CN109959372B - 双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于正弦‑双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法和装置。本发明装置包括第一环路正弦波调制信号发生模块及第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块。本发明采用两个相位调制器实现双路闭环，相比于采用三个相位调制器的正弦‑锯齿波调制方案，更利于系统小型化及互易性。本发明在第一环路使用正弦波调制,仅在第二环路使用斜率可控的双极性锯齿波调制，相比于双极性锯齿波调制及三角‑锯齿波调制方案，更利于减少脉冲噪声。特别是相比于三角‑锯齿波调制方案，本发明无需在同一相位调制器上叠加两个调制信号，电路实现相对简单。本发明根据频谱分析结果，提出由频谱重叠引起的背向散射噪声的抑制方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感以及信号检测技术领域，尤其涉及基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法和装置。
技术背景
谐振式光学陀螺(ResonatorOptic Gyro，ROG)是利用光学Sagnac效应实现物体旋转角速度检测的一种惯性传感器件。与单路闭环ROG相比，双路闭环ROG 具有线性度好和动态范围大的优点。目前，为了实现双路闭环系统，提出了双极性锯齿波相位调制、正弦-锯齿波相位调制及三角-锯齿波相位调制等方案。
双极性锯齿波相位调制方案采用两个铌酸锂(LiNbO3)相位调制器加载调制信号。由于这种方案在系统两路中都采用了双极性锯齿波调制，因此，会给系统的两路都带来由非理想因素(如锯齿波非理想的复位幅度和时间)导致的复位脉冲噪声。而且，锯齿波相位调制的频谱比传统的正弦波相位调制的频谱要复杂，因此，当锯齿波相位调制同时应用于第一环路和第二环路时，会增加第一和第二环路相位调制频谱重叠的可能性，这不利于降低背向散射噪声。
正弦-锯齿波相位调制方案采用三个LiNbO3相位调制器加载调制信号。在该方案中，一个环路同时进行正弦波相位调制和锯齿波反馈移频，另一个环路只被正弦波调制。相比于双极性锯齿波相位调制方案，这种方案将降低复位脉冲噪声。然而，该方案需要三个相位调制器来加载调制信号，这会带来系统体积的增大和互易性的降低等不利因素。
三角-锯齿波相位调制方案采用两个LiNbO3相位调制器加载调制信号。在该方案中，一个环路同时进行三角波相位调制和锯齿波反馈移频，另一个环路只被三角波调制。然而，这种方案中，需要将三角波和锯齿波信号相加后的一个大电压信号加载到其中一个相位调制器上，这会增加电路设计的复杂性。而且，采用三角波相位调制仍然不能完全消除两个环路的脉冲噪声。
综合上述目前采用的方案存在的问题，为了在不增加相位调制器数目的情况下，尽可能减少脉冲噪声对ROG系统的影响，同时又不增加调制信号电路实现的复杂性，本发明提出一种基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG 的实现方法和装置。为了减少两环路频谱重叠引起的背向散射噪声，本发明提出了相应的抑制方法。
发明内容
本发明是针对双路闭环ROG系统中的脉冲噪声问题、系统小型化问题以及频谱重叠引起的背向散射噪声问题等，提出了一种基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG的实现方法和装置。
基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG的实现方法要求两路相位调制器上分别使用正弦波相位调制和双极性锯齿波相位调制，且双极性锯齿波调制信号发生模块能够产生斜率可控的锯齿波。基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG的实现方法具体包括：
正弦波调制的第一环路通过检测光电转换器输出信号中的正弦波调制频率的一次频信号幅度，得到第一环路谐振频率与可调谐半导体激光器中心频率的差值，将此频率差信号输入第一环路频率伺服控制模块，频率伺服控制模块输出信号输入可调谐半导体激光器调谐端，反馈控制可调谐半导体激光器中心频率，将可调谐半导体激光器的中心频率锁定在第一环路谐振频率上。
