CN113959427A - 基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，属于谐振式集成光学陀螺技术领域；首先，分析了集成光学相位调制器系数对集成光学陀螺标度因数稳定性的影响机理。然后，提出了一种新的四态调制技术，该技术由基本三角调制信号和解调调制系数的三角信号组成，可以在不增加光学器件的情况下同步检测角速度信息和集成光学相位调制器系数。最后，设计了基于新型四态调制技术的闭环反馈系数实时跟踪系统，将环路增益调整为常数，使得标度因子不随调制系数的漂移而发生改变，以提高谐振式集成光学陀螺标度因数的稳定性。

Description

基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法

技术领域

本发明属于谐振式集成光学陀螺技术领域，具体涉及一种基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法。

背景技术

基于萨格纳克效应的光学陀螺已成为惯性系统中，可实现高精度角速度传感的主要研究方向，而其中的谐振式集成光学陀螺可单片式集成，在成本、体积和理论灵敏度等方面都具有巨大潜在优势。然而，由于集成光学陀螺关键的光学参数受环境因素的影响，使得谐振式集成光学陀螺的检测精度变差，因此优化集成光学陀螺检测精度的信号处理方法至关重要。

在谐振式集成光学陀螺中，多光束干涉得到的关于角速度的干涉光，是关于角速度信号的微弱信号，一般先通过微弱信号调制解调的理论来提高角速度信息的信噪比，然后通过双闭环控制系统，锁定激光器频率的同时实现角速度的闭环跟踪，来提高谐振式集成光学陀螺的检测精度和动态性能。

而在谐振式集成光学陀螺中，集成光学相位调制器为角速度闭环的执行单元，调制系数随温度变化直接影响角速度闭环反馈回路的增益，进而导致集成光学陀螺的标度因子也随温度变化。另外，目前一般采用基于频率调制的方法抑制谐振式集成光学陀螺背反、背散噪声，而集成光学相位调制器的系数变化直接影响噪声抑制效果，进而影响谐振式集成光学陀螺的检测精度。

因此，研究如何实现集成光学相位调制器系数的实时跟踪，对于集成光学陀螺检测精度优化具有重要意义。虽然有研究者通过将马赫-曾德干涉仪用到双路闭环陀螺中，来实现对调制器系数的跟踪，但其引入了其他光学器件不利于谐振式集成光学陀螺的集成，并且在检测调制器系数时不能同时检测角速度信息，影响谐振式集成光学陀螺角速度的实时检测。

因此，在不增加任何光学器件的前提下，研究如何实现对集成光学相位调制器系数与角速度信号的实时同步检测，以及集成光学相位调制器系数实时跟踪调整，以保证集成光学陀螺标度因子全温的恒定以及角速度的高精度检测，对于集成光学陀螺在复杂环境中的应用至关重要。

发明内容

本发明针对谐振式集成光学陀螺的集成光学相位调制器系数，随温度变化直接影响集成光学相位调制器的标度因子和噪声抑制效果，进而影响谐振式集成光学陀螺的检测精度等难题，提出了一种可实现谐振式集成光学陀螺关键光学参数同步实时检测调制解调的多态波调制方法，并提出了角速度闭环反馈系数实时跟踪控制的方法，以提高谐振式集成光学陀螺的检测精度；具体是一种基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法。

所述的闭环反馈系数实时跟踪控制方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建集成光学陀螺闭环检测装置；

所述闭环检测装置包括：激光器，集成光学相位调制器，环形波导谐振腔，顺时针探测器和逆时针探测器，前向放大器，模数转换器，集成光学相位调制系数跟踪控制器，激光锁频环路控制器和角速度跟踪环路控制器；

激光器与Y波导连接，Y波导两侧加有集成光学相位调制器，调制后的光信号经过环形波导谐振腔，在谐振腔内分别沿着顺时针与逆时针进行传输，经两个输出端口后依次经过连接的光电探测器，前向放大器和模数转换器，进入数字信号处理过程：顺时针光路经过解调部分分成两路，其中一路光后续连接集成光学相位调制系数跟踪控制器，另一路光后续连接角速度跟踪环路控制器，这两部分共同反馈给集成光学相位调制器；逆时针光路连接激光锁频环路控制器，反馈到激光器。

