CN113310482B - 一种数字闭环光纤陀螺的正弦波调制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于光纤陀螺领域,具体涉及一种数字闭环光纤陀螺的正弦波调制方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的低成本、全固态、高精度的角速度传感器。被广泛应用与航天航空等领域。光纤陀螺共包含光路和电路两部分,其中光路包含光源、Y波导、探测器、光纤环等几个主要光学器件,电路部分则以DSP或者FPGA为核心,包括AD/DA、运算放大器等器件。目前,对光纤陀螺进行调制时,一般有正弦波调制和方波调制两种方式。在光纤陀螺研制的初期,采用的是正弦波调制方式,这种方案适合精度要求不高、动态范围较小的需求。随着闭环检测方案的提出,方波调制及其改进措施得到了快速发展。依据精度的要求、相位调制器的使用以及抗干扰性的分析可以选用不同的调制波形,在开环检测方案中一般使用正弦波调制,在闭环方案中一般使用方波调制。然而,对于采用方波调制的数字闭环光纤陀螺,容易受到尖峰脉冲的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字闭环光纤陀螺的正弦波调制方法,以解决数字闭环光纤陀螺在方波调制下存在尖峰干扰、光强度噪声不能得到有效抑制等一系列问题。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种数字闭环光纤陀螺的正弦波调制方法,通过在调制中加入一个阶梯波来抵消萨格纳克相移,即通过反馈控制使从而使正弦波调制形成闭环,提高光纤陀螺的精度和扩大光纤陀螺的动态范围,所述阶梯波是由宽度为光纤环渡越时间τ、高度为的相位台阶构成,大小与旋转产生的萨克奈克相移相同、符号相反。
进一步地,光纤陀螺探测器信号是萨格纳克相移的余弦函数,在未加入闭环控制时探测器光电流的表达式为:
其中,ωm调制角频率,φ0为正弦波调制幅度。
进一步地,当采用闭环方案时,在正弦波调制的基础上加入一个阶梯波,此时光强的表达式为:
将式(2)代入式(3)中得到:
令φb=2φ0sin(ωm/2),并称φb为有效相位调制。
进一步地,依据贝塞尔函数展开公式将式(4)展开即得:
其中,n取整数,Jn为n阶第一类贝塞尔函数。
进一步地,当陀螺静止时,其输出只有调制频率ωm的偶次谐波;陀螺转动时,其输出将有调制频率ωm的奇次谐波,其一次谐波分量为:
解调方法为相干解调,用一个与I1(t)同频同相的参考信号相乘,再利用LPF将高频部分滤除,得到所需的信号。
进一步地,解调方法具体过程为:
通过LPF后,式中第一项被滤除,所以通过相干解调后的输出为:
I(t)=-2GI0J1(φb)sin(φs+φfb)cosωm(t-τ/2) (9)
式中,G为探测器的增益;
由此,探测器输出经过放大、滤波、解调后的输出为:
Vd(t)=-GaGI0J1(φb)sin(φs+φfb)
(10)
式中,Ga为放大、滤波、解调所产生的增益;
进一步地,阶梯波Vout表示为:
Vout(t)=∫Vd(τ)dτ+Vout(t-τ)
(11)
反馈相移与阶梯波信号的关系为:
式中,Kp为相位调制器的调制系数;
又由萨格纳克效应可知:
将上式中的积分计算后得到:
即得出阶梯波的输出函数Dout:
式中,KDA为数模转换系数。
则式(10)写为:
此时的输出与输入成正比。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明能提供光纤陀螺正弦波调制中实现闭环控制的方案,即利用数字相位阶梯波技术实现闭环控制的方案,并且不论是在大转速还是小转速时光纤陀螺都能拥有较大的动态范围和较高的精确度。将引入的反馈相移来抵消由萨格纳克效应引起的相移,实现闭环控制。本发明能有效地提高正弦波调制时陀螺的动态范围与精度以及标度因素的线性度,具有可行性和一般性。采用正弦波调制可以消除尖峰脉冲的干扰,并可以通过正交解调抑制光纤陀螺的噪声,本发明采用正弦调制实现光纤陀螺闭环控制对提高光纤陀螺性能具有重要价值。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图。
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:
本发明旨在解决正弦波调制精度与动态范围不佳的问题,通过在调制中加入一个阶梯波(阶梯波是由宽度为光纤环渡越时间τ、高度为的相位台阶构成。大小与旋转产生的萨克奈克相移相同、符号相反)来抵消萨格纳克相移,也即通过反馈控制使得通过这一方式使得正弦波调制形成闭环,提高光纤陀螺的精度和扩大光纤陀螺的动态范围。
本发明的技术关键在于用正弦波调制时,在调制信号中再加入一个阶梯波,即引入一个反馈相移来抵消由萨格纳克效应引起的相移。也就是在使用正弦波调制时形成一个闭环控制来提高陀螺的性能,解决了正弦波调制只能应用于低精度,小动态范围的光纤陀螺。