在双极性锯齿波调制的第二环路中，第二环路锁相放大器得到的解调值正比于第一和第二环路的谐振频率差，也正比于物体的旋转角速度。将第二环路解调值输入频率伺服控制模块后得到的输出信号输入第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块，实时调整双极性锯齿波波形斜率，反馈控制双极性锯齿波的移频量，以实现第二环路的谐振频率锁定。在第一环路和第二环路均锁定的情况下，第二环路的反馈信号经过低通滤波模块作为陀螺输出信号。
此方法实现过程中还对双极性锯齿波相位调制后的频谱特性进行了理论分析和实验验证，并根据双极性锯齿波相位调制后的频谱特性和ROG系统背向散射噪声特性，提出正弦波相位调制频率应该等于双极性锯齿波调制重复频率的偶数倍，以提高背向散射噪声抑制效果。
基于双极性锯齿波相位调制后的频谱特性，提出了为尽量避免环路间频谱重叠以减小ROG环路间的背向散射噪声，使正弦波调制频率为双极性锯齿波调制复位频率的127.6％到134.5％。
在双路闭环ROG的实现过程中，为了得到实际双极性锯齿波相位调制的调制频谱特性，采用基于仿真软件快速傅立叶变换频谱分析方法分析第一环路和第二环路的频谱重叠情况，并以此为依据调整调制信号参数以减小背向散射噪声；所述的基于仿真软件快速傅立叶变换频谱分析方法具体描述如下：在陀螺双路闭环工作条件下采集双极性锯齿波调制信号数据；将采集得到的双极性锯齿波调制信号数据导入仿真软件；并将其作为双极性锯齿波调制信号代入相位调制后的光场公式中，得到第二环路光场调制后的信号；对第二环路光场调制后的信号在仿真软件中进行快速傅立叶变换分析，从而得到经过双极性锯齿波调制后的第二环路光场频谱。
一种实现所述的基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG方法的装置包括:可调谐半导体激光器、隔离器、分光耦合器、第一环路相位调制器、第二环路相位调制器、第一环路正弦波调制信号发生模块、第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块、输入端耦合器、光学谐振腔、输出端耦合器、第一环路光电探测器、第二环路光电探测器、第一环路锁相放大器、第二环路锁相放大器、第一环路频率伺服控制模块、第二环路频率伺服控制模块、低通滤波模块。
其中，可调谐半导体激光器与隔离器相连，隔离器与分光耦合器相连，分光耦合器的两路输出分别与第一环路相位调制器和第二环路相位调制器相连，第一环路相位调制器和第二环路相位调制器的输出光通过输入端耦合器进入光学谐振腔，光学谐振腔中的两路光通过输出端耦合器输出后分别与第一环路光电探测器和第二环路光电探测器相连，第一环路光电探测器的输出依次与第一环路锁相放大器、第一环路频率伺服控制模块及可调谐半导体激光器的调谐端相连，构成第一环路频率伺服控制回路；第二环路光电探测器的输出依次与第二环路锁相放大器、第二环路频率伺服控制模块相连，第二环路频率伺服控制模块的输出同时与第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块和低通滤波模块相连，第一环路正弦波调制信号发生模块输出与第一环路相位调制器相连，第二环路低通滤波模块的输出作为陀螺输出。
本发明具有的有益效果：
1)本发明在利用两个相位调制器的情况下实现了双路闭环ROG方案，相比于采用三个相位调制器的正弦-锯齿波调制方案，更有利于系统的小型化及互易性；且由于只在系统一路中采用双极性锯齿波相位调制，相比于双极性锯齿波调制(两路都采用双极性锯齿波调制)及三角-锯齿波调制(两路都采用三角波或锯齿波调制)方案，更有利于减少脉冲噪声；特别是相比于三角-锯齿波调制方案，本发明无需再同一相位调制器上叠加两个调制信号，电路实现相对简单。
2)本发明对双极性锯齿波相位调制后的频谱特性进行了理论分析和实验验证，并根据双极性锯齿波相位调制后的频谱特性，通过提出正弦波调制频率应该等于或接近双极性锯齿波调制重复频率的偶数倍的方法来减少两路频谱的重叠，这有利于ROG系统中背向散射噪声的抑制。
3)本发明中提出了为降低ROG系统中环路间的频谱重叠引起的减小背向散射噪声，使正弦波调制频率为双极性锯齿波调制复位频率的127.6％到134.5％，这有利于ROG系统中背向散射噪声的抑制。
4)本发明中采用基于仿真软件快速傅立叶变换的频谱分析方法分析第二环路实际双极性锯齿波相位调制下的频谱，这种方法可以的陀螺工作中实际双极性锯齿波相位调制信号的调相谱特性，这有利于ROG系统中的相位调制频谱特性分析及优化，且方法简单容易操作。
附图说明