步骤二、闭环检测装置中的激光器，发出的光经施加了多态波调制信号的集成光学相位调制器50：50的Y分支，调制成顺时针和逆时针两束光；

多态波调制信号由基本三角波和为实现调制器系数解调的三角波，两种波形叠加而成，且解调调制器系数三角波的周期是基本三角波的整数倍，因此多态波产生四个状态的频移：在解调调制器系数三角波的上升状态中，基本三角波调制信号上升的时间段为第一状态，下降的时间段为第二状态；在解调调制器系数三角波的下降状态中，基本三角波调制信号上升的时间段为第三状态，下降的时间段为第四状态；

步骤三、顺时针和逆时针两束光同时进入环形波导谐振腔发生多光束干涉，分别被顺时针探测器和逆时针探测器接收并转化为电信号输出；

谐振腔输出光强为：

其中，η为光路的总损耗，I₀为激光器输出的光功率，q为环形波导谐振腔的清晰度参数，τ为光在环形波导谐振腔中传输一圈的渡越时间，f为环形波导谐振腔输出的光频率，满足：f＝f₀+Δf+f_T；f₀为谐振腔处于静态时，激光器输出的谐振腔的静态谐振光频；f_T为多态波调制波引起的频移；Δf为角速度跟踪环路控制器输出的误差，表示为Δf＝f_Ω-f_c，即环形波导谐振腔转动得到顺时针逆时针光路产生的谐振频差f_Ω，与角速度跟踪环路控制器产生的角速度跟踪锯齿波的频率f_c形成的频差之差；

其中D是环形波导谐振腔的直径，n是环形波导的折射率，λ是入射光波中心波长，Ω是角速度跟踪环路控制器产生的角速度。

f_c＝k_{fb_AVTL}D_out，其中D_out在角速度闭环跟踪环路中生成的角速度反馈信号；k_{fb_AVTL}为角速度跟踪环路控制器反馈增益的系数；k_{fb_AVTL}＝k_sawk_dak_DC/V_2π；V_2π为集成光学相位调制器2π相位对应的电压。k_saw为产生数字反馈锯齿波的数字增益，k_da为模数转换器的数模转换增益，其中k_DC为驱动放大电路的增益。

步骤四、电信号依次经过前向放大器和模数转换器进行放大与转换后，进行同步解调，得到解调结果与角速度跟踪环路控制器的函数关系；

具体过程如下：

首先，计算多态波调制信号的四个状态下，顺时针光路谐振腔分别输出的光强之差；

第一状态和第二状态下光强I₁和I₂之差G_P，计算公式为：

第三状态和第四状态下光强I₃和I₄之差G_N，计算公式为：

k_forw为光电探测器、前向放大器和模数转换器三部分的增益；f_b为基本三角波调制信号的等效方波移频；f_d为解调调制器系数三角波正负半周期所对应的方波移频：f_d＝k_{fb_AVTL}D_d；D_d为常数。

然后，利用光强之差计算同步解调结果，具体计算公式为：

输出给集成光学相位调制系数跟踪控制器的解调结果G_g为：

G_g＝G_P+G_N＝(K_b+ΔK_b)cos2πΔfτ×sin2πf_dτ≈(K_b+ΔK_b)sin2πf_dτ

K_b为关于基本三角波调制信号等效方波移频的函数：

Δk_b为Δf所带来的增益波动量。

输出给角速度跟踪环路控制器的解调结果G_Ω，计算公式为：

G_Ω＝G_P-G_N＝(K_b+ΔK_b)cos2πf_dτ×sin2πΔfτ

由此可知，解调结果G_g是关于角速度跟踪环路控制器反馈增益系数k_{fb_AVTL}的函数，而解调结果G_Ω为角速度跟踪环路控制器输出Δf的函数；

步骤五、角速度跟踪环路控制器跟踪解调结果中的误差Δf，并通过集成光学相位调制器，补偿萨格纳克效应产生的谐振频差f_Ω，使得进入谐振腔顺时针路径的光的频率满足谐振腔顺时针路径的谐振频率。

