CN110375727A - 一种闭环光纤陀螺信号调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环光纤陀螺信号调制方法，涉及光纤陀螺的信号调制与解调技术领域。所述调制方法采用四态方波调制信号+锯齿阶梯调制信号对光纤陀螺的调制频率进行动态调整，在每个τ/2周期内均可进行误差解算和误差实时反馈，并在此基础上产生新的调制频率，再在下一个τ周期内实现调制频率的动态调整，实现了在一个τ周期内本征频率的跟踪和调制频率的快速动态调整；本发明采用现有的电路和光路进行调制频率的动态调整，本征频率跟踪数据与光纤陀螺信号处理数据完全同步，各信号之间不存在延迟和数据同步问题，实时性好，简单方便，动态跟踪性能更高，而且不需要额外增加部件。

Description

一种闭环光纤陀螺信号调制方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺的信号调制与解调领域，尤其涉及一种闭环光纤陀螺信号调制方法。

背景技术

光纤陀螺是基于萨格奈克（Sagnac）效应，敏感角速率和角偏差的一种传感器，与传统的机械陀螺有所不同，光纤陀螺摆脱了转子陀螺的范畴，无机械传动部件，不存在摩擦问题，具有寿命长、质量轻、体积小、功耗小、测量范围大、可快速启动、结构设计灵活等特点。光纤陀螺因其潜在的精度替代了大部分传统的机械陀螺在海、陆、空、天领域的应用，并且起到了关键作用。

光纤陀螺的光功率响应是输入旋转角速率引起的Sagnac相位差的余弦函数，为了获得高灵敏度，闭环光纤陀螺会给光功率响应施加一个偏置调制，使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。

高精度闭环光纤陀螺一般采用四态方波调制方法对光纤陀螺进行偏置调制，其调制频率必须和本征频率对准，否则会对光纤陀螺的性能产生影响。在现有的光纤陀螺中，调制频率依据光纤长度对应的本征频率来确定，是一种固定频率调制。在温度环境下，光纤环的伸缩及光折射率的变化等会引起光纤陀螺本征频率发生变化，产生光纤陀螺本征频率与陀螺调制频率对准误差，进而导致探测器信号中的“尖峰脉冲”信号发生变化，使光纤陀螺产生零偏漂移，导致光纤陀螺的噪声特性、死区特性和小信号下标度因数非线性特性劣化，这一影响在高精度光纤陀螺中尤为明显。

光纤陀螺的本征频率是光信号在Sagnac敏感环路中的传输时间对应的频率，由于本征频率会随着温度的变化而发生漂移，因此，传统的四态方波调制方法不能跟踪本征频率对调制频率进行动态调整。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种闭环光纤陀螺信号调制方法，通过对本征频率的跟踪实现对调制频率的快速动态调整。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种闭环光纤陀螺信号调制方法，包括以下几个步骤：

步骤（1）光纤陀螺的FPGA产生一个时间周期为2τ、高度为k1的四态方波调制信号；

步骤（2）光纤陀螺的FPGA产生一个时间周期为τ/2、高度为k2的锯齿阶梯调制信号，且高度k2远小于k1；

步骤（3）光纤陀螺的FPGA对四态方波调制信号和锯齿阶梯调制信号进行叠加，产生一个时间周期为2τ的复合调制信号；

步骤（4）将所述复合调制信号施加在光纤陀螺的调制器上，检测τ/2周期内前半周期与后半周期的信号误差，得到光纤长度与当前调制频率之间的误差；

步骤（5）对所述步骤（4）的误差进行处理，将处理后的误差值叠加在当前调制频率上，产生新的调制频率。

本发明调制方法在每个τ/2周期内均可以进行误差解算以及误差实时反馈，并产生新的调制频率，再在下一个τ周期内进行调制频率的动态调整，实现了在一个τ周期内本征频率的跟踪和调制频率的快速动态调整，该方法实时性好，简单方便，动态跟踪性能更高；同时，本发明采用现有的电路和光路进行调制频率的动态调整，本征频率跟踪数据与光纤陀螺信号处理数据完全同步，各信号之间不存在延迟和数据同步问题，且不需要额外增加部件。

进一步地，所述步骤（1）和（2）中，时间周期τ是根据光电探测器的输出信号来确定的。

进一步地，所述步骤（1）和（2）中，时间周期τ=L×1.25，其中，L表示光纤环的长度。

进一步地，所述步骤（1）中，四态方波调制信号的调制幅值分别为0，π，π+φ以及φ，其中，φ表示调制深度，取值为π/8～π/2。

进一步地，所述步骤（2）中，高度k2为高度k1的1%～5%，避免了信号失真对第一闭环和第二闭环的影响。

有益效果

与现有技术相比，本发明一种闭环光纤陀螺信号调制方法采用四态方波调制信号+锯齿阶梯调制信号对光纤陀螺的调制频率进行动态调整，在每个τ/2周期内均可进行误差解算和误差实时反馈，并在此基础上产生新的调制频率，再在下一个τ周期内实现调制频率的动态调整，实现了在一个τ周期内本征频率的跟踪和调制频率的快速动态调整。

