CN111998843B - 一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法 - Google Patents

一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法。该方法针对微小振动测量等对传感器噪声水平要求较高的领域，设计基于方波调制的六种调制步骤，设定了各调制步骤转换的条件和转换方法，实现数字光纤陀螺的双闭环控制。该方法增加了有效信号的采样时间，限制了DA输出的电压范围，避免了频繁出现2π复位的问题，从而提高了光纤陀螺输出信号的信噪比，降低了DA电压耦合引起的死区效应的影响，以及减少了2π复位时带来的额外解调误差，满足光纤陀螺在低噪声需求的领域的应用需求。

Description

一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法
技术领域
本发明涉及光纤角速率传感领域，具体的涉及一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，主要用于对噪声水平要求较高的光纤陀螺的调制与解调。
背景技术
光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速率传感器，由于其全固态、高精度、高带宽、小体积等特点在惯性导航、姿态测量等领域得到了广泛的应用；同时，随着光纤陀螺技术的逐渐成熟，其在振动测量、扰动抑制等对光纤陀螺噪声水平更为关注的领域中的应用也得到了越来越多的重视。
根据调制方法的不同，光纤陀螺主要分为开环光纤陀螺及闭环光纤陀螺，当前基于方波调制的数字双闭环光纤陀螺以其解算简单等优点为最常用的方案。
文献《光纤陀螺与闭环控制技术研究》(王振国[D]，哈尔滨工业大学，2011)中介绍了和对比了光纤陀螺中常用的二态方波、四态方波等闭环调制方法，其中介绍的数字双闭环光纤陀螺结构为目前典型的系统结构，角速率相位差闭环控制方法和半波电压系数锁定方法也为典型的双闭环方法。文献《Binary code compression algorithm used for thereal time compensation of the modulation error in miniaturized FOG》(DongyingMa[J],Optical fiber tenchnology,2011)中分析了光纤陀螺中2π复位误差对光纤陀螺噪声水平的影响。文献《数字闭环光纤陀螺死区机理分析》(王巍[J]，中国惯性技术学报，2007)中指出，光纤陀螺DA调制信号与AD探测信号的串扰是造成光纤陀螺信号死区的主要原因之一。
普遍认可的数字双闭环光纤陀螺系统中，系统中至少包含一个光源，一个耦合器或分束器，一个相位调制器，一个光纤环，一个探测器，一个具备DA、AD及信号处理功能的信号处理电路。其中，信号处理电路中的FPGA或DSP等信号处理芯片完成调制、解调、解算等时序、芯片控制、计算功能，通过DA产生电压调制信号驱动相位调制器，对光纤陀螺中两束干涉光引入调制相位差；AD采集探测器上干涉光经光电转换而得到的电压输出，由信号处理电路完成信号的解调与处理，得到相应的测量信号及反馈控制信号。为了同时实现角速率引入相位误差的第一闭环和DA输出调制电压与实际调制相位间系数(半波电压系数)的锁定的第二闭环的功能，通常采用四态方波调制或多步方波调制方法，利用其中一部分的调制周期实现角速率相位差的解算，另一部分的调制周期实现半波电压系数误差的解算。
具体的，由于Sagnac效应，光纤陀螺由于角速率输入而引起在其中反向传输的两束光产生相位差，相位差的大小与角速率成正比。光纤陀螺中反方向传播的两束光在探测器上发生干涉，干涉强度与调制相位与角速率引起相移有关，可表示为：
I＝I0[1+cos(φm+φs)]