补偿后的集成光学陀螺的标度因子公式为：

N_DAC是数模转换器的位数，V_DAC是数模转换器的参考电压，k_g＝1-Δk_g，Δk_g是通过角速度闭环跟踪环路控制器输出的增益补偿量；Δk_g的绝对值远远小于1；通过k_{fb_AVTL}/(1+Δk_g)可保证环路增益恒定。

步骤六、同时，解调出的逆时针光路中的信号输入激光锁频环路控制器，反馈给激光器，将激光器发出的激光频率锁定在谐振腔逆时针路径的谐振频率上。

本发明的优点在于：

1)、基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，基于多态波调制，在没引入其他光学器件的同时，通过在光路中加入一种多态波对信号进行调制解调，可实现实时同步检测角速度信号、调制器系数以及激光器锁频。

2)、基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，可实时解调出调制器系数导致的角速度闭环反馈系数的变化，同时没有影响角速度信号的实时检测。多态波调制波形引起的频移包含四个状态，解调四个状态的光强可以得到角速度闭环反馈系数的函数，其变化量主要由集成光学相位调制器2π相位对应的电压随温度变化所导致的。

3)、基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，可实现角速度闭环反馈系数的闭环跟踪与控制，以使得集成光学陀螺标度因子恒定，对于促进集成陀螺环境应用至关重要。通过多态波调制解调方案可以得到角速度闭环反馈系数函数的变化量主要由集成光学相位调制器2π相位对应的电压随温度变化导致，而环境温度变化缓慢，对得到的信号进行滤波滤除噪声，将得到的环路增益变化与常温时的环路增益初始状态作差，得到环路增益漂移量作为环路增益控制器的闭环误差，通过环路增益控制器的输出生成增益补偿量，进而可以保证集成光学陀螺的标度因子不随集成光学相位调制器的调制系数的漂移而发生改变。

附图说明

图1为本发明基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法的流程图；

图2为本发明搭建的集成光学陀螺闭环检测装置示意图；

图3为本发明多态波调制信号产生四个状态下的光强同步实时检测的解调波形生成图。

图4为本发明所提出的用于集成光学陀螺的角速度与调制器系数同步实时闭环跟踪控制系统方案。

图5为本发明的环路增益闭环跟踪系统状态下检测到的环路增益漂移与跟踪误差示意图。

图6为本发明的集成光学相位调制器调制系数漂移的测试结果图。

图7为本发明的集成光学相位调制器系数漂移的闭环跟踪误差性能测试图。

图8为本发明的未采用可实现关键光学参数同步实时检测的调制方法及角速度闭环反馈系数的实时跟踪控制方法的集成光学陀螺标度因数测试结果图。

图9为本发明采用可实现关键光学参数同步实时检测的调制方法及角速度闭环反馈系数的实时跟踪控制方法的集成光学陀螺标度因数测试结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

本发明提出了一种基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，实现了谐振式集成光学陀螺关键光学参数，可同步实时检测的多态波调制解调方法及角速度闭环反馈系数实时跟踪控制。

如图1所示，具体步骤如下

步骤一、搭建集成光学陀螺闭环检测装置，并加入关键光学参数同步实时检测的多态波调制信号；

如图2所示，所述闭环检测装置包括：激光器，集成光学相位调制器，环形波导谐振腔，顺时针探测器和逆时针探测器，前向放大器，模数转换器，集成光学相位调制系数跟踪控制器，激光锁频环路控制器和角速度跟踪环路控制器；

