CN113310481A - 一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法 - Google Patents

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CN113310481A CN202110649684.8A CN202110649684A CN113310481A CN 113310481 A CN113310481 A CN 113310481A CN 202110649684 A CN202110649684 A CN 202110649684A CN 113310481 A CN113310481 A CN 113310481A
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徐金涛
刘尚波
杨一凤
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Abstract

本发明公开了一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，用数学模型去构造多态调制序列一般表达式，找到调制序列和解调序列之间的关系，使调制序列与解调互相关系数为零，以得到在任意调制深度下的最佳调制方案，并解决了在调制深度为
Figure DDA0003110635090000011
时，得到一种三十二态的调制方案可以使其相关性为零。本发明可以提高光纤陀螺的精度，保证光纤陀螺的工作稳定性，具有较大工程应用价值。

Description

一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺领域，具体涉及一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法。
背景技术
光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种角速率传感器，其具有体积小、重量轻、全固态、成本低等优点，主要应用于航空、航天、航海领域，光纤陀螺的研究备受关注。目前，数字闭环光纤陀螺通过采用方波调制和二次闭环反馈控制技术，由于方波调制信号与探测器的输出信号之间存在强耦合，从而会产生串扰，该串扰是影响陀螺死区的主要因素，进而影响光纤陀螺的零偏稳定性、标度因子非线性度等重要指标。
现有技术一：针对调制串扰问题，已提出利用响应余弦函数的周期性和调制波形的重复性，使得调制信号和串扰信号以及解调信号的相关结果为零，以减少解调过程中的串扰量，采用随机调制的方法，利用信号调制的状态转移方向的随机性和三角函数的周期性，可有效消除调制序列和解调序列之间的相关性。
但是此技术使光纤陀螺的各项性能受到不同成程度的限制，增加随机噪声和零偏不稳定性，该技术在高性能的光纤陀螺中应用有限。
现有技术二：利用六态调制技术减少串扰，通过分离调制电压和解调基准的基频，通过使用相对强度噪声(RIN)抑制技术，将调制深度为
Figure BDA0003110635070000011
的调制串扰降到最低，有效地改善了由串扰引起的偏置误差，实现了低噪声，高灵敏度、动态范围大、无死区和高性能的效果。
但是六态调制只能针对单一调制深度为
Figure BDA0003110635070000021
能达到消除串扰的效果，但在最佳调制深度
Figure BDA0003110635070000022
和其他任意调制深度下无法实现调制信号与解调信号解相关，不具备一般性。
因此，在现有光纤陀螺技术的基础上，通过优化调制方案来抑制由于串扰引起的死区对提高数字闭环光纤陀螺的性能具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明可以提高光纤陀螺的精度，保证光纤陀螺的工作稳定性，具有较大的现实意义。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，采用数学模型构造多态调制序列一般表达式，找到调制序列和解调序列之间的关系，使调制序列与解调互相关系数为零，以得到在任意调制深度下的最佳调制方案。
进一步地，通过构造多态调制序列，利用调制序列与解调序列之间的关系，求解调制序列与解调序列之间的互相关函数，并在不牺牲其他性能的情况下，消除在调制深度为
Figure BDA0003110635070000023
时数字闭环光纤陀螺的串扰，从而减小或消除串扰对光纤陀螺的性能指标的影响。
进一步地，在调制深度为
Figure BDA0003110635070000024
时，采用三十二态的调制方案使调制序列与解调序列的互相关系数为零。
进一步地，所述多态调制序列Sm[n]构造公式如下：
Figure BDA0003110635070000025
其中，
Figure BDA0003110635070000026
为调制深度，Ci为常量。
进一步地，通过调制器存在一个τ的时间延迟，调制相位
Figure BDA0003110635070000031
和
Figure BDA0003110635070000032
之间的相位差表示为：
Figure BDA0003110635070000033
故相位调制序列表示为：
Figure BDA0003110635070000034
相位调制序列和解调序列之间的关系表示为：
Figure BDA0003110635070000035
因此，有解调序列：
Figure BDA0003110635070000036
其中，I0为直流光强，sgn为符号函数。
进一步地，在一个周期内互相关函数为：
Figure BDA0003110635070000037
