CN113310483B - 一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法，包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环、缓冲放大器、数/模转换器、二次数/模转换器，FPGA、模/数转换器、前置放大器以及光电探测器，利用三次闭环，将本征频率出现的光强作为反馈，利用反馈量的大小来改变本征频率，消除由于存储时间、温度对本征频率产生的影响，从而实现对角速度的精准测量，提高准确性。
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本征频率实时跟踪装置及方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度或角位移传感器，是惯性系统的核心敏感元件，其具有体积小、质量轻、动态范围大的、启动快和寿命长等一系列优点，被广泛应用与战略导弹系统、各种运载火箭的导航系统中。本征频率的大小与光纤环的长度、直径以及折射率有关。光纤环的主要成分为石英，当光纤陀螺工作时石英材料会受到温度的影响，在全温范围内光纤环的长度将变化几十ppm，从而会导致光纤陀螺的标度因数的改变，并对光纤陀螺的闭环控制精度产生一定的影响。准确的测量并实时跟踪光纤陀螺本征频率对提高数字闭环光纤陀螺的性能具有重要的意义。
光纤陀螺采用了二次闭环的控制方式来控制转速、相位增益的问题，实验表明，光纤陀螺在存储时间过长或者温度高低的情况下，会对本征频率产生影响，本征频率的大小反映了光纤环的长度。
目前现有的本征频率测量技术主要有：基于方波调制以及正弦波调制的本征频率离线测量，文献[1]中提出了一种基于锯齿波和方波分时复用调制测量方法，其调制信号为：前期离线测量所得本征频率的锯齿波信号叠加前期测量所得本征频率同频的方波信号，其缺点为：此方法需要测量输出信号相邻脉冲宽度，测量精度仅为0.1Hz并且当光纤陀螺贮存时间过长会导致设备不能测量光纤环长度，文献[2]中提出了正弦波调制的本征频率测量方法，利用二次谐波幅度与调制频率间的二次函数关系，通过计算抛物线顶点即可求得本征频率，其缺点为：不能实时在线跟踪本征频率大小变化，且需要数字合成以及极值搜索算法，测量精度仅为2Hz。以上方法都需要编写复杂的程序和算法，且测量精度低。
[1]代琪，宋凝芳.光纤陀螺本征频率高精度在线自动跟踪技术研究.激光杂志，2019，40(4)：31～35。
[2]陈宇中，宋章启，张学亮.正弦波调制的光纤环本征频率测量方法.国防科技大学学报，2017，39(6)：193～196。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明采用一种高效、实时、成本低以及操作的简单的方法去测量本征频率。
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本征频率实时跟踪装置，包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环、缓冲放大器、数/模转换器、二次数/模转换器(61)，FPGA、模/数转换器、前置放大器以及光电探测器；
所述光源与耦合器的输入端相连，耦合器的输出端连接相位调制器的输入端，相位调制器的输出端分别连接光纤环，所述光源、耦合器、相位调制器和光纤环构成Sagnac干涉仪；所述耦合器的输出端连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接模/数转换器的输入端，模/数转换器的输出端连接FPGA的输入端，在FPGA中经过调制与解调处理后，将其输出端连接数/模转换器以及二次数/模转换器(61)的输入端，二次数/模转换器(61)的输出端连接FPGA的输入端，形成二次闭环，同时数/模转换器的输出端连接缓冲放大器的输入端，将所得模拟信号经过相位调制器输入到光纤环中，耦合器的最后输出端口做空载处理。
一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，包括以下步骤：
步骤一：在FPGA中产生调制信号；
步骤二：调制信号经过数/模转换器转换为两路差分的调制电压信号，经缓冲放大器放大后输入到相位调制器中，当光纤环旋转时，环路中相向传播的两束光波产生正比于旋转速率Ω的相位差，并通过光电探测器对该相位差进行检测；
步骤三：相位调制后的两束光路反向传播经过Sagnac干涉仪从而产生干涉，干涉信号经耦合器输入到光电探测器中，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电信号，将电信号输入到前置放大器中放大后经模/数转换器输入到FPGA进行调制与解调，即实现调制频率偏离本征频率误差量的同步解调。
进一步地，步骤一中所述调制信号为频率可调方波。
进一步地，步骤二中产生的正比于旋转速率Ω的相位差φS计算如下：
式中，L为光纤长度，D为光纤环直径，λ为光波长，c为真空中的光速。
进一步地，步骤三中调制与解调具体为在一个解调周期内利用四态方波调制的方式对干涉信号进行调制，由于光纤陀螺的干涉光强与相位差是余弦函数的关系，在四态调制相位下得到光强输出，采用如下公式的四种状态对光强进行调制：
其中，