激光器与Y波导连接，Y波导两侧加有集成光学相位调制器，调制后的光信号经过环形波导谐振腔，在谐振腔内分别沿着顺时针与逆时针进行传输，经两个输出端口后依次经过连接的光电探测器，前向放大器和模数转换器，进入数字信号处理过程：顺时针光路经过解调部分分成两路，其中一路光后续连接集成光学相位调制系数跟踪控制器，另一路光后续连接角速度跟踪环路控制器，这两部分共同反馈给集成光学相位调制器；逆时针光路连接激光锁频环路控制器，反馈到激光器。

步骤二、闭环检测装置中的激光器，发出的光经施加了多态波调制信号的集成光学相位调制器50：50的Y分支分成两束光，分别对逆时针光路和顺时针光路进行调制；

多态波调制信号由两种波形叠加而成：其中一种为使得含有角速度信息干涉光强获得最佳的线性度的基本三角波调制信号，另外一种为可实现调制器系数解调的三角波；且解调调制器系数三角波的周期是基本三角波的整数倍；本实施例中，基本三角波调制信号的频率，根据谐振腔的清晰度选择最佳频率；解调调制器系数三角波的周期在本实施例中可设置为2倍。基本三角波调制信号与解调调制器系数三角波的幅度都为集成光学相位调制器常温时2π相位对应的电压值V_2π。

如图3所示，因此可实现关键光学参数同步实时检测的调制波形引起的频移包含四个状态：

在解调调制器系数三角波的上升状态中，基本三角波调制信号上升的时间段为第一状态；下降的时间段为第二状态；这两个状态下顺时针光路谐振腔输出的光强分别I₁和I₂；在解调调制器系数三角波的下降状态中，基本三角波调制信号上升的时间段为第三状态；下降的时间段为第四状态，这两个状态下顺时针光路谐振腔输出的光强分别I₃和I₄；

既可实时检测出角速度信号，又可实现对调制器系数检测。根据调制器系数检测结果即可得到角速度闭环回路增益随温度的变化，进一步调整角速度环路增益使得角速度环路增益恒定，进而保证角速度检测的标度因子不随温度变化；

步骤三、顺时针和逆时针两束光同时进入环形波导谐振腔发生多光束干涉，分别被顺时针探测器和逆时针探测器接收并转化为电信号输出；

根据多光束干涉原理得到谐振腔输出光强为：

其中，η为光路的总损耗，I₀为激光器输出的光功率，q为环形波导谐振腔的清晰度参数，τ为光在环形波导谐振腔中传输一圈的渡越时间，f为环形波导谐振腔输出的光频率，满足：f＝f₀+Δf+f_T；f₀为谐振腔处于静态时，激光器输出的谐振腔的静态谐振光频；f_T为多态波调制波引起的频移；Δf为角速度跟踪环路控制器输出的误差，表示为Δf＝f_Ω-f_c，即环形波导谐振腔转动得到顺时针逆时针光路产生的谐振频差f_Ω，与角速度跟踪环路控制器产生的角速度跟踪锯齿波的频率f_c形成的频差之差；

步骤四、电信号依次经过前向放大器和模数转换器进行放大与转换后，进行同步解调，得到解调结果与角速度跟踪环路控制器的函数关系；

具体过程如下：

首先，解调多态波调制信号的四个状态下，顺时针光路谐振腔分别输出的光强之差；

第一状态和第二状态下光强I₁和I₂之差G_P，计算公式为：

第三状态和第四状态下光强I₃和I₄之差G_N；计算公式为：

k_forw为光电探测器、前向放大器和模数转换器三部分的增益；±f_b为基本三角波调制信号的等效方波移频；±f_d为解调调制器系数三角波正负半周期所对应的方波移频：f_d＝k_{fb_AVTL}D_d；D_d为常数。

因为在系统中Δf为角速度闭环的闭环误差，考虑到集成光学陀螺系统角速度闭环工作点位于零点处，则Δf≈0。f₀为谐振腔的静态谐振频率，f₀τ为整数，在系统中因为激光器波长约为1550nm,且f₀τ为2。并且f_d＜＜f₀,在系统中f_d＝f_b/2,τ＝0.911ns，可见，cos2π(f₀+Δf+f_d)τ≈1。