其中，N为序列周期。
进一步地，将多态调制序列公式与解调序列公式代入互相关函数公式中，令调制序列与解调序列的相关结果为零，即互相关函数为G＝0，计算得调制相位
Figure BDA0003110635070000038
为：
Figure BDA0003110635070000039
为消除最佳调制深度为
Figure BDA00031106350700000310
的调制解调之间的相关性，由上述公式计算结果推导出所需的多态方波调制方案。
进一步地，i＝9,j＝7，由此推导出若需要消除调制相位为
Figure BDA00031106350700000311
的调制串扰，需三十二态的方波调制，三十二态调制方案通过叠加一个2π相移，即能够获得一个调制方案和调制三十二态
Figure BDA0003110635070000041
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明根据光纤陀螺的调制特性，从调制深度出发，构造调制序列与解调序列的相关函数，当相关函数为零时，获得了有效消除在
Figure BDA0003110635070000042
调制深度下的调制与解调串扰方案，即利用三十二态方波调制方案，并且不论在何种调制深度下都能求解出消除串扰的多态方波调制方案，将调制串扰的相关系数降低到零，并且提高了陀螺的性能，本发明能有效消除扰的同时能减小噪声对陀螺的影响，具有可行性和一般性。
附图说明
图1为针对
Figure BDA0003110635070000043
调制深度的消除光纤陀螺串扰的三十二态方波调制方案。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明实施过程做进一步详细描述：
串扰是闭环光纤陀螺的关键误差，串扰信号一是由硬件电路耦合到光电探测器的输出端产生，二是由调制信号产生。从硬件方面阻断串扰通道难度较大，因此减少串扰的最有效方法是使光电探测器的调制信号与解调信号的相关结果为零。对于高性能的干涉式闭环光纤陀螺来说，
Figure BDA0003110635070000044
并不是最佳的调制深度。为了提高光电探测器的信噪比，通常选择调制深度较大的调制相位来抑制光信号的噪声，这是干涉式光纤陀螺最基本的噪声源。但是在抑制噪声的同时会使其他性能变差，包括灵敏度，动态范围，标度因子的稳定性和热稳定性等，实际的陀螺仪的调制深度应该选在
Figure BDA0003110635070000045
之间。而调制深度越大其噪声越小，然而其相关性则越强，本发明针对现存的调制信号与解调信号之间产生的串扰，而在现有的技术中，抑制调制串扰的技术通常只能针对某一个调制深度，本发明提出一种数字闭环光纤陀螺可适应不同调制深度下消除串扰的调制方法，通过构造多态调制序列，利用解调序列与相位调制序列之间的关系，求解调制信号与解调信号之间的互相关函数，并在不牺牲其他性能的情况下消除在最佳调制深度为
Figure BDA0003110635070000051
的情况下调制与解调之间的串扰，从而减小串扰对光纤陀螺的性能指标的影响，甚至完全消除串扰，该方法可以提高光纤陀螺的精度，保证光纤陀螺的工作稳定性，具有较大的现实意义。
为了消除多态串扰引起的死区问题，本发明提供一种数字闭环光纤陀螺可适用于多种调制深度下的抑制调制串扰方案，不仅仅在
Figure BDA0003110635070000052
的调制深度下将调制串扰引起的死区消除掉，在其他任意调制深度下都能消除死区，并针对调制深度为
Figure BDA0003110635070000053
时，本发明提供了一种三十二态调制方法可达到消除调制串扰的目的。
首先构造多态调制序列Sm[n]：
Figure BDA0003110635070000054
其中，
Figure BDA0003110635070000055
为调制深度，Ci为常量。
通过调制器存在一个τ的时间延迟，调制相位
Figure BDA0003110635070000056
和
Figure BDA0003110635070000057
之间的相位差可表示为：
Figure BDA0003110635070000058
故相位调制序列可表示为：
Figure BDA0003110635070000059
相位调制序列和解调序列之间的关系可表示为：
Figure BDA00031106350700000510
因此，有解调序列：
Figure BDA00031106350700000511
其中，I0为直流光强，sgn为符号函数。
在一个周期内互相关函数为：
Figure BDA0003110635070000061
其中N为序列周期，将(1)和(5)代入方程式(6)，令调制序列与解调序列的相关结果为零，即互相关函数为G＝0，可计算得调制相位
Figure BDA0003110635070000062
为：
Figure BDA0003110635070000063
为消除最佳调制深度为
Figure BDA0003110635070000064
的调制解调之间的相关性，可以由上述公式计算结果推导出所需的多态方波调制方案，解得i＝9,j＝7，可由此推导出若需要消除调制相位为
Figure BDA0003110635070000065
的调制串扰，需三十二态的方波调制。
三十二态调制方案通过叠加一个2π相移，可以获得一个调制方案和调制三十二态
Figure BDA0003110635070000066
其调制原理如图1所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的普通技术人员来说，不得在不脱离本申请的创造构思下，做任何的修改、等同替换和改进等，在本发明的内容范围内均应受到保护。

