CN115752416A - 用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，采用低相干光作为探测光源，利用多光束干涉现象检测光纤陀螺转动引起的光强变化信号，即在锯齿波调制信号作用下，通过谐振式光纤陀螺仪中的Y波导对探测光脉冲产生周期性变化频移并获得对应的光电信号，将光电信号与Y波导驱动信号相乘并滤波后得到与角速度存在线性关系的误差信号，实现光纤陀螺转动的检测。利用低相干光的多光束干涉现象检测光纤陀螺转动引起的光强变化信号，使光纤陀螺系统结构显著简化，能够实现对转动信号的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种传感领域的技术，具体是一种用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪。
背景技术
谐振式光纤陀螺仪采用光纤环形谐振腔作为传感单元，通过光在谐振腔中的多次循环往返，理论上可以采用很短的光纤长度实现和干涉式光纤陀螺相同甚至更高的测量精度。现有的谐振式光纤陀螺仪一般采用具有高相干性的窄线宽激光作为探测光，这带来两个问题：高相干激光引起背向散射和反射、偏振态串扰、非线性克尔效应等寄生噪声，严重影响了谐振式光纤陀螺的实际测量精度；基于窄线宽激光光源的谐振式光纤陀螺方案至少需要两路光学锁频系统，以将激光频率分别锁定到光纤环形谐振腔在顺时钟以及逆时针方向的谐振峰上，导致陀螺仪系统结构非常复杂，一直没能实用化。
干涉式光纤陀螺的精度正比于内部光纤的长度；谐振式光纤陀螺理论上能够用较短的光纤长度，达到具有长光纤的干涉式光纤陀螺仪相同的精度，但在现有的实现方案复杂且噪声大、精度低；常规技术手段和现有文献中记载的谐振式光纤陀螺，均采用高相干光源(也称为窄线宽激光光源)作为探测探测光源，采用至少两个(往往需要三个)移频器和反馈锁定控制回路，才能实现对角速度的测量。
发明内容
本发明针对现有技术采用高相干光带来的寄生噪声等缺陷，提出一种用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，利用低相干光的多光束干涉现象检测光纤陀螺转动引起的光强变化信号，使光纤陀螺系统结构显著简化，能够实现对角速度信号的高精度测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，包括：低相干宽带光源、光电探测器、数据处理单元、光环形器、Y波导、光纤环形谐振腔和电路部分，其中：低相干宽带光源发出的光信号输出至光环形器的第一端口并通过第二端口输出至Y波导，Y波导输出两路光调制信号分别至第一和第二光耦合器并分别注入光纤环形谐振腔中相对的两个传输方向；光纤环形谐振腔通过两个光耦合器分别输出的光信号返回至Y波导并通过从光环行器的第三端口输出至光电探测器；数据处理单元产生两路调制信号驱动Y波导的两个调制电极，使Y波导输出的两路光信号分别具有特定周期和大小的频移量；数据处理单元采集光电探测器输出的电压信号，并以驱动Y波导的调制信号作为参考信号，对采集到的电压信号进行同步检波，输出解调信号。
所述的检测是指：采用低相干光作为探测光源，利用多光束干涉现象检测光纤陀螺转动引起的干涉信号，具体为：在Y波导驱动信号作用下，通过谐振式光纤陀螺仪中的Y波导对探测光脉冲产生周期性变化频移并获得对应的光电信号，将光电信号与Y波导驱动信号相乘并滤波后得到与角速度存在线性关系的误差信号，实现光纤陀螺转动的检测。
所述的驱动信号为三角波、锯齿波或正弦波等波形，优选为锯齿波。