本发明采用现有的电路和光路进行调制频率的动态调整，本征频率跟踪数据与光纤陀螺信号处理数据完全同步，各信号之间不存在延迟和数据同步问题，实时性好，简单方便，动态跟踪性能更高，而且不需要额外增加部件。

本发明的调制方法在τ/2周期内的前半周期和后半周期的误差和为零，不会对原有的第一闭环和第二闭环产生任何影响，实现了第一闭环、第二闭环和第三闭环的同步进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中四态方波调制信号；

图2是本发明实施例中锯齿阶梯调整信号；

图3是本发明实施例中复合调制信号；

图4是本发明实施例中光纤长度与调制频率一致时的光电探测器输出信号；

图5是本发明实施例中光纤长度与调制频率不一致时的光电探测器输出信号；

图6是本发明实施例中信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种闭环光纤陀螺信号调制方法，包括以下几个步骤：

步骤（1）光纤陀螺的FPGA产生一个时间周期为2τ、高度为k1的四态方波调制信号，如图1所示。

在本实施例中，时间周期τ是通过示波器测量光电探测器的输出信号来确定的，通过实际测量确定的时间周期τ更为精确。四态方波调制信号的调制幅值分别为0，π，π+φ以及φ，其中，φ表示调制深度，φ的取值为π/8～π/2；k1为四态方波调制信号中最高方波与最低方波之间的高度差。

步骤（2）光纤陀螺的FPGA产生一个时间周期为τ/2、高度为k2的锯齿阶梯调制信号，且高度k2远小于k1，如图2所示。

本实施例中，为了避免信号失真，高度k2为高度k1的1%～5%，高度k2为锯齿阶梯调制信号中最小台阶的高度，且最小台阶的宽度为τ/40。

步骤（3）光纤陀螺的FPGA对四态方波调制信号和锯齿阶梯调制信号进行叠加，产生一个时间周期为2τ的复合调制信号，如图3所示。

步骤（4）将复合调制信号施加在光纤陀螺的调制器上，检测τ/2周期内前半周期与后半周期的信号误差，得到光纤长度与当前调制频率之间的误差，即得到本征频率与当前调制频率之间的误差。

步骤（5）对步骤（4）的误差进行积分处理，将积分处理后的误差值叠加在当前调制频率上，产生新的调制频率。

在本发明调制方法的信号调制下，光纤陀螺的光纤长度与设定的调制周期（与调制频率对应）保持一致时，光纤陀螺的光电探测器在一个调制周期内的输出信号为一个平坦的波形，如图4所示。

光纤长度与设定的调制周期不一致时，在一个调制周期内的输出信号在阶梯过渡点会产生调制误差，上阶梯与下阶梯的极性相反，则将会产生一个阶梯误差（如图5所示），通过检测该阶梯误差信号，并进行数据解调即可得到光纤长度与调制周期（或调制频率）之间的误差，再调整调制频率使光纤陀螺在一个调制周期内的输出信号保持平坦，即可实现光纤陀螺对光纤长度（或本征频率）的自动跟踪，抑制光纤陀螺的动态漂移。

本发明采用光纤陀螺现有的光路和电路对本征频率进行跟踪来实现调制频率的动态调整，使光纤陀螺运行在一个理想的工作状态；本征频率跟踪数据与光纤陀螺信号处理数据完全同步，各信号之间不存在延迟和数据同步问题，且不需要额外增加部件；采用现有的FPGA进行数据处理与解算，具有实时性好，动态跟踪能力强的特点。本发明可以在一个时间周期τ内实现调制频率与光纤长度的误差解算，并将误差实时反馈至调制信号上，快速实现调制频率的动态跟踪，该调制方法实时性好，操作简单，且动态跟踪性能更高。

第一闭环，也称速率闭环，通过检测一个时间周期2τ内4个τ/2周期内的信号进行速率误差解算得到速率闭环的误差信号，将该误差信号进行积分等处理后进行反馈补偿实现速率闭环，该闭环内的所有数据以τ/2周期为一个数据单元，处理周期为两个τ时间。

第二闭环，也称半波电压闭环，通过检测一个时间周期2τ内4个τ/2周期内的信号进行半波电压误差解算得到半波电压跟踪的误差信号，将该误差信号进行积分等处理后进行反馈补偿实现半波电压闭环，该闭环内的所有数据以τ/2周期为一个数据单元，处理周期为两个τ时间。

