CN111536960A - 一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法 - Google Patents

一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器出射光通过信号分束器分束成顺、逆时针两路光，分别依次进入声光移频器、电光调制器、光纤耦合器、空心光子带隙光纤谐振腔、光电探测器、数字锁相放大器，并分别通过可调谐激光器和声光移频器形成频率闭环反馈。双环空心光子带隙光纤结构使得顺、逆时针光波分别在独立的谐振腔中互不影响地传播，能够提高温度稳定性，并有效抑制光学克尔效应、瑞利背向散射等非互易效应噪声。双闭环数字解调方法将顺、逆时针两光路中光频率锁定在各自传输的谐振频率处，使得系统工作在线性区中，有效提高了系统角速度检测的线性范围及标度因数的线性度。

Description

一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法
技术领域
本发明涉及谐振式光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法。
背景技术
谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器，通过检测由Sagnac效应产生的谐振频率差实现角速度的高精度测量，是目前光纤陀螺领域研究的重点。较干涉式光纤陀螺，谐振式光纤陀螺通过多光束干涉增强效应，能够通过单圈光纤谐振腔实现数百米光纤环下干涉式光纤陀螺相同的检测精度，避免了温度、应力不均等因素造成的非互易性，有利于系统小型化和集成化。
谐振式光纤陀螺目前仍存在实验室样机阶段，还未实现量产。主要原因是一些误差因素导致系统输出性能无法达到设计值，比如：采用了激光器作为光源，系统光路中背向散射和光学克尔效应严重限制了检测精度；光纤谐振腔普遍使用石英光纤，因而受环境温度变化影响较大；传统谐振式光纤陀螺数字解调方案采取的为单闭环反馈，即仅将一路光频率锁定在谐振频率处，另一路光频率与谐振频率偏离量作为系统输出，这种方式将导致系统输出中无法避免的标度因数非线性误差，同时也会限制系统动态测量范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法，以解决现有技术中存在的普通单模光纤单谐振腔系统中背向散射噪声、光学克尔效应噪声以及输出性能受温度影响大的问题；同时解决传统单闭环数字解调方法中系统动态测量范围窄和标度因数非线性的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种双环并联谐振式陀螺系统，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器Laser发出的光通过信号分束器Coupler1进行分束，其中一束光依次进入声光移频器AOM1、电光调制器EOM1、2×2光纤耦合器Coupler2、光电探测器PD1、数字锁相放大器LIA1并通过声光移频器AOM1形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler2上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1；另一路光依次进入声光移频器AOM2、电光调制器EOM2、2×2光纤耦合器Coupler3、光电探测器PD2、数字锁相放大器LIA2并通过可调谐激光器Laser形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler3上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2。
进一步地，通过信号分束器Coupler1分束获得两束功率相同的光。
进一步地，所述的电光调制器EOM1的正弦调制信号V1＝M1sin(2πf1)和电光调制器EOM2的正弦调制信号V2＝M2sin(2πf2)由同一个数字处理板提供。
进一步地，所述空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1和空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2由同种空心光子带隙光纤构成，具有相同的光纤长度和光纤环直径，并且上下叠放在一起。
进一步地，所述2×2光纤耦合器Coupler2和2×2光纤耦合器Coupler3具有相同的分光比和插入损耗。
第二方面，本发明实施例提供一种双环并联谐振式陀螺系统的双闭环数字解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2输出的光信号由光电探测器PD2转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA2，数字锁相放大器LIA2参考信号为频率为f2的正弦信号，解调输出信号ΔD2与差值Δfcw成正比，比例系数为k2，差值Δfcw为cw方向光频率与cw方向谐振频率的差值，即ΔD2＝k2·Δfcw，可调谐激光器Laser根据解调数字信号ΔD2对输出光频率进行ΔfLaser的频移调节，其中Δfcw＝ΔfLaser，使得cw光路光频率锁定在cw光路谐振频率处；