为调制信号，
为调制深度，C1、C2为常数，τ为光波在光纤环中渡越时间。
进一步地，由于调制序列是一个周期序列，当延迟一个τ之后光强错位处，会出现向下或者向上的光强，其调制序列
如下公式所示：
其中，
为延迟一个τ的调制信号。
进一步地，通过
两者对应相减得到真正的调制信号，即只含有调制信号偏离本征频率的误差量Δτ，如下式所示：
误差量Δτ的大小反映了调制周期T与τ相差的大小，当调制信号偏离本征频率的误差量为零时，即调制信号频率等于本征频率时，其解调结果也为零，因此通过调制信号偏离本征频率的误差量Δτ的正负来确定本征频率的动向，根据此误差来补偿本征频率，从而实现第三次闭环反馈来对本征频率进行实时跟踪。
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调制特性，构造了一种能在二次闭环的基础上，对本征频率实现实时跟踪，提高了光纤陀螺的环境适应性，解决了光纤陀螺生产过程中本征频率测试繁琐、效率低等问题，并在一款光纤环长度为817m的高精度光纤陀螺上进行了实验验证，结果表明，本发明能在全温范围内实现本征频率的实时跟踪。
附图说明
图1为在四态调制相位下得到光强输出示意；
图2为T>τ时的波形图；
图3为T＝τ时的波形图；
图4为总体电路图。
其中，1、光源；2、耦合器；3、相位调制器；4、光纤环；5、缓冲放大器；6、数/模转换器；61、二次数/模转换器；7、FPGA；8、模/数转换器；9、前置放大器；10、光电探测器。
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：
本发明提出一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪技术，由于光纤陀螺的本征频率是开环控制，存储时间过长或者温度的高低都会都本征频率产生影响，本征频率的大小反映了光纤环的长度，导致的结果就是光纤环测量角速度的数据不准确。本发明利用三次闭环，将本征频率出现的光强作为反馈，利用反馈量的大小来改变本征频率，即实现第三次闭环，消除由于存储时间、温度对本征频率产生的影响，从而实现对角速度的精准测量，提高准确性。
图4所示为本发明所提供的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪技术实现装置，包括光源1、耦合器2、相位调制器3(Y波导)、光纤环4、缓冲放大器5、数/模转换器6、二次数/模转换器61、FPGA7、模/数转换器8、前置放大器9以及光电探测器10。所述光源1与耦合器2的输入端相连，耦合器2的输出端连接相位调制器3的输入端，相位调制器3的输出端分别连接光纤环4，光源1、耦合器2、相位调制器3和光纤环4构成Sagnac干涉仪。所述耦合器2的输出端连接光电探测器10的输入端，光电探测器10的输出端连接前置放大器9的输入端，然后前置放大器9的输出端连接模/数转换器6的输入端，模/数转换器6的输出端连接FPGA7的输入端，在FPGA7中经过调制与解调处理将后其输出端连接数/模转换器6以及二次数/模转换器61的输入端，二次数/模转换器61的输出端连接FPGA7的输入端，形成二次闭环，同时数/模转换器6的输出端连接缓冲放大器5的输入端，将所得模拟信号经过相位调制器3输入到光纤环4中，耦合器2的最后输出端口做空载处理。
步骤一：在FPGA7中产生调制信号，所述调制信号为频率可调方波。
步骤二：调制信号经过数/模转换器转换为两路差分的调制电压信号，经缓冲放大器放大后输入到Y波导中，当光纤环旋转时，环路中相向传播的两束光波进行相位调制。产生的正比于旋转速率Ω的相位差为：
式(1)中，L为光纤长度，D为光纤环直径，λ为光波长，c为真空中的光速。由此可得干涉光信号含有光纤陀螺旋转速率信号。
步骤三：相位调制后的两束光路反向传播经过Sagnac干涉仪从而产生干涉，干涉信号经耦合器输入到光电探测器中，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电信号，将电信号输入到前置放大器中放大后经模/数转换器输入到FPGA进行调制与解调，可以实现调制频率偏离本征频率误差量的同步解调。具体为：本发明在一个解调周期内利用四态方波调制的方式对干涉信号进行调制，由于光纤陀螺的干涉光强与相位差是余弦函数的关系，在四态调制相位下得到光强输出如图1所示。
其中点1、点2、点3、点4既是调制点也是工作点。本发明采用公式(2)中所述的四种状态来对光强进行调制，如附图2中的
所示
其中τ为光波在光纤环中渡越时间，此方法解决了2π复位的问题以及可以在一个解调周期内实现对转速信号与误差信号的解调，又由于调制序列是一个周期序列，当延迟一个τ之后光强错位处，会出现向下或者向上的光强，其调制序列如图2中的
所示，即为公式(3)所示：
误差量Δτ的大小反映了T与τ相差的大小，当调制信号偏离本征频率的误差量为零时，即调制信号频率等于本征频率时如图3所示，其解调结果也为零，因此可以通过调制信号偏离本征频率的误差量Δτ的正负来确定本征频率的动向，根据此误差来补偿本征频率，从而实现第三次闭环反馈来对本征频率进行实时跟踪。
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，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 (7)