图1是基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG的装置结构图。；
图2是双极性锯齿波的理论波形；
图3是在ROG系统静止状态下，双极性锯齿波相位调制的理论频谱；
图4是在ROG系统静止状态下，采集得到的双路闭环状态下的实际双极性锯齿波调制波形；
图5是基于仿真软件快速傅立叶变换频谱分析方法得到的实际双极性锯齿波相位调制后的第二环路频谱。
图6是在不同正弦波调制频率下测试得到的5分钟陀螺输出信号的标准差。
具体实施方式
下面结合实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG的实现方法包括：
正弦波调制的第一环路通过检测第一环路光电探测器输出信号中的正弦波调制频率的一次频信号幅度，得到第一环路谐振频率与可调谐半导体激光器中心频率的差值，将频率差信号输入第一环路频率伺服控制模块，生成反馈信号输入可调谐半导体激光器调谐端，控制可调谐半导体激光器输出光的中心频率，从而将可调谐半导体激光器中心频率锁定在第一环路谐振频率上。
双极性锯齿波调制的第二环路中，经过双极性锯齿波调制以后，第二环路锁相放大器得到的解调值正比于第一和第二环路的谐振频率差，也正比于物体的旋转角速度。将第二环路解调值输入第二环路频率伺服控制模块后得到的输出信号输入第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块，实时调整双极性锯齿波波形，反馈控制双极性锯齿波的移频量，以实现第二环路的谐振频率锁定。在第一环路和第二环路均锁定的情况下，第二环路的反馈信号作为陀螺输出信号。
该方法的系统框图如图1所示，其中基于双极性锯齿波调制的第二环路以及第一环路和第二环路调制参数的关系是本发明的重点内容，具体方法步骤分析如下：
1)理论推导双极性锯齿波调制的频谱特性：通过相位调制器的工作原理，推导出经过双极性锯齿波调制后的第二环路光场表达式，再利用周期信号的傅里叶变换得到经过双极性锯齿波调制后的理论光谱，从而得到双极性锯齿波调制的频谱特性。分析结果表明，经过双极性锯齿波调制后，在距离载波两侧一个锯齿波初始复位频率附近，存在一个较大的主谐波；同时，存在以双极性锯齿波调制重复频率为基频的奇次谐波分量，且奇次谐波分量越远离主谐波则越小。
2)为了得到双路闭环条件下的实际双极性锯齿波调制时的第二环路频谱，并验证1)中关于双极性锯齿波的频谱特性理论推导的准确性，使用了基于仿真软件快速傅立叶变换分析方法。通过此方法得到的第二环路实际双极性锯齿波调制时的光谱与1)中的理论推导结论一致。
3)基于1)和2)中关于双极性锯齿波调制后的频谱分析，本发明提出正弦波相位调制频率应该等于或接近双极性锯齿波调制频率的偶数倍，这有利于减小背向散射噪声。
4)基于1)和2)中关于双极性锯齿波调制后的频谱分析，本发明提出适当增大正弦波调制频率和双极性锯齿波调制复位频率之间的差异，使得正弦波调制频率为双极性锯齿波调制复位频率的127.6％到134.5％，这有利于降低环路间由频谱重叠引起的背向散射噪声。
5)为了验证上述观点的正确性，对不同正弦波调制频率下的陀螺输出标准差进行了对应的测试。测试结果表明，频谱重叠会导致背向散射噪声的恶化，降低ROG系统的性能，且3)和4)中关于背向散射噪声抑制的观点有利于提高陀螺的性能。
下面对基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG方法中的相关理论推导、仿真和实验验证作进一步说明：
1)理论推导双极性锯齿波调制的频谱特性
可调谐半导体激光器(1)的输出光场可表示如下：
Elaser＝E0exp[j(2πf0t+φ0)] (1)
式中E0为激光幅度，f0为激光中心频率，φ0为初相位。第二环路激光在进入光纤环形谐振腔之前用双极性锯齿波对其进行相位调制后的输出光场可表示为：
式中，kc0和αc0分别是50％耦合器(3)的耦合系数及损耗系数，αPM_CW是第二环路相位调制器(5)的损耗系数；Vπ为相位调制器的半波电压，V(t)为加在第二环路相位调制器上的双极性锯齿波波形。
经过归一化处理以后，第二环路相位调制器(5)后的输出光场可以表示为：
图2为双极性锯齿波的理论波形图，则V(t)可以表示为：
式中fr为双极性锯齿波复位频率，fs为双极性锯齿波调制重复频率，Vs为锯齿波幅度。将V(t)代入式(3)，通过周期信号的傅里叶变换，式(3)可以表示为：
式中，ak为傅里叶变换级数系数，可以表示为：