步骤二：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1输出的光信号由光电探测器PD1转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA1，数字锁相放大器LIA1参考信号为频率为f1的正弦信号，解调输出信号ΔD1与差值Δfccw成正比，比例系数为k1，差值Δfccw为ccw方向光频率与ccw方向谐振频率的差值，即ΔD1＝k1·Δfccw，声光移频器AOM1根据解调数字信号ΔD1对输出光频率进行ΔfAOM1的频移调节，其中Δfccw＝ΔfLaser+ΔfAOM1，使得ccw光路光频率锁定在ccw光路谐振频率处，而声光移频器AOM2在此处不进行移频操作，仅保证ccw和cw两路光的对称性；
步骤三：cw光路光频率fcw为f0+ΔfLaser，ccw光路光频率fccw为f0+ΔfLaser+ΔfAOM1，且两路光频率均锁定在双环空心光子带隙光纤谐振腔的谐振频率处，角速度检测输出Ωoutput由ccw和cw光频率之差计算得出：
Figure BDA0002475861800000031
K为空心光子带隙光纤谐振腔的光学标度因数，表示为：
Figure BDA0002475861800000032
式中D为空心光子带隙光纤谐振腔直径，n为空心光子带隙光纤折射率，λ为可调谐激光器Laser的波长。
本发明的有益效果如下：本发明提供一种双环并联谐振式陀螺系统，使得原本只在一个光纤谐振环中两束顺、逆时针相向传播的信号光，改为在两个独立的空心光子带隙光纤谐振环中互不影响地分别传播，利用光子带隙效应在空气介质中进行导光与传输，能够消除光克尔效应带来的影响；空心光子带隙光纤是基于光子带隙效应将光波约束在空气纤芯中传播，双折射系数受温度变化影响很小，具有优异的温度低敏性，能显著提高陀螺的环境温度适应性；双环并联空心光子带隙光纤谐振腔结构使得顺、逆时针光波分别在独立的谐振腔中互不影响地分别传播，能够有效抑制背向散射和光克尔效应噪声；双闭环数字解调方法将顺逆两路光频率均锁定在谐振频率处，使得系统始终工作在线性工作区，能够改善标度因数的非线性同时增大系统动态测量范围。提供一种双闭环数字解调方法，将顺、逆两路光频率通过频率反馈均锁定各自的谐振频率上，使得系统始终工作在线性区，减小了标度因数非线性误差同时也增大了系统动态测量范围。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种双环并联谐振式陀螺系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中FPGA信号处理板中控制流程图；
图3是本发明实施例中正弦调制下数字解调原理；
图4是本发明实施例中双闭环数字解调方案的顺逆两光路频率锁定示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
实施例1：
图1是本发明实施例提供的一种双环并联谐振式陀螺系统的结构示意图，该一种双环并联谐振式陀螺系统，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器Laser发出的光通过信号分束器Coupler1进行分束(顺、逆时针两路光)，其中一束光依次进入声光移频器AOM1、电光调制器EOM1、2×2光纤耦合器Coupler2、光电探测器PD1、数字锁相放大器LIA1，并通过声光移频器AOM1控制移频量形成闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler2上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1；另一路光依次进入声光移频器AOM2、电光调制器EOM2、2×2光纤耦合器Coupler3、光电探测器PD2、数字锁相放大器LIA2，并通过可调谐激光器Laser进行移频形成闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler3上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2，声光移频器AOM2在光路中不进行移频，保证了顺、逆两路光的对称性。可调谐激光器Laser作为光源提供窄线宽频率稳定性高的激光，同时也能作为频率调节的闭环反馈器件；声光移频器AOM1作为频率调节的闭环反馈器件，能保证激光频率锁定在谐振峰处的同时引入较小损耗；声光移频器AOM2在光路中不做移频，仅保证了顺、逆时针两路光对称性；电光调制器EOM1和EOM2中使用的是LiNbO3电光晶体，能对激光进行正弦相位调制，具有体积小和损耗低等优势；光电探测器PD1和PD2能将谐振腔出射的光信号转换成电信号，输入到数字处理板FPGA中的数字锁相放大器LIA1和LIA2进行同步解调，具有响应度高和带宽大的特点；其中谐振腔采用的是空心光子带隙光纤双环结构，使得顺、逆时针两路光分别被限制在独立的空气介质中传播，有效抑制了背向散射和光学克尔效应等非互易性噪声。
本发明提供一种双环并联谐振式陀螺系统，使得原本只在一个光纤谐振环中两束顺、逆时针相向传播的信号光，改为在两个独立的空心光子带隙光纤谐振环中互不影响地分别传播，利用光子带隙效应在空气介质中进行导光与传输，能够消除光克尔效应带来的影响；空心光子带隙光纤是基于光子带隙效应将光波约束在空气纤芯中传播，双折射系数受温度变化影响很小，具有优异的温度低敏性，能显著提高陀螺的环境温度适应性；双环并联空心光子带隙光纤谐振腔结构使得顺、逆时针光波分别在独立的谐振腔中互不影响地分别传播，能够有效抑制背向散射和光克尔效应噪声；双闭环数字解调方法将顺逆两路光频率均锁定在谐振频率处，使得系统始终工作在线性工作区，能够改善标度因数的非线性同时增大系统动态测量范围。