因此，利用光强之差计算同步解调结果，具体计算公式为：

输出给集成光学相位调制系数跟踪控制器的解调结果G_g为：

G_g＝G_P+G_N＝(K_b+ΔK_b)cos2πΔfτ×sin2πf_dτ≈(K_b+ΔK_b)sin2πf_dτ

K_b为关于基本三角波调制信号等效方波移频的函数：

Δk_b为误差Δf所带来的增益波动量。

输出给角速度跟踪环路控制器的解调结果G_Ω，计算公式为：

G_Ω＝G_P-G_N＝(K_b+ΔK_b)cos2πf_dτ×sin2πΔfτ

由此可知，解调结果G_g中D_d为常数，因此是关于角速度跟踪环路控制器反馈增益系数k_{fb_AVTL}的函数，其变化量主要由集成光学相位调制器的V_2π随温度的变化导致的；而解调结果G_Ω为角速度跟踪环路控制器输出误差Δf的函数；可见，所施加的关键光学参数同步实时检测调制波形可以实现实时检测角速度信息，而不受所施加解调调制器系数三角波信号的影响。

综上所述，本发明的调制解调方法，不仅可以实时检测当前陀螺状态下角速度的变化量，也可实时检测出集成光学调制器系数随温度漂移。

步骤五、角速度跟踪环路控制器跟踪解调结果中的误差Δf，并通过集成光学相位调制器，补偿萨格纳克效应产生的谐振频差f_Ω，使得进入谐振腔顺时针路径的光的频率满足谐振腔顺时针路径的谐振频率。

如图4所示，为本发明设计的角速度闭环反馈系数自动跟踪控制系统，

首先分析角速度的反馈控制执行原理，具体过程为：

由环形波导谐振腔转动使得顺时针逆时针光路产生的谐振频差为f_Ω，根据萨格纳克效应，该萨格纳克频差与角速度Ω满足关系

其中D是环形波导谐振腔的直径，n是环形波导的折射率，λ是入射光波中心波长，Ω是角速度跟踪环路控制器产生的角速度。

角速度跟踪环路控制器产生的角速度跟踪锯齿波的频率f_c，用于施加在集成光学相位调制器上实现角速度闭环控制，角速度闭环误差信号Δf为Δf＝f_Ω-f_c，角速度闭环工作点位于零点处，即Δf＝0,此时f_Ω＝f_c，在角速度闭环跟踪环路的反馈通道中包括数模转换、驱动放大和集成光学相位调制器。

在角速度闭环跟踪环路中生成的角速度反馈信号D_out，由数模转换器施加到集成光学相位调制器使得光产生频移f_c＝k_{fb_AVTL}D_out，其中D_out在角速度闭环跟踪环路中生成的角速度反馈信号；k_{fb_AVTL}为角速度跟踪环路控制器反馈增益的系数；k_{fb_AVTL}＝k_sawk_dak_DC/V_2π；V_2π为集成光学相位调制器2π相位对应的电压。k_saw为产生数字反馈锯齿波的数字增益，k_da为D/A转换器的数模转换增益，且满足

，N_DAC是数模转换器的位数，V_DAC是数模转换器的参考电压，k_DC为驱动放大电路的增益。

进一步得到闭环输出的比例因子为

可见，集成光学相位调制器2π相位对应的电压V_2π随温度的变化直接导致集成光学陀螺标度因子变化。

接着，设计角速度闭环反馈系数自动跟踪控制系统方案，具体过程为：

因为k_{fb_AVTL}＝k_sawk_dak_DC/V_2π，k_saw为产生数字反馈锯齿波的数字增益，在数字信号处理单元中实现时k_saw＝f_clkH_saw/H_lm，f_clk为相位累加器的时钟频率，H_lm为相位累加器的数字增益，H_saw为数字反馈锯齿波的数字增益。