其中，φm为调制相位，φs为角速率引起的相移。为了使光纤陀螺工作在灵敏度比较高的点，通常采用方波调制。方波调制周期为光在光纤环中传播的渡越时间的2倍，两个半周期内调制相位可取为±0.5π，则探测器上的光强在每半周期内分别为：
Figure BDA0002624669920000021
Figure BDA0002624669920000022
将两个相光强相减可以完成角速率相位差的解调，在角速率相移较小时，可表示为：
I1-I2＝-2I0sinφs≈-2I0φs
通过闭环反馈额外补偿角速率引起的相移，可使解调光强差锁定在零附近。
由于光纤陀螺中器件的非理想性，电光转换的半波电压系数随温度等环境变化会产生漂移，实际调制施加的调制相位幅度会存在误差，通过采用一定的调制方法，也可将该误差解算出来，并通过闭环反馈补偿，在光纤陀螺中称为第二闭环反馈。
可在两个半周期内分别施加0.5π和1.5π调制相位，设实际相对相位幅度差为α，则探测器光强可分别表示为：
Figure BDA0002624669920000023
Figure BDA0002624669920000024
当α为较小误差时，作差可解算得到：
Figure BDA0002624669920000025
根据解算出来的α，可以进行反馈补偿，修正系统中半波电压系数误差。
现有的光纤陀螺调制解调方法中的四态方波调制方法由于第二闭环误差解算占用了大量的调制周期和采样时间，使得用于角速率相位差解算采样信号的信噪比降低，影响光纤陀螺输出的噪声水平。同时，由于四态方波调制及多步方波调制方法中DA输出调制电压幅度范围大，容易耦合到AD探测电路中，对电路设计提出了非常高的要求，在小速率信号检测时易出现死区。当前的固定顺序的方波调制的闭环光纤陀螺中，都存在DA电压2π复位的问题，容易在光纤陀螺输出中引入额外误差。这些问题均不利于光纤陀螺在微小扰动测量领域的应用。
发明内容
本发明设计一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，针对于扰动测量、稳定控制等对光纤陀螺噪声水平要求较高的应用领域，增加了用于角速率相位误差调制解调的调制步骤所占比例，以增加用于角速率解算的信号采样平均时间，从而提高角速率解算信号的信噪比，降低了光纤陀螺输出信号的噪声水平；以较低的带宽实现了半波电压系数锁定的第二闭环控制，满足光纤陀螺长期工作及环境变化时稳定工作的要求；限制了正常工作时DA驱动电压的幅度范围，降低了电路中电压耦合带来的死区问题的影响，提高了光纤陀螺小速率信号的探测能力；避免了频繁出现2π复位的问题，减少了2π复位时带来的额外解调误差。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，主要设计内容分为四个方面，分别为六个调制步骤，调制步骤的特定顺序，调制步骤的转换条件，不同调制步骤的数据解调方法。根据设计的特定顺序及转换条件，实施数字闭环光纤陀螺中的六个调制步骤，再根据所采用的调制步骤，进行相关信号的解调。
具体结构如下：
其中，正向角度调制，反向角度调制，正向阶跃调制，反向阶跃调制均占用一个调制周期，前、后半周期调制相位差分别为：
正向角度调制：0.5π，-0.5π；
反向角度调制：-0.5π，0.5π；
正向阶跃调制：0.5π，0.5π；
反向阶跃调制：-0.5π，-0.5π。
正向第二闭环调制与反向第二闭环调制均占用二个调制周期，每半周期调制相位差分别为：
正向第二闭环调制：0.5π，-1.5π，1.5π，-0.5π；
反向第二闭环调制：-0.5π，1.5π，-1.5π，0.5π。
调制时，将该半个周期的相位差累加到前半个周期的相位输出值作为此半个周期的电压输出。需要角速率闭环时且处于正向角度调制或反向角度调制时，还应将解算得到的角速率引起的相位差补偿量累加到输出相位上。