本实施例中，所述的可调谐激光器Laser为半导体激光器，波长为1550nm，线宽为5KHz，功率为10mW,频率调谐系数为20MHz/V，出射光经过信号分束器Coupler1分为功率相等的两束光。
本实施例中，声光移频器AOM1和AOM2为相同型号，移频范围为200MHz，保证了顺逆两路光路的对称性。
本实施例中，电光调制器EOM1和EOM2为LiNbO3晶体相位调制器，分别施加正弦调制信号V1＝M1sin(2πf1)和V2＝M2sin(2πf2)，如图2所示，正弦调制信号由FPGA信号处理板中信号发生器SG1和SG2通过数模转换器DAC1和DAC2提供，两路调制信号频率f1和f2选取不同值，有助于抑制背向散射噪声。
本实施例中，经电光调制器EOM1和EOM2调制后光信号通过光纤耦合器Coupler2和Coupler3输入到空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1和HC-PBG FRR2中，其中所述空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1和空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2由同种空心光子带隙光纤构成，具有相同的光纤长度和光纤环直径，并且上下叠放在一起；所述2×2光纤耦合器Coupler2和2×2光纤耦合器Coupler3具有相同的分光比和插入损耗，进一步地，光纤耦合器Coupler2和Coupler3分光比为10:90，插入损耗为0.5dB。
本实施例中，所述光电探测器PD1和PD2将谐振腔HC-PBG FRR1和HC-PBG FRR2输出光信号转换为电信号并通过图2中模数转换器ADC1和ADC2输入到FPGA信号处理板的数字锁相放大器LIA1和LIA2中进行同步解调。
本实施例中，比例积分控制器PI1和PI2根据同步解调结果通过数模转换器DAC3和DAC4对声光移频器AOM1和可调谐激光器Laser进行移频，使得ccw和cw光路光频率锁定在谐振腔HC-PBG FRR1和HC-PBG FRR2谐振频率处，实现双闭环反馈。
本实施例中，系统的输出由FPGA信号处理板中减法器Subtractor将PI1和PI2两路频率反馈信号值相减得到。
图3中为本发明中正弦相位调制下的解调原理，正弦调制信号频率为fM，当光路中光频率锁定在谐振频率上时，谐振腔输出经光电探测器转换成电信号后仅含有频率为2fM分量，不含fM频率分量，因此利用参考频率为fM的锁相放大器解调输出为零；当光路中光频率偏移谐振频率Δf时，谐振腔输出经光电探测器转换成电信号后出现fM频率分量，利用参考频率为fM的锁相放大器解调输出不为零，且解调输出大小和正负随着光频率与谐振频率偏移量Δf的大小与方向呈正比。
实施例2：
本实施例提供的一种双环并联谐振式陀螺系统的双闭环数字解调方法，该方法基于实施例1所述的系统，该方法包括如下步骤：
步骤一：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2输出的光信号由光电探测器PD2转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA2，数字锁相放大器LIA2参考信号为频率为f2的正弦信号，解调输出信号ΔD2与差值Δfcw成正比，比例系数为k2，Δfcw为cw方向光频率与cw方向谐振频率的差值，即ΔD2＝k2·Δfcw，可调谐激光器Laser根据解调数字信号ΔD2对输出光频率进行ΔfLaser的频移调节，其中Δfcw＝ΔfLaser，使得cw光路光频率锁定在cw光路谐振频率处；此步骤通过调节可调谐激光器Laser输出光频率将顺时针光路光频率锁定在空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2的谐振峰处，形成第一闭环反馈；
步骤二：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1输出的光信号由光电探测器PD1转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA1，数字锁相放大器LIA1参考信号为频率为f1的正弦信号，解调输出信号ΔD1与差值Δfccw成正比，比例系数为k1，Δfccw为ccw方向光频率与ccw方向谐振频率的差值，即ΔD1＝k1·Δfccw，声光移频器AOM1根据解调数字信号ΔD1对输出光频率进行ΔfAOM1的频移调节，其中Δfccw＝ΔfLaser+ΔfAOM1，使得ccw光路光频率锁定在ccw光路谐振频率处，而声光移频器AOM2在此处不进行移频操作，仅保证ccw和cw两路光的对称性；此步骤通过调节声光移频器AOM2移频量将逆时针光路光频率锁定在空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1的谐振峰处，形成第二闭环反馈；
步骤三：cw光路光频率fcw为f0+ΔfLaser，ccw光路光频率fccw为f0+ΔfLaser+ΔfAOM1，且两路光频率均锁定在双环空心光子带隙光纤谐振腔的谐振频率处，角速度检测输出Ωoutput由ccw和cw光频率之差计算得出：
Figure BDA0002475861800000071
K为空心光子带隙光纤谐振腔的光学标度因数，表示为：
Figure BDA0002475861800000072
式中D为空心光子带隙光纤谐振腔直径，n为空心光子带隙光纤折射率，λ为可调谐激光器Laser的波长。