所述的检测，包括开环状态和闭环状态两种工作模式，在开环工作状态下，Y波导输出的两路光信号的频移量大小相同、方向相反，解调信号的大小正比于待测角速度的大小，解调信号的符号反映了待测角速度的方向，经过标定后得到输出待测角速度信号；在闭环工作状态下，利用该解调信号作为误差信号，分别控制Y波导对两路输出光信号上产生的频移大小，使得该解调信号维持在0值附近，此时Y波导对两路输出光信号上产生的频移大小的差值即反映了待测角速的大小和方向。
所述的Y波导具有光束的分束与合束、起偏和相位调制功能。
所述的Y波导对光信号的调制是指在Y波导上施加周期性的驱动信号，使光信号产生相应的相位变化，该相位变化对时间的导数即为光信号的频率变化。
在开环工作状态下，所述的与角速度存在线性关系的解调信号满足：Pout＝kΩ,，其中：Pout为输出的解调信号，k为需要标定的比例系数，Ω为待测角速度。
在闭环工作状态下，误差信号维持在0值附近，施加到Y波导两输出路的锯齿波电压信号斜坡部分的变化率分别为V1和V2，则V1+V2＝pΩ,，其中：p为需要标定的比例系数，Ω为待测角速度。
所述的标定具体为：利用精密转台，对待标定光纤陀螺施加一个已知的角速度Ω，测量出此时的解调信号Pout(开环状态)或Y波导两路输入信号的电压变化率V1和V2(闭环状态)，即可根据前式计算得到比例系数k(开环状态)以及p(闭环状态)的大小。
所述的低相干宽带光源优选采用超荧光光纤光源或者超辐射发光二极管等宽谱光源。
所述的数据处理单元包括：模数转换模块和数字运算模块，其中：模数转换模块采集光电探测器输出的电压信号并将其转换为数字信号；数字信号生成模块用于同步解调的参考信号和用于驱动Y波导的调制信号；数模转换模块用于将调制信号转换为摸拟信号以驱动Y波导；数字运算模块利用参考信号实现模数转换得到的数字信号进行同步解调，产生解调信号；在开环状态下该解调信号经标定后即为陀螺仪的输出信号；在闭环工作状态下，利用解调信号控制信号生成模块输出的调制信号的幅度或频率，以分别调整Y波导对两路光信号施加的移频量，最终使得解调信号锁定在零值上。
技术效果
本发明整体解决了现有谐振式陀螺仪中需要使用高相干激光光源和多个锁定反馈回路导致的相干噪声大、光路系统和控制算法复杂、测量精度低的问题以及高相干光源容易造成的后向散射信号、非线性克尔效应等不良影响；相比现有技术，本发明采用低相干光源和光纤环形谐振腔实现的谐振式光纤陀螺，避免了传统谐振式光纤陀螺中采用激光光源造成的相干噪声，提升了测量精度，在实验中利用100米长的光纤环，首次实现了导航级测量精度；在开环工作状态下不需要反馈控制回路，在闭环工作状态下只需要一个反馈控制回路，降低了系统的复杂度和调制器的数量，不仅降低了成本，而且降低了系统的非互易性，能够实现更高的测量精度。
附图说明
图1a为本发明示意图；
图1b为Y波导示意图；
图2为实施例对正弦角速度的测量结果；
图3为实施例静止时的测量结果的阿伦标准差；
图中：1低相干宽带光源、2光电探测器、3数据处理单元、4光环形器、5Y波导、6光纤环、7第一光耦合器、8第二光耦合器。
具体实施方式