当双极性锯齿波的幅度等于相位调制器的半波电压Vπ时，式(6)可以被简化为：
图3显示了基于式(7)仿真得到的ak的模，其中，锯齿波的复位频率fr＝20fs(对应N＝10)。在这种理想的双极性锯齿波调制下，最大的主谐波分量在f0±fr，除此以外只存在奇次谐波，且谐波分量随着频率逐渐偏离f0±fr而减小。
2)实际双极性锯齿波调制的频谱
为了得到双路闭环情况下的实际双极性锯齿波调制的频谱，并验证1)理论推导的准确性，本发明提出并使用了一种基于仿真软件快速傅立叶变换分析方法来研究第二环路的实际频谱，具体如下：
采集双路闭环情况下的双极性锯齿波调制信号数据，采集得到的双极性锯齿波调制信号如图4所示。将锯齿波调制信号数据导入仿真软件中，并代入到公式 (3)中作为调制信号V(t)。再对公式(3)在仿真软件中作快速傅立叶变换分析，得到经过实际双极性锯齿波调制的频谱如图5所示。
图5中f定义为实际相位调制下的谐波频率，如图5所示，主谐波分量在± fr(±263.1kHz)附近，存在基频为fs(4.532kHz)的奇次谐波，奇次谐波分量随着与主谐波分量的偏离增加而减小。值得注意的是，在上述相邻的奇次谐波之间也存在一些其他相对较小的能量，这些能量主要分布在±fr附近，这可能是实际系统中的非理想双极性锯齿波调制和系统噪声等因素引起的。尽管如此，实际频谱分布与图3所示的理论频谱总体分布一致。
3)背向散射噪声的抑制
瑞利背向散射噪声是ROG系统的主要噪声之一。为了抑制背向散射噪声，必须尽可能避免第一和第二环路间的频谱重叠。利用傅里叶变换和贝塞尔函数，经过正弦波调制后的第一环路光场可以表示为：
式中，f1是正弦波调制频率，αPM_CCW是第一环路相位调制器的插入损耗，Jn是第一类贝塞尔函数，M是相位调制系数。根据式(8)可知，正弦波调制后，第一环路仅存在基频为f1的谐波分量。基于对第一环路和第二环路的频谱分析结果，为了减小环路间频谱重叠的概率从而减少背向散射噪声，本发明提出正弦波相位调制频率应该等于或接近双极性锯齿波调制重复频率的偶数倍。同时，为了进一步减少频谱重叠引起的背向散射噪声，本发明提出应适当增大正弦波调制频率和锯齿波调制复位频率之间的差异。
4)对背向散射噪声抑制理论的实验验证
为了验证上述背向散射噪声抑制理论的正确性，对5分钟时间下的不同正弦波调制频率的陀螺输出标准差进行了测试。测试结果如图6所示。图6中，当正弦波调制频率在fr附近时，由于环路间频谱重叠严重，陀螺输出的标准差最大，且当正弦波调制频率在fr±fs,fr±3fs,fr±5fs等值附近时，陀螺输出的标准差也明显大于其他值。根据实验测试结果，当正弦波调制频率接近双极性锯齿波调制重复频率的偶数倍，且正弦波调制频率为双极性锯齿波调制复位频率的127.6％到 134.5％时，陀螺输出的标准差保持在较小水平。以上测试结果与上述抑制背向散射噪声的分析结果基本一致，因此，本发明中提出的关于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺系统的背向散射噪声抑制理论得到论证。
一种实现基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环ROG的实现方法的装置：
如图1所示，可调谐半导体激光器(1)与隔离器(2)相连，隔离器(2) 与分光耦合器(3)相连，分光耦合器(3)的两路输出分别与第一环路相位调制器(4)和第二环路相位调制器(5)相连，第一环路相位调制器(4)和第二环路相位调制器(5)的输出光通过输入端耦合器(8)进入光学谐振腔(9)，光学谐振腔(9)中的两路光通过输出端耦合器(10)输出后分别与第一环路光电探测器(11)和第二环路光电探测器(12)相连，第一环路光电探测器(11)的输出依次与第一环路锁相放大器(13)、第一环路频率伺服控制模块(15)及可调谐半导体激光器(1)的调谐端相连，构成频率伺服控制回路；第二环路光电探测器(12)的输出依次与第二环路锁相放大器(14)、第二环路频率伺服控制模块(16)相连，第二环路频率伺服控制模块(16)输出同时与第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块(7)和低通滤波模块(17)相连，第一环路正弦波调制信号发生模块(6)输出与第一环路相位调制器(4)相连，第二环路低通滤波模块(17)的输出作为陀螺输出。
Claims (5)
1.一种基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法，其特征在于包括如下步骤：