上述方法中，声光移频器AOM1和可调谐激光器Laser分别根据数字锁相放大器LIA1和LIA2的输出ΔD1和ΔD2进行移频操作，使得cw和ccw光路中光频率分别锁定在谐振腔HC-PBG FRR2和HC-PBG FRR1谐振频率处，如图4所示，双闭环数字解调方案中，cw光路中光频率为f0+ΔfLaser，其中ΔfLaser为可调谐激光器Laser频率移频量，f0为可调谐激光器Laser初始光频率；ccw光路中光频率为f0+ΔfLaser+ΔfAOM1，其中ΔfAOM1为声光移频器AOM1移频量。角速度检测输出Ωoutput由ccw和cw光频率之差计算得出。本步骤通过数字处理板FPGA内部减法器Subtrator计算出系统解调输出，双闭环反馈数字解调方法有效提高系统检测的动态测量范围及标度因数线性度。
本实施例提供一种双闭环数字解调方法，将顺、逆两路光频率通过频率反馈均锁定各自的谐振频率上，使得系统始终工作在线性区，减小了标度因数非线性误差同时也增大了系统动态测量范围。
除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器Laser发出的光通过信号分束器Coupler1进行分束，其中一束光依次进入声光移频器AOM1、电光调制器EOM1、2×2光纤耦合器Coupler2、光电探测器PD1、数字锁相放大器LIA1并通过声光移频器AOM1形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler2上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1；另一路光依次进入声光移频器AOM2、电光调制器EOM2、2×2光纤耦合器Coupler3、光电探测器PD2、数字锁相放大器LIA2并通过可调谐激光器Laser形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler3上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2。
2.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，通过信号分束器Coupler1分束获得两束功率相同的光。
3.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，所述的电光调制器EOM1的正弦调制信号V1＝M1ain(2πf1)和电光调制器EOM2的正弦调制信号V2＝M2sin(2πf2)由同一个数字处理板提供。
4.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，所述空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1和空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2由同种空心光子带隙光纤构成，具有相同的光纤长度和光纤环直径，并且上下叠放在一起。
5.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，所述2×2光纤耦合器Coupler2和2×2光纤耦合器Coupler3具有相同的分光比和插入损耗。
6.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统的双闭环数字解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2输出的光信号由光电探测器PD2转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA2，数字锁相放大器LIA2参考信号为频率为f2的正弦信号，解调输出信号ΔD2与差值Δfcw成正比，比例系数为k2，差值Δfcw为cw方向光频率与cw方向谐振频率的差值，即ΔD2＝k2·Δfcw，可调谐激光器Laser根据解调数字信号ΔD2对输出光频率进行ΔfLaser的频移调节，其中Δfcw＝ΔfLaser，使得cw光路光频率锁定在cw光路谐振频率处；
步骤二：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1输出的光信号由光电探测器PD1转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA1，数字锁相放大器LIA1参考信号为频率为f1的正弦信号，解调输出信号ΔD1与差值Δfccw成正比，比例系数为k1，差值Δfccw为ccw方向光频率与ccw方向谐振频率的差值，即ΔD1＝k1·Δfccw，声光移频器AOM1根据解调数字信号ΔD1对输出光频率进行ΔfAOM1的频移调节，其中Δfccw＝ΔfLaser+ΔfAOM1，使得ccw光路光频率锁定在ccw光路谐振频率处，而声光移频器AOM2在此处不进行移频操作，仅保证ccw和cw两路光的对称性；
步骤三：cw光路光频率fcw为f0+ΔfLaser，ccw光路光频率fccw为f0+ΔfLaser+ΔfAOM1，且两路光频率均锁定在双环空心光子带隙光纤谐振腔的谐振频率处，角速度检测输出Ωoutput由ccw和cw光频率之差计算得出：
Figure FDA0002475861790000021
K为空心光子带隙光纤谐振腔的光学标度因数，表示为：
Figure FDA0002475861790000022
式中D为空心光子带隙光纤谐振腔直径，n为空心光子带隙光纤折射率，λ为可调谐激光器Laser的波长。
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