因数产生了很大的变化，影响标度因数准确性。

为了抑制这种误差，现有技术中通常做法是改变四态调制的波形，不再是之前的-Δφ_a、-Δφ_b、Δφ_b、Δφ_a这四种状态。根据公式

可知之前的相位差为-Δφ_b与Δφ_a所对应的光强不再相等，而是比Δφ_a略小一点的值Δφ_n，如图7所示。因此使用-Δφ_n、-Δφ_b、Δφ_b、Δφ_n，这四种新的状态作为陀螺的调制深度，该方法能有效避免采用宽谱光源所导致的复位误差。

但是随着工作时间的增长和环境变化，以及光源、器件和电路本身的老化，如实际应用的温度、振动、光谱平均波长等变化，这会使得与-Δφ_b处光强相等的相位差不再是Δφ_n而是另外一个新的相位差，从而又会造成阶梯波复位时，2π电压不准。因此为了解决高精度光纤陀螺长时间工作的稳定性，需要寻找一种新的方法，可以实现自动跟踪控制，保证自动调整调制深度，使阶梯波复位时误差为0。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种在原有的数字闭环基础上，再增加一个闭环反馈来自动调整四态调制的调制深度的解决方法。

本发明提供一种高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法，所述方法采用增加第三个数字闭环方式，在阶梯波复位时，比较复位前后探测器的采样值，测出2π电压复位时的误差信号，通过FPGA调整调制信号的大小，形成一个反馈回路，使得可以实现自动跟踪、控制、自动调整调制深度，保证复位时不产生误差，提高标度因数的稳定性。

具体的，所述自动调整方法，包括如下步骤：

步骤一：光纤陀螺设定初始调制深度，第一闭环正常工作，第二闭环正常工作。

步骤二：检测阶梯波复位信号。

步骤三：通过AD采样每个τ时间的值(将探测器输出的电压值转换为数字量)，使阶梯波复位前的解调值DEM_OLD＝D₃₁-D₃₂，而复位时的解调值DEM_RESET＝D₃₃-D₃₂，通过DEM_OLD减去DEM_RESET就可得出调制深度的误差ΔD。其中D₃₃为阶梯波复位后的第一个τ时间的AD采样值，D₃₂为阶梯波复位前的最后一个τ时间的AD采样值，D₃₁为D₃₂前的一个τ时间的AD采样值，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间。

步骤四：通过FPGA调整调制信号的大小，形成一个反馈回路，自动跟踪，控制，自动调整调制深度。

具体的，

步骤4.1：对调制深度的误差ΔD进行积分。

步骤4.2：根据积分值调整调制深度的增益系数C。

步骤4.3：将-Δφ_a和Δφ_a对应寄存器的数字量分别乘以该增益系数C，得到新的调制深度-Δφ_n，Δφ_n，此时得到新的四态调制的调制深度-Δφ_n，-Δφ_b，Δφ_b，Δφ_n。

步骤五：返回步骤二，对调制深度进行调整，直至满足调制深度的误差ΔD＝0。

本发明的优点在于：

本发明可在高精度光纤陀螺长时间工作，以及环境、光源和电路等自身变化后，依然能确保2π复位误差为0，提高光纤陀螺长时间工作的稳定性。而且该数字闭环实现简单，且与光纤陀螺中的其他闭环互不影响。

附图说明

图1现有技术光纤陀螺中第二数字闭环检测模型示意图。

图2现有技术四态调制波形示意图。

图3现有技术宽谱光源中不同波长成分干涉信号示意图。

图4现有技术中宽谱光源干涉信号示意图。

图5现有技术中2π电压自动调整对应的探测器输出误差示意图。

图6现有技术中光纤陀螺处于特殊转速时，探测器信号示意图。

图7现有技术中通过改变调制深度避免误差示意图。

图8本发明提供的三个闭环反馈工作过程流程图。

图9本发明FPGA中各个闭环所对应探测器信号。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法，所述自动调整方法在原有的两个数字闭环基础上，再增加一个第三闭环反馈来调整四态调制中的调制深度。