根据光纤陀螺工作要求，DA输出电压需要满足对应的相位调制量在-π至π相位之间。当计算需要施加的相位差大于等于π时，由计算量减2π得到相位差作为实际相位差输出值；当计算需要施加的相位差小于-π时，由计算量加2π得到相位差作为实际相位差输出值。
传感器上电进入工作状态后，初始DA输出电压对应相位调制量为0，连续一定时间t1内全部采用正向第二闭环调制，并且不补偿角速率带来的相位差；t1可以为不小于0的任意长时间。t1后，采用正向角度调制，并设置定时器，每隔固定的时间t2置位第二闭环触发信号，当有第二闭环触发信号或调制电压达到一定转换条件时转换调制步骤。t2可以取大于两个调制周期时间的任意固定值。第二闭环触发信号在进入第二闭环调制步骤后复位。
共有10种调制步骤的转换，对应10种转换条件可规定DA电压工作范围为[-π,π)，且该工作范围分为四段，分别为A[-π,-0.5π)、B[-0.5π,0)、C[0,0.5π)、D[0.5π,π)。各调制步骤的转换及转换条件分别为：正向角度调制到反向角度调制的转换，转换条件为正向角度调制的前半周期电压进入D范围；反向角度调制到正向角度调制的转换，转换条件为反向角度调制的前半周期电压进入A范围；正向角度调制到反向第二闭环调制的转换或反向角度调制到正向第二闭环调制的转换，转换条件为第二闭环触发信号置位；正向角度调制到正向阶跃调制的转换，转换条件为正向角度调制的后半周期电压进入A范围；反向角度调制到反向阶跃调制的转换，转换条件为反向角度调制的后半周期电压进入D范围；正向第二闭环调制到反向角度调制的转换，或反向第二闭环调制到正向角度调制的转换，或正向阶跃调制到反向角度调制的转换，或反向阶跃调制到正向角度调制的转换，转换条件为前一个调制步骤的调制完成。
使用AD对每半个调制周期信号进行多点数据采样并取均值，对于正向角度调制和反向角度调制，记每半个调制周期内信号采样均值为V11、V12，对于正向第二闭环调制和反向第二闭环调制，记每半个调制周期内信号采样均值为V11、V12、V21、V22。相应的，各调制步骤的解调量分别为：正向角度调制，解调量为角速率相位补偿误差，值为V11-V12；反向角度调制，解调量为角速率相位补偿误差，值为V12-V11；正向第二闭环调制，解调量为半波电压系数误差，值为V11-V12-V21+V22；反向第二闭环调制，解调量为半波电压系数误差，值为-V11+V12+V21-V22。
本发明与现有系统相比具有如下优点：
(1)利用这种调制解调方法，大多数调制周期的解调信号都用于角速率引起相位差或相位误差补偿的解算，由于信号的累加放大特性和噪声的平均抵消特性，提高了采样信号的信噪比，从而降低了光纤陀螺输出角速率信号的噪声水平。
(2)与现有光纤陀螺调制解调方法相比，该调制解调方法中用于角速率信号解调的周期中DA输出电压信号的范围均被限制在B、C段，限制了正常工作时DA驱动电压的幅度范围，降低了电路中电压耦合带来的死区问题的影响，提高了光纤陀螺小速率信号的探测能力。
(3)与现有光纤陀螺的调制相位2π复位相比，该调制解调方法利用调制步骤的切换使用于角速率信号解调时调制相位阶梯一直保持在0.5π的幅度，有效避免了2π复位及其引起的2π复位误差问题。
附图说明
图1是本发明的调制步骤示意图；
图2是本发明的DA范围限制方法示意图；
图3是本发明的调制步骤转换条件示意图；
图4是本发明的系统调制步骤的控制流程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
为了满足光纤陀螺的角速率相位闭环，半波电压系数锁定，和DA输出电压范围限制，共设计六个调制步骤，如图1所示，分别称为正向角度调制(曲线1)，反向角度调制(曲线2)，正向第二闭环调制(曲线3)，反向第二闭环调制(曲线4)，正向阶跃调制(曲线5)，反向阶跃调制(曲线6)。
其中，正向角度调制，反向角度调制，正向阶跃调制，反向阶跃调制均占用一个调制周期，前、后半周期调制相位差分别为：