Claims (8)

1.一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，采用数学模型构造多态调制序列一般表达式，找到调制序列和解调序列之间的关系，使调制序列与解调互相关系数为零，以得到在任意调制深度下的最佳调制方案。
2.根据权利要求1所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，通过构造多态调制序列，利用调制序列与解调序列之间的关系，求解调制序列与解调序列之间的互相关函数，并在不牺牲其他性能的情况下，消除在调制深度为
Figure FDA0003110635060000011
时数字闭环光纤陀螺的串扰，从而减小或消除串扰对光纤陀螺的性能指标的影响。
3.根据权利要求2所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，在调制深度为
Figure FDA0003110635060000012
时，采用三十二态的调制方案使调制序列与解调序列的互相关系数为零。
4.根据权利要求3所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，所述多态调制序列Sm[n]构造公式如下：
Figure FDA0003110635060000013
其中，
Figure FDA0003110635060000014
为调制深度，Ci为常量。
5.根据权利要求4所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，通过调制器存在一个τ的时间延迟，调制相位
Figure FDA0003110635060000015
和
Figure FDA0003110635060000016
之间的相位差表示为：
Figure FDA0003110635060000017
故相位调制序列表示为：
Figure FDA0003110635060000018
相位调制序列和解调序列之间的关系表示为：
Figure FDA0003110635060000021
因此，有解调序列：
Figure FDA0003110635060000022
其中，I0为直流光强，sgn为符号函数。
6.根据权利要求5所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，在一个周期内互相关函数为：
Figure FDA0003110635060000023
其中，N为序列周期。
7.根据权利要求6所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，将多态调制序列公式与解调序列公式代入互相关函数公式中，令调制序列与解调序列的相关结果为零，即互相关函数为G＝0，计算得调制相位
Figure FDA0003110635060000024
为：
Figure FDA0003110635060000025
为消除最佳调制深度为
Figure FDA0003110635060000026
的调制解调之间的相关性，由上述公式计算结果推导出所需的多态方波调制方案。
8.根据权利要求7所述的一种消除数字闭环光纤陀螺串扰的多态调制方法，其特征在于，i＝9,j＝7，由此推导出若需要消除调制相位为
Figure FDA0003110635060000027
的调制串扰，需三十二态的方波调制，三十二态调制方案通过叠加一个2π相移，即能够获得一个调制方案和调制三十二态
Figure FDA0003110635060000028
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