如图8所示，该图描述了本发明中的三个闭环反馈工作过程。当所述高精度光纤陀螺(简称陀螺)有一个附加转速时，其探测器信号如9(a)所示，通过检测每个τ之间的差值，解调值DEM＝D₁₁-D₁₂，再通过反馈调整阶梯波台阶高度，消除误差，这是所述的第一闭环，其中，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间，D₁₁、D₁₂为两个相邻的τ时间内AD的采样值(将探测器输出的电压值转换为数字量)。当2π电压存在误差时，探测器信号如图9(b)所示，D₂₁+D₂₃-D₂₂-D₂₄所解调出的增益误差量就是2π电压误差，通过调整串行DA(数模转换器)来控制增益，消除此误差，这是第二闭环，其中，D₂₁、D₂₂、D₂₃、D₂₄为连续的每半个τ时间内AD的采样值。当调制深度存在误差时，探测器信号如图9(c)所示，通过AD采样每个τ的值，使阶梯波复位前的解调值DEM_OLD＝D₃₁-D₃₂，而复位时的解调值DEM_RESET＝D₃₃-D₃₂，通过DEM_OLD减去DEM_RESET就可得出调制深度的误差ΔD。而调制深度是由四个数字寄存器分别构成，-Δφ_a,-Δφ_b,Δφ_b,Δφ_a分别对应四个数字寄存器中的数字量，通过逻辑部分将-Δφ_a和Δφ_a的数字量分别乘以一个增益系数C，根据解调出的误差量ΔD调整该增益系数，得到新的调制深度-Δφ_n，Δφ_n，此时得到新的四态调制的调制深度-Δφ_n，-Δφ_b，Δφ_b，Δφ_n，该方法形成了调制深度的修正回路，对四态调制的调制深度进行有效控制，从而保证了陀螺标度因数的性能，这是光纤陀螺的第三闭环。三个闭环所检测误差和工作频率各不相同，第一闭环检测的是转速，工作频率为1/2τ，第二闭环检测的是2π复位误差，工作频率为1/τ，而第三闭环检测的是调制深度的误差，其工作频率为阶梯波复位的频率，所以这三个闭环频率各不相同，解调时互不影响。当三个闭环同时工作时，可以得到阶梯波复位时误差量为0。

Claims (1)

1.高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法，其特征在于：在原有的数字闭环基础上，再增加一个第三个数字闭环反馈来自动调整四态调制的调制深度；

自动调整过程具体包括如下步骤：

步骤一：光纤陀螺设定初始调制深度，第一闭环正常工作，第二闭环正常工作；

步骤二：检测阶梯波复位信号；

步骤三：通过AD采样每个τ时间的值，使阶梯波复位前的解调值DEM_OLD＝D₃₁-D₃₂，而复位时的解调值DEM_RESET＝D₃₃-D₃₂，通过DEM_OLD减去DEM_RESET，得出调制深度的误差ΔD；其中D₃₃为阶梯波复位后的第一个τ时间的AD采样值，D₃₂为阶梯波复位前的最后一个τ时间的AD采样值，D₃₁为D₃₂前的一个τ时间的AD采样值，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间；

步骤四：通过FPGA调整调制信号的大小，形成一个反馈回路，自动跟踪、控制，自动调整调制深度；具体步骤如下；

步骤4.1：对调制深度的误差ΔD进行积分；

步骤4.2：根据积分值调整调制深度的增益系数；

步骤4.3：将四态调制的调制深度-Δφ_a和Δφ_a对应寄存器的数字量分别乘以该增益系数，得到新的调制深度-Δφ_n，Δφ_n，此时得到新的四态调制的调制深度-Δφ_n，-Δφ_b，Δφ_b，Δφ_n；-Δφ_a,-Δφ_b,Δφ_b,Δφ_a分别对应四个数字寄存器中的数字量；

步骤五：返回步骤二，对调制深度进行调整，直至满足调制深度的误差ΔD＝0。

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