采用两个相位调制器，其中第一环路相位调制器使用正弦波相位调制，第二环路相位调制器使用双极性锯齿波相位调制，且第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块能够产生斜率可控的双极性锯齿波；
光学谐振腔通过检测第一环路和第二环路的谐振频率差来实现物体旋转角速度的检测；正弦波调制的第一环路通过第一环路频率伺服控制模块将可调谐半导体激光器中心频率锁定在第一环路谐振频率上；
双极性锯齿波调制的第二环路中，在线性区，通过第二环路锁相放大器得到的解调值正比于第一环路和第二环路的谐振频率差，也正比于物体的旋转角速度；将第二环路解调值输入第二环路频率伺服控制模块后得到的输出信号输入第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块，实时调整双极性锯齿波波形，反馈控制双极性锯齿波的等效移频量，以实现第二环路的谐振频率锁定；在第一环路和第二环路均锁定的情况下，第二环路的反馈信号作为陀螺输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法，其特征在于第一环路中正弦波调制频率应等于双极性锯齿波调制重复频率的偶数倍，以提高背向散射噪声抑制效果。
3.根据权利要求1所述的基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法，其特征在于为减小环路间频谱重叠引起的背向散射噪声，使正弦波调制频率为双极性锯齿波调制复位频率的127.6%到134.5%。
4.根据权利要求1所述的基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现方法，其特征在于：
在双路闭环谐振式光学陀螺的实现过程中，为了得到陀螺实际工作中双极性锯齿波相位调制信号的调相谱特性，采用基于仿真软件快速傅立叶变换的频谱分析方法分析第二环路双极性锯齿波相位调制下的频谱，并以此为依据通过调整调制信号参数来减少环路间频谱重叠，以减小背向散射噪声；所述的基于仿真软件快速傅立叶变换频谱分析方法具体描述如下：采集双路闭环情况下的实际双极性锯齿波调制信号数据；将采集得到的双极性锯齿波调制信号数据导入仿真软件中；并将其作为双极性锯齿波调制信号代入相位调制后的光场公式中，得到第二环路相位调制后的光场信号；对第二环路光场信号在仿真软件中进行快速傅立叶变换分析，从而得到经过双极性锯齿波调制后的第二环路光场频谱。
5.一种基于正弦-双极性锯齿波相位调制的双路闭环谐振式光学陀螺的实现装置，其特征在于包括：可调谐半导体激光器（1）、隔离器（2）、分光耦合器（3）、第一环路相位调制器（4）、第二环路相位调制器（5）、第一环路正弦波调制信号发生模块（6）、第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块（7）、输入端耦合器（8）、光学谐振腔（9）、输出端耦合器（10）、第一环路光电探测器（11）、第二环路光电探测器（12）、第一环路锁相放大器（13）、第二环路锁相放大器（14）、第一环路频率伺服控制模块（15）、第二环路频率伺服控制模块（16）、第二环路低通滤波模块（17）；
可调谐半导体激光器（1）与隔离器（2）相连，隔离器（2）与分光耦合器（3）相连，分光耦合器（3）的两路输出分别与第一环路相位调制器（4）和第二环路相位调制器（5）相连，第一环路相位调制器（4）和第二环路相位调制器（5）的输出光通过输入端耦合器（8）进入光学谐振腔（9），光学谐振腔（9）中的两路光通过输出端耦合器（10）输出后分别与第一环路光电探测器（11）和第二环路光电探测器（12）相连，第一环路光电探测器（11）的输出依次通过顺次相连的第一环路锁相放大器（13）、第一环路频率伺服控制模块（15）及可调谐半导体激光器（1）的调谐端，构成第一环路频率伺服控制回路；第二环路光电探测器（12）的输出与第二环路锁相放大器（14）相连，第二环路锁相放大器（14）的输出与第二环路频率伺服控制模块（16）相连，第二环路频率伺服控制模块（16）的输出同时与第二环路双极性锯齿波调制信号发生模块（7）和第二环路低通滤波模块（17）相连，第一环路正弦波调制信号发生模块（6）的输出与第一环路相位调制器（4）相连，第二环路低通滤波模块（17）的输出作为陀螺输出。
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