第三闭环，也称调制频率闭环，即本发明的调制方法，该闭环通过检测τ/2周期内前半周期（相当于τ/4）和后半周期（相当于τ/4）的信号进行调制频率误差解算得到调制频率与实际时间周期之间的误差，将该误差信号进行积分等处理后进行调制频率修正实现调制频率闭环，该闭环内的所有数据以τ/4周期为一个数据单元，处理周期为τ/2时间。

在τ/2时间内，调制频率闭环产生的误差如图5所示，其在前后半周期（τ/4）上的误差是正负互补的，两个半周期（τ/4）内的误差和值为零，所以在第三闭环对τ/4周期的数据单元进行处理可以得到误差信号；而在第一闭环和第二闭环，由于两个半周期（τ/4）内的误差和值为零，因此不会给第一闭环和第二闭环带来影响。

第一闭环、第二闭环以及第三闭环误差信号都是基于同一个信号进行采集得到，只是使用的数据单元不一样，第一、二闭环以τ/2为基本数据单元，两个τ周期可以解调出一次误差信号（速率误差信号和半波电压误差信号，解调算法不同），然后进行积分和反馈；第三闭环以τ/4为基本数据单元，一个τ/2周期就可以解调出一次调制频率误差信号，实现误差传递和反馈更新，提高了调制频率动态跟踪的速率。

采用四态方波调制信号能够实现第一闭环和第二闭环，而本发明采用四态方波调制信号+锯齿阶梯调制信号进行调制，在跟踪过程中叠加调制不会对陀螺信号带来额外的叠加误差，不会对原有的第一闭环和第二闭环产生任何影响，能够实现第一闭环、第二闭环和第三闭环的同步实现和快速稳定，锯齿阶梯调制信号的高度k2控制在高度k1的1%～5%之内，避免了信号太大失真造成对第一闭环和第二闭环的影响。

本发明具体的信号处理流程如下，如图6所示：

由光源发出的光经过耦合器进入Y波导相位调制器，光在Y波导相位调制器中分成两束光，两束光在Y波导相位调制器中受到反馈信号的调制后，分别进入光纤环的两臂，经过一周后重新在Y波导相位调制器中进行合光，合成光进入光电探测器后转换成电信号，电信号经过信号采集和处理电路进行误差解调，信号采集和处理电路将解调后的信号进行积分等处理，产生反馈信号，驱动Y波导相位调制器。

首先根据光纤环的长度（或者光电探测器的输出信号），设置初始调制值τ，产生四态方波调制信号和锯齿阶梯调制信号；然后采集τ/2周期内前后半周期的信号，进行作差处理，得到误差信号；对该误差信号进行数据积分，得到累积误差Kn；根据系统需要，选取有效数据位宽（例如20位），根据调制信号的有效位宽N（例如16位），将有效数据位宽的前N位值（τ1）与τ进行求和处理，即对当前调制频率进行补偿，得到新的调制频率值；再在下一个τ周期内将新的调制频率值作用到频率发生器，同步改变四态调制方波信号和锯齿阶梯调制信号的频率（保持调制波形不变），更新陀螺的调制频率，随着调制频率与光纤长度的不断接近，累积误差Kn趋近某一固定值，且与光纤长度保持稳定的对应关系。

本发明的调制方法在一个τ周期内实现了调制频率与光纤长度的误差解算，并将误差实时反馈到调制信号上，快速实现调制频率的动态跟踪，该调制方法的实时性好，使用简单，动态跟踪性能更高。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种闭环光纤陀螺信号调制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤（1）光纤陀螺的FPGA产生一个时间周期为2τ、高度为k1的四态方波调制信号；

步骤（2）光纤陀螺的FPGA产生一个时间周期为τ/2、高度为k2的锯齿阶梯调制信号，且高度k2远小于k1；

步骤（3）光纤陀螺的FPGA对四态方波调制信号和锯齿阶梯调制信号进行叠加，产生一个时间周期为2τ的复合调制信号；

步骤（4）将所述复合调制信号施加在光纤陀螺的调制器上，检测τ/2周期内前半周期与后半周期的信号误差，得到光纤长度与当前调制频率之间的误差；

步骤（5）对所述步骤（4）的误差进行处理，将处理后的误差值叠加在当前调制频率上，产生新的调制频率。

2.如权利要求1所述的一种闭环光纤陀螺信号调制方法，其特征在于，所述步骤（1）和（2）中，时间周期τ是根据光电探测器的输出信号来确定的。

3.如权利要求1所述的一种闭环光纤陀螺信号调制方法，其特征在于，所述步骤（1）和（2）中，时间周期τ=L×1.25，其中，L表示光纤环的长度。

4.如权利要求1所述的一种闭环光纤陀螺信号调制方法，其特征在于，所述步骤（1）中，四态方波调制信号的调制幅值分别为0，π，π+φ以及φ，其中，φ表示调制深度，取值为π/8～π/2。

5.如权利要求1所述的一种闭环光纤陀螺信号调制方法，其特征在于，所述步骤（2）中，高度k2为高度k1的1%～5%。