正向角度调制：0.5π，-0.5π；
反向角度调制：-0.5π，0.5π；
正向阶跃调制：0.5π，0.5π；
反向阶跃调制：-0.5π，-0.5π。
正向第二闭环调制与反向第二闭环调制均占用二个调制周期，每半周期调制相位差分别为：
正向第二闭环调制：0.5π，-1.5π，1.5π，-0.5π；
反向第二闭环调制：-0.5π，1.5π，-1.5π，0.5π。
需要角速率闭环时且处于正向角度调制或反向角度调制时，还应将解算得到的角速率引起的相位差补偿量累加到输出相位上。如图2所示，当计算需要施加的相位差大于等于π时，由计算量减2π得到相位差作为实际相位差输出值(曲线7)；当计算需要施加的相位差小于-π时，由计算量加2π得到相位差作为实际相位差输出值(曲线8)。
传感器上电进入工作状态后，初始DA输出电压对应相位调制量为0，连续一定时间t1内全部采用正向第二闭环调制，并且不补偿角速率带来的相位差；t1可以为不小于0的任意长时间。t1后，采用正向角度调制，并设置定时器，每隔固定的时间t2置位第二闭环触发信号，当有第二闭环触发信号或调制电压达到一定转换条件时转换调制步骤。t2可以取大于两个调制周期时间的任意固定值。第二闭环触发信号在进入第二闭环调制步骤后复位。
共有10种调制步骤的转换，对应10种转换条件。可规定DA电压工作范围为[-π,π)，且该工作范围分为四段，分别为A[-π,-0.5π)、B[-0.5π,0)、C[0,0.5π)、D[0.5π,π)。如图3所示，各调制步骤的转换及转换条件分别为：正向角度调制到反向角度调制的转换(曲线9)，转换条件为正向角度调制的前半周期电压进入D范围；反向角度调制到正向角度调制的转换(曲线10)，转换条件为反向角度调制的前半周期电压进入A范围；正向角度调制到反向第二闭环调制的转换(曲线11)，及反向角度调制到正向第二闭环调制的转换(曲线12)，转换条件为第二闭环触发信号置位；正向角度调制到正向阶跃调制的转换(曲线13)，转换条件为正向角度调制的后半周期电压进入A范围；反向角度调制到反向阶跃调制的转换(曲线14)，转换条件为反向角度调制的后半周期电压进入D范围；正向第二闭环调制到反向角度调制的转换(曲线15)，反向第二闭环调制到正向角度调制的转换(曲线16)，正向阶跃调制到反向角度调制的转换(曲线17)，反向阶跃调制到正向角度调制的转换(曲线18)，转换条件为前一个调制步骤的调制完成。
系统调制步骤的控制流程参考图4。
使用AD对每半个调制周期探测器信号进行多点数据采样并取均值，对于正向角度调制和反向角度调制，记每半个调制周期内信号采样均值为V11、V12，对于正向第二闭环调制和反向第二闭环调制，记每半个调制周期内信号采样均值为V11、V12、V21、V22。相应的，各调制步骤的解调量分别为：正向角度调制，解调量为角速率相位补偿误差，值为V11-V12；反向角度调制，解调量为角速率相位补偿误差，值为V12-V11；正向第二闭环调制，解调量为半波电压系数误差，值为V11-V12-V21+V22；反向第二闭环调制，解调量为半波电压系数误差，值为-V11+V12+V21-V22。角速率相位补偿误差经过系数转换直接通过反馈方法，累加到DA输出相位量上，进行角速率相位的反馈补偿；半波电压系数误差选用多点数据累加方式，将误差和累积到一定量时，对DA输出时的半波电压系数进行调整。
当不需要采用用于半波电压系数锁定的第二闭环调制时，可以只利用正向角度调制，反向角度调制，正向阶跃调制，反向阶跃调制四个调制步骤。此时，系统中不涉及正向第二闭环调制和反向第二闭环调制相关的触发条件、转换条件和解算方法，其他的调制解调策略与上文阐述的方法保持一致。

Claims (4)

1.一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，其特征在于，根据设计的特定顺序及转换条件，实施数字闭环光纤陀螺中的六个调制步骤，再根据所采用的调制步骤，进行相关信号的解调，六个调制步骤分别称为正向角度调制，反向角度调制，正向第二闭环调制，反向第二闭环调制，正向阶跃调制，反向阶跃调制；