光纤陀螺探测器信号是萨格纳克相移的余弦函数,在未加入闭环控制时探测器光电流的表达式为:
其中,ωm调制角频率,φ0为正弦波调制幅度。
当采用闭环方案时,在正弦波调制的基础上加入一个阶梯波,此时光强的表达式变为:
将(2)代入(3)中得到:
令φb=2φ0sin(ωm/2),并称φb为有效相位调制。
依据贝塞尔函数展开公式:
将(4)展开可得:
其中,n取整数,Jn为n阶第一类贝塞尔函数。
当陀螺静止时,其输出只有调制频率ωm的偶次谐波;陀螺转动时,其输出将有调制频率ωm的奇次谐波。其一次谐波分量为:
解调方法为相干解调,用一个与I1(t)同频同相的参考信号相乘,再利用LPF将高频部分滤除,得到我们所需的信号。具体过程如下:
通过LPF后,式中第一项被滤除。所以通过相干解调后的输出为:
I(t)=-2GI0J1(φb)sin(φs+φfb)cosωm(t-τ/2) (9)
式中,G为探测器的增益。
因此,探测器输出经过放大、滤波、解调后的输出为:
Vd(t)=-GaGI0J1(φb)sin(φs+φfb) (10)
式中,Ga为放大、滤波、解调所产生的增益。
其中,阶梯波Vout可以表示为:
Vout(t)=∫Vd(τ)dτ+Vout(t-τ) (11)
反馈相移与阶梯波信号的关系为:
式中,Kp为相位调制器的调制系数。
又由萨格纳克效应可知:
将上式中的积分计算后得到:
也可以得出阶梯波的输出函数Dout:
式中,KDA为数模转换系数。
则(10)式可以写为:
此时的输出就不再是输入的正弦函数,而是输入的一次函数,即成正比。这就在很大程度扩大了光纤陀螺的测量范围以及标度因数线性度的提高,从而解决了开环方案正弦波调制的弊端。
图1为本方案的工作原理示意图,光路部分主要包括以下电子器件:光纤线圈、宽带光源、探测器、光纤耦合器、Y波导。电路部分包括:前置放大器、A/D转换器、FPGA、D/A转换器等,其中FPGA部分主要是实现光纤陀螺误差信号的数字解调、积分,产生阶梯波等功能。
如图1所示,干涉后的光经过耦合器后到达光电探测器,将光信号转变为电信号。经过前置放大电路转变为电压信号后到达模数转换器,转换为数字信号,并且在FPGA电路中完成解调,并且获得闭环补偿的误差数字信号,该信号经数字积分后既作为陀螺输出信号又作为闭环反馈的输入信号,经过累加,产生阶梯波。阶梯波信号与偏置调制信号(正弦波信号)相叠加后送入D/A转换器,转变为模拟信号,经放大后进入Y波导,从而形成闭环。即实现数字闭环的正弦波调制。
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 (2)
1.一种数字闭环光纤陀螺的正弦波调制方法,其特征在于,通过在调制中加入一个阶梯波来抵消萨格纳克相移,即通过反馈控制使从而使正弦波调制形成闭环,提高光纤陀螺的精度和扩大光纤陀螺的动态范围,所述阶梯波是由宽度为光纤环渡越时间τ、高度为的相位台阶构成,大小与旋转产生的萨克奈克相移相同、符号相反;
光纤陀螺探测器信号是萨格纳克相移的余弦函数,在未加入闭环控制时探测器光电流的表达式为:
其中,ωm调制角频率,φ0为正弦波调制幅度;
当采用闭环方案时,在正弦波调制的基础上加入一个阶梯波,此时光强的表达式为:
将式(2)代入式(3)中得到:
令φb=2φ0sin(ωm/2),并称φb为有效相位调制;
依据贝塞尔函数展开公式将式(4)展开即得:
其中,n取整数,Jn为n阶第一类贝塞尔函数;
当陀螺静止时,其输出只有调制频率ωm的偶次谐波;陀螺转动时,其输出将有调制频率ωm的奇次谐波,其一次谐波分量为:
解调方法为相干解调,用一个与I1(t)同频同相的参考信号相乘,再利用LPF将高频部分滤除,得到所需的信号;
解调方法具体过程为:
通过LPF后,式中第一项被滤除,所以通过相干解调后的输出为:
I(t)=-2GI0J1(φb)sin(φs+φfb)cosωm(t-τ/2) (9)
式中,G为探测器的增益;
由此,探测器输出经过放大、滤波、解调后的输出为:
Vd(t)=-GaGI0J1(φb)sin(φs+φfb) (10)
式中,Ga为放大、滤波、解调所产生的增益;
阶梯波Vout表示为:
Vout(t)=∫Vd(τ)dτ+Vout(t-τ)
(11)
反馈相移与阶梯波信号的关系为:
式中,Kp为相位调制器的调制系数;
又由萨格纳克效应得知:
将上式中的积分计算后得到:
即得出阶梯波的输出函数Dout:
式中,KDA为数模转换系数。
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Families Citing this family (1)
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---|---|---|---|---|