1.一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置，其特征在于，包括光源(1)、耦合器(2)、相位调制器(3)、光纤环(4)、缓冲放大器(5)、数/模转换器(6)、二次数/模转换器(61)，FPGA(7)、模/数转换器(8)、前置放大器(9)以及光电探测器(10)；
所述光源(1)与耦合器(2)的输入端相连，耦合器(2)的输出端连接相位调制器(3)的输入端，相位调制器(3)的输出端分别连接光纤环(4)，所述光源(1)、耦合器(2)、相位调制器(3)和光纤环(4)构成Sagnac干涉仪；所述耦合器(2)的输出端连接光电探测器(10)的输入端，光电探测器(10)的输出端连接前置放大器(9)的输入端，前置放大器(9)的输出端连接模/数转换器(8)的输入端，模/数转换器(8)的输出端连接FPGA(7)的输入端，在FPGA(7)中经过调制与解调处理后，将其输出端连接数/模转换器(6)以及二次数/模转换器(61)的输入端，二次数/模转换器(61)的输出端连接FPGA(7)的输入端，形成二次闭环，同时数/模转换器(6)的输出端连接缓冲放大器(5)的输入端，将所得模拟信号经过相位调制器(3)输入到光纤环(4)中，耦合器(2)的最后输出端口做空载处理。
2.一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，采用权利要求1所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在FPGA(7)中产生调制信号；
步骤二：调制信号经过数/模转换器(6)转换为两路差分的调制电压信号，经缓冲放大器(5)放大后输入到相位调制器(3)中，当光纤环(4)旋转时，环路中相向传播的两束光波产生正比于旋转速率Ω的相位差，并通过光电探测器对该相位差进行检测；
步骤三：相位调制后的两束光路反向传播经过Sagnac干涉仪从而产生干涉，干涉信号经耦合器(2)输入到光电探测器(10)中，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电信号，将电信号输入到前置放大器(9)中放大后经模/数转换器(8)输入到FPGA(7)进行调制与解调，即实现调制频率偏离本征频率误差量的同步解调。
3.根据权利要求2所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，步骤一中所述调制信号为频率可调方波。
4.根据权利要求2所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，步骤二中产生的正比于旋转速率Ω的相位差φS计算如下：
式中，L为光纤长度，D为光纤环直径，λ为光波长，c为真空中的光速。
5.根据权利要求2所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，步骤三中调制与解调具体为在一个解调周期内利用四态方波调制的方式对干涉信号进行调制，由于光纤陀螺的干涉光强与相位差是余弦函数的关系，在四态调制相位下得到光强输出，采用如下公式的四种状态对光强进行调制：
其中，
为调制信号，
为调制深度，C1、C2为常数，τ为光波在光纤环中渡越时间。
6.根据权利要求5所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，由于调制序列是一个周期序列，当延迟一个τ之后光强错位处，会出现向下或者向上的光强，其调制序列
如下公式所示：
其中，
为延迟一个τ的调制信号。
7.根据权利要求6所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，通过
两者对应相减得到真正的调制信号，即只含有调制信号偏离本征频率的误差量Δτ，如下式所示：
误差量Δτ的大小反映了调制周期T与τ相差的大小，当调制信号偏离本征频率的误差量为零时，即调制信号频率等于本征频率时，其解调结果也为零，因此通过调制信号偏离本征频率的误差量Δτ的正负来确定本征频率的动向，根据此误差来补偿本征频率，从而实现第三次闭环反馈来对本征频率进行实时跟踪。
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Denomination of invention: A digital closed-loop fiber optic gyroscope intrinsic frequency real-time tracking device and method Effective date of registration: 20230918 Granted publication date: 20220318 Pledgee: Bank of China Limited Xi'an Second Ring Century Star Sub branch Pledgor: XI'AN SINO HUAXIN MEASUREMENT & CONTROL CO.,LTD. Registration number: Y2023980057296 |