因为解调调制器系数三角波产生的频差f_d＝k_{fb_AVTL}D_d，且角速度闭环跟踪环路产生的角速度跟踪锯齿波的频率f_c＝k_{fb_AVTL}D_out。D_d为常数，所以解调到的G_g直接反应角速度闭环反馈系数k_{fb_AVTL}的实时变化。因为关键光学参数同步实时检测的调制解调波形周期为1μs，实时解调到的G_g的步长为0.25μs，然而G_g的变化为主要集成光学相位调制器V_2π随温度变化导致的，也就是集成光学陀螺角速度闭环反馈回路的增益变化主要由于集成光学相位调制器调制系数所温度变化导致的。而环境温度变化为缓慢的，因此，可对于解调获得的G_g通过数字低通滤波器进行滤波并将滤波器的更新步长设置为ms量级。滤除噪声后得到环路增益变化D_g之后通过数字低通滤波器滤波后，与常温时环路增益的初始状态D_{g_std}作差，可以得到环路增益漂移量δD_g作为环路增益控制器的闭环误差，通过角速度闭环跟踪环路控制器输出的增益补偿量Δk_g；

1+Δk_g可表示k_{fb_AVTL}随温度变化，因此k_{fb_AVTL}/(1+Δk_g)可保证环路增益恒定。因为Δk_g的绝对值远远小于1，所以

可见，k_{fb_AVTL}/(1+Δk_g)≈k_{fb_AVTL}k_g，将所得到的k_g＝1-Δk_g与角速度跟踪反馈数字锯齿波以及多态调制波中的所有数据相乘，因此集成光学陀螺标度因数公式就补偿为：

从而使得集成光学陀螺的标度因子不随集成光学相位调制器的调制系数的漂移而发生改变。本发明实现了对环路增益的实时跟踪与锁定，最终达到抑制标度因数综合误差的目的，对提升集成光学陀螺的应用环境中的性能非常重要。

步骤六、同时，解调出的逆时针光路中的信号输入激光锁频环路控制器，反馈给激光器，将激光器发出的激光频率锁定在谐振腔逆时针路径的谐振频率上。

实施例：

集成光学陀螺的具体参数如下：

本实施例使用的激光器的中心波长为1550nm，解调调制器系数三角波所对应的方波移频f_d＝20kHz,渡越时间f_d＝20kHz。铌酸锂相位调制器的半波电压在常温下为5.31V，二氧化硅环形波导谐振腔的直径为60mm。选择了16位的数模转换器k_da＝3.052×10^-5，锯齿波发生器的增益为k_saw＝156.25，数模驱动放大电路的增益为k_DC＝12.06。

首先对所提出的多态波调制方法可实时检测集成光学陀螺环路增益进行验证，通过调整施加在集成光学相位调制器上的解调调制器系数三角波产生的频差变化来模拟环路增益变化，验证调制器系数跟踪的准确性，如图5所示，试验测试得到的环路增益与仿真结果相符，都随着解调调制器系数三角波产生的频差变化也发生了相应的变化，试验验证了所提出关键光学参数同步实时检测调制解调方法可实时将环路增益提取出来。同时也得到了环路增益闭环跟踪系统闭环状态下的跟踪误差，验证了本发明所提出的关键光学参数同步实时检测调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法，能够实时检测并实时跟踪集成光学陀螺的环路增益。

接着验证所提的多态波调制方法以及集成光学相位调制器系数闭环跟踪系统对调制器系数随温度漂移的跟踪效果，将集成光学相位调制器放在温箱中进行温度实验。初始温度为30℃，以1℃/min的间隔降温处理至-40℃,保温后又持续升温至60℃，继续保温，随后又降温至30℃。总共测试390min，测试开环情况下集成光学相位调制器调制系数如图6所示，集成光学相位调制器调制系数与温度的变化趋势相同，波动范围在5.04％左右。可见所提出的关键光学参数同步实时检测调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法能够对集成光学相位调制器调制系数实现实时跟踪。如图7所示，描述了集成光学相位调制器系数闭环跟踪系统在-40～+60℃温变环境中，闭环误差始终保持均值为0，跟踪误差波动范围为0.23％，比开环情况下测得的调制系数波动小了10.96倍，可见采用调制器系数闭环跟踪系统能使得光学陀螺集成光学相位调制器环路增益保持稳定。