其中，正向角度调制，反向角度调制，正向阶跃调制，反向阶跃调制均占用一个调制周期，前、后半周期调制相位差分别为：
正向角度调制：0.5π，-0.5π；
反向角度调制：-0.5π，0.5π；
正向阶跃调制：0.5π，0.5π；
反向阶跃调制：-0.5π，-0.5π；
正向第二闭环调制与反向第二闭环调制均占用二个调制周期，每半周期调制相位差分别为：
正向第二闭环调制：0.5π，-1.5π，1.5π，-0.5π；
反向第二闭环调制：-0.5π，1.5π，-1.5π，0.5π；
调制时，将该半个周期的相位差累加到前半个周期的相位输出值作为此半个周期的电压输出，需要角速率闭环时且处于正向角度调制或反向角度调制时，还应将解算得到的角速率引起的相位差补偿量累加到输出相位上；
根据光纤陀螺工作要求，DA输出电压需要满足对应的相位调制量在-π至π相位之间，当计算需要施加的相位差大于等于π时，由计算量减2π得到相位差作为实际相位差输出值；当计算需要施加的相位差小于-π时，由计算量加2π得到相位差作为实际相位差输出值。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，其特征在于，传感器上电进入工作状态后，初始DA输出电压对应相位调制量为0，连续一定时间t1内全部采用正向第二闭环调制，并且不补偿角速率带来的相位差；t1可以为不小于0的任意长时间，t1后，采用正向角度调制，并设置定时器，每隔固定的时间t2置位第二闭环触发信号，当有第二闭环触发信号或调制电压达到一定转换条件时转换调制步骤，t2可以取大于两个调制周期时间的任意固定值，第二闭环触发信号在进入第二闭环调制步骤后复位。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，其特征在于，共有10种调制步骤的转换，对应10种转换条件，可规定DA电压工作范围为[-π,π)，且该工作范围分为四段，分别为A[-π,-0.5π)、B[-0.5π,0)、C[0,0.5π)、D[0.5π,π)，各调制步骤的转换及转换条件分别为：正向角度调制到反向角度调制的转换，转换条件为正向角度调制的前半周期电压进入D范围；反向角度调制到正向角度调制的转换，转换条件为反向角度调制的前半周期电压进入A范围；正向角度调制到反向第二闭环调制的转换或反向角度调制到正向第二闭环调制的转换，转换条件为第二闭环触发信号置位；正向角度调制到正向阶跃调制的转换，转换条件为正向角度调制的后半周期电压进入A范围；反向角度调制到反向阶跃调制的转换，转换条件为反向角度调制的后半周期电压进入D范围；正向第二闭环调制到反向角度调制的转换，或反向第二闭环调制到正向角度调制的转换，或正向阶跃调制到反向角度调制的转换，或反向阶跃调制到正向角度调制的转换，转换条件为前一个调制步骤的调制完成。
4.根据权利要求1所述的一种低噪声数字双闭环光纤陀螺信号调制解调方法，其特征在于，使用AD对每半个调制周期探测器信号进行多点数据采样并取均值，对于正向角度调制和反向角度调制，记每半个调制周期内信号采样均值为V11、V12，对于正向第二闭环调制和反向第二闭环调制，记每半个调制周期内信号采样均值为V11、V12、V21、V22，相应的，各调制步骤的解调量分别为：正向角度调制，解调量为角速率相位补偿误差，值为V11-V12；反向角度调制，解调量为角速率相位补偿误差，值为V12-V11；正向第二闭环调制，解调量为半波电压系数误差，值为V11-V12-V21+V22；反向第二闭环调制，解调量为半波电压系数误差，值为-V11+V12+V21-V22。
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