CN114111754B (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 西安中科华芯测控有限公司 | 消除复位误差的光纤陀螺闭环控制方法、系统及存储介质 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1952601A (zh) * | 2006-11-15 | 2007-04-25 | 北京航空航天大学 | 基于fpga的数字式光纤陀螺调制幅度调整装置 |
KR20100004318A (ko) * | 2008-07-03 | 2010-01-13 | 창원대학교 산학협력단 | 비편광 광섬유 자이로스코프 |
CN102183249A (zh) * | 2011-03-15 | 2011-09-14 | 北京大学 | 一种光纤陀螺仪的萨格奈克相移跟踪方法 |
CN102435186A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-05-02 | 北京大学 | 一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪 |
CN104634364A (zh) * | 2015-01-29 | 2015-05-20 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法 |
CN204388859U (zh) * | 2015-02-12 | 2015-06-10 | 重庆华渝电气集团有限公司 | 一种光纤陀螺的光路结构 |
CN112240765A (zh) * | 2019-07-17 | 2021-01-19 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 一种光纤陀螺渡越时间精确闭环控制方案 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101183003B (zh) * | 2007-12-20 | 2010-12-01 | 北京航空航天大学 | 光纤陀螺系统的闭环控制方法及装置 |
US20120239329A1 (en) * | 2011-03-15 | 2012-09-20 | University, Peking | Sagnac phase shift tracking method for fiber-optic gyroscopes |
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1952601A (zh) * | 2006-11-15 | 2007-04-25 | 北京航空航天大学 | 基于fpga的数字式光纤陀螺调制幅度调整装置 |
KR20100004318A (ko) * | 2008-07-03 | 2010-01-13 | 창원대학교 산학협력단 | 비편광 광섬유 자이로스코프 |
CN102183249A (zh) * | 2011-03-15 | 2011-09-14 | 北京大学 | 一种光纤陀螺仪的萨格奈克相移跟踪方法 |
CN102435186A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-05-02 | 北京大学 | 一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪 |
CN104634364A (zh) * | 2015-01-29 | 2015-05-20 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法 |
CN204388859U (zh) * | 2015-02-12 | 2015-06-10 | 重庆华渝电气集团有限公司 | 一种光纤陀螺的光路结构 |
CN112240765A (zh) * | 2019-07-17 | 2021-01-19 | 武汉中科锐择光电科技有限公司 | 一种光纤陀螺渡越时间精确闭环控制方案 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
光纤陀螺调制与闭环控制技术研究;王振国;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》;20130215(第02期);第I136-1071页 * |
徐明 等.采用正弦调制测量光纤陀螺带宽的方法研究.《压电与声光》.2009,第31卷(第02期),第175-177页. * |
采用正弦调制测量光纤陀螺带宽的方法研究;徐明 等;《压电与声光》;20090428;第31卷(第02期);第175-177页 * |
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