本实施例进一步验证了关键光学参数同步实时检测调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法，对集成光学陀螺闭环标度因子精度优化的有效性。同样的试验条件将相位调制器放在温箱内上，温箱进行1℃/min升温来模拟温度变化，角速度输入从-500°/s至-500°/s进行测试。不施加关键光学参数同步实时检测调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法的标度因数测试结果如图8所示，得到标度因数非线性为1780.74ppm，而施加系数跟踪控制方法得到的陀螺输出如图9所示，标度因数非线性为163.37ppm。试验验证了所提的关键光学参数同步实时检测的调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法，优化了集成光学陀螺的标度因子性能，对于促进集成光学陀螺的应用具有重要价值。

通过对关键光学参数同步实时检测调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法实验验证，本发明不仅可以将包含系数增益的环路增益的漂移实时地检测和提取出来，同时还可以根据环路增益漂移的大小去自动地控制环路增益保持恒定，从而实现抑制集成光学相位调制器标度因数综合误差。所提出的基于关键光学参数同步实时检测调制解调及调制器系数实时跟踪控制方法的集成光学相位调制器系数跟踪方法能有效改善谐振式集成光波导陀螺性能，对于促进谐振式集成光学陀螺在无人驾驶以及其他微型惯性导航系统的应用具有重要意义。

Claims (7)

1.基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，搭建包括激光器，集成光学相位调制器，环形波导谐振腔，顺、逆时针探测器，前向放大器，模数转换器，集成光学相位调制系数跟踪控制器，激光锁频环路控制器和角速度跟踪环路控制器的集成光学陀螺闭环检测装置；

激光器发出的光经施加了多态波调制信号的集成光学相位调制器50：50的Y分支，调制成顺时针和逆时针两束光，同时进入环形波导谐振腔发生多光束干涉，分别被对应的探测器接收并转化为电信号输出，依次经过前向放大器和模数转换器进行放大与转换后，进行同步解调，得到解调结果G_g是关于角速度跟踪环路控制器反馈增益系数k_{fb_AVTL}的函数，G_Ω为角速度跟踪环路控制器输出Δf的函数；

角速度跟踪环路控制器跟踪解调结果中的误差Δf，并通过集成光学相位调制器，补偿萨格纳克效应产生的谐振频差f_Ω，使得进入谐振腔顺时针路径的光的频率满足谐振腔顺时针路径的谐振频率；同时，解调出的逆时针光路中的信号输入激光锁频环路控制器，反馈给激光器，将激光器发出的激光频率锁定在谐振腔逆时针路径的谐振频率上。

2.如权利要求1所述的基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，所述的集成光学陀螺闭环检测装置中，激光器与Y波导连接，Y波导两侧加有集成光学相位调制器，调制后的光信号经过环形波导谐振腔，在谐振腔内分别沿着顺时针与逆时针进行传输，经两个输出端口后依次经过连接的光电探测器，前向放大器和模数转换器，进入数字信号处理过程：顺时针光路经过解调部分分成两路，其中一路光后续连接集成光学相位调制系数跟踪控制器，另一路光后续连接角速度跟踪环路控制器，这两部分共同反馈给集成光学相位调制器；逆时针光路连接激光锁频环路控制器，反馈到激光器。

3.如权利要求1所述的基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，所述的多态波调制信号由基本三角波和为实现调制器系数解调的三角波，两种波形叠加而成，且解调调制器系数三角波的周期是基本三角波的整数倍，因此多态波产生四个状态的频移：在解调调制器系数三角波的上升状态中，基本三角波调制信号上升的时间段为第一状态；下降的时间段为第二状态；在解调调制器系数三角波的下降状态中，基本三角波调制信号上升的时间段为第三状态；下降的时间段为第四状态。

4.如权利要求1所述的基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，所述的环形波导谐振腔输出光强为：

其中，η为光路的总损耗，I₀为激光器输出的光功率，q为环形波导谐振腔的清晰度参数，τ为光在环形波导谐振腔中传输一圈的渡越时间，f为环形波导谐振腔输出的光频率，满足：f＝f₀+Δf+f_T；f₀为谐振腔处于静态时，激光器输出的谐振腔的静态谐振光频；f_T为多态波调制波引起的频移；Δf为角速度跟踪环路控制器输出的误差，表示为Δf＝f_Ω-f_c，即环形波导谐振腔转动得到顺时针逆时针光路产生的谐振频差f_Ω，与角速度跟踪环路控制器产生的角速度跟踪锯齿波的频率f_c形成的频差之差；

其中D是环形波导谐振腔的直径，n是环形波导的折射率，λ是入射光波中心波长，Ω是角速度跟踪环路控制器产生的角速度；

f_c＝k_{fb_AVTL}D_out，其中D_out在角速度闭环跟踪环路中生成的角速度反馈信号；k_{fb_AVTL}为角速度跟踪环路控制器反馈增益的系数；k_{fb_AVTL}＝k_sawk_dak_DC/V_2π；V_2π为集成光学相位调制器2π相位对应的电压；k_saw为产生数字反馈锯齿波的数字增益，k_da为模数转换器的数模转换增益，其中k_DC为驱动放大电路的增益。

5.如权利要求1所述的基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，所述的电信号同步解调的具体过程如下：

首先，计算多态波调制信号的四个状态下，顺时针光路谐振腔分别输出的光强之差；

第一状态和第二状态下光强I₁和I₂之差G_P，计算公式为：

第三状态和第四状态下光强I₃和I₄之差G_N；计算公式为：

k_forw为光电探测器、前向放大器和模数转换器三部分的增益；f_b为基本三角波调制信号的等效方波移频；f_d为解调调制器系数三角波正负半周期所对应的方波移频：f_d＝k_{fb_ AVTL}D_d；D_d为常数；

然后，利用光强之差计算同步解调结果，具体计算公式为：

输出给集成光学相位调制系数跟踪控制器的解调结果G_g为：

G_g＝G_P+G_N＝(K_b+ΔK_b)cos2πΔfτ×sin2πf_dτ≈(K_b+ΔK_b)sin2πf_dτ

K_b为关于基本三角波调制信号等效方波移频的函数：

Δk_b为Δf所带来的增益波动量；

输出给角速度跟踪环路控制器的解调结果G_Ω，计算公式为：

G_Ω＝G_P-G_N＝(K_b+ΔK_b)cos2πf_dτ×sin2πΔfτ

由此可知，解调结果G_g是关于频差f_d的函数，f_d＝k_{fb_AVTL}D_d，D_d为常数，G_g直接反应角速度跟踪环路控制器反馈增益系数k_{fb_AVTL}的实时变化。

6.如权利要求1所述的基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，所述的解调结果G_g滤除噪声后得到环路增益变化D_g，通过数字低通滤波器进行滤波后，与常温时环路增益的初始状态D_{g_std}作差，得到环路增益漂移量δD_g作为环路增益控制器的闭环误差，通过角速度闭环跟踪环路控制器输出的增益补偿量Δk_g；Δk_g的绝对值远远小于1，

1+Δk_g可表示反馈增益系数k_{fb_AVTL}随温度的变化，因此k_{fb_AVTL}/(1+Δk_g)≈k_{fb_AVTL}k_g可保证角速度跟踪环路增益不随温度变化，进而实现集成光学陀螺标度因子恒定。

7.如权利要求1所述的基于新型调制的集成光学陀螺闭环反馈系数实时跟踪方法，其特征在于，所述集成光学陀螺标度因数补偿，是指将所得到的k_g＝1-Δk_g与角速度跟踪反馈数字锯齿波以及多态调制波中的所有数据相乘，因此公式如下：

N_DAC是数模转换器的位数，V_DAC是数模转换器的参考电压。

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