如图1a和图1b所示，为本实施例涉及一种实现上述方法的基于低相干光源的谐振式光纤陀螺，包括：低相干宽带光源1、光电探测器2、数据处理单元3、光环形器4、Y波导5、光纤环6、第一光耦合器7和第二光耦合器8，其中：光纤环6、第一光耦合器7和第二光耦合器8构成光纤环形谐振腔，低相干宽带光源1发出的光信号输出至光环形器4的第一端口并通过第二端口输出至Y波导5的输入端口，Y波导5有一个输入端口a和两个输出端口b和c，每个输出端口对应一个相位调制电极，从两个输出端口输出的两路调制后光信号分别连接至第一光耦合器7和第二光耦合器8，并分别注入光纤环6中相对的两个传输方向；光纤环6通过两个光耦合器分别输出的光信号返回至Y波导并通过从光环行器4的第三端口输出至光电探测器2，数据处理单元3产生两路周期性锯齿波调制信号，分别施加到Y波导5的两个输出端口的相位调制电极上，使得通过Y波导5输出的两路光信号各自产生频移，同时数据处理单元3采集光电探测器2输出的电压信号，将光电探测器2输出的电信号与产生的周期性锯齿波调制信号相乘并经低通滤波实现解调。
所述的光纤环形谐振腔中：光纤环6是由一段光纤绕制而成，其两个光纤端口分别与第一光耦合器7端口a和第二光耦合器8的端口a相连，第一光耦合器7的端口c和第二光耦合器8的端口c相连，从而构成一个环形谐振腔；
所述的光纤耦合器7和8均为2×2光纤耦合器，其中端口c到端口d的耦合系数大于90％，优选地耦合系数为98％，端口b留空。
在开环状态下，数据处理单元3产生的两路同周期的锯齿波调制信号，这两路锯齿波斜坡部分的电压变化率大小相等但电压变化速率相反，即V1＝-V2，其中V1是Y波导与第一耦合器相连的光路分支，即电极b上锯齿波电压斜坡部分的电压变化率，V2是Y波导与第二耦合器相连的光路分支，即电极c上锯齿波电压斜坡部分的电压变化率，解调信号经标定后为陀螺仪的输出信号。
在闭环工作状态下，根据解调信号，实时调整控制数据处理单元产生的两路周期性锯齿波调制信号的斜坡部分电压变化率V1和V2，以对两路光信号施加不同的移频量，使得解调信号锁定在零值上，完成闭环锁定控制。
优选地，锯齿波调制信号的重复频率为21kHz，在开环工作状态下，峰-峰值等于Y波导中相位调制器半波电压的2倍。
优选地，所述的低相干宽带光源1为基于掺铒光纤的超荧光光源。
优选地，所述的光电探测器2具有可调谐的增益与带宽。
所述的Y波导5为基于铌酸锂的Y波导调制器，该Y波导具有光束的分束与合束、起偏和相位调制功能。
所述的Y波导5在数据处理单元3产生的锯齿波调制信号作用下对探测光脉冲产生周期性变化频移，同时记录光电探测器输出的电信号，在数字处理中，将光电探测器输出的信号与Y波导驱动信号相乘，然后进行低通滤波得到输出信号。
优选地，所述的数据处理单元3包括：现场可编程逻辑门阵列模块、模数转换器以及数模转换器。
本实施例采用高精度旋转台对此谐振式光纤陀螺施加呈正弦规律变化的角速度信号(频率为0.01Hz，幅度为10°/h)，测试结果如图2所示，可以看到恢复良好的正弦信号。
对此谐振式光纤陀螺进行静止测试，在开环状态下采集了35000秒的输出，采样率为每秒1个点，计算其阿伦标准差如图3所示，可以读出此谐振式光纤陀螺的随机角游走噪声为
零偏不稳定性为0.009°/h，达到了导航级精度。
与现有技术相比，本实施例基于宽带光源的谐振式光纤陀螺，达到了导航级的测试精度，高于现有的基于窄线宽激光的谐振式光纤陀螺，且其系统复杂度和成本显著降低，易于实用化。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征在于，包括：低相干宽带光源、光电探测器、数据处理单元、光环形器、Y波导、光纤环形谐振腔和电路部分，其中：低相干宽带光源发出的光信号输出至光环形器的第一端口并通过第二端口输出至Y波导，Y波导输出两路光调制信号分别至第一和第二光耦合器并分别注入光纤环形谐振腔中相对的两个传输方向；光纤环形谐振腔通过两个光耦合器分别输出的光信号返回至Y波导并通过从光环行器的第三端口输出至光电探测器；数据处理单元产生两路调制信号驱动Y波导的两个调制电极，使Y波导输出的两路光信号分别具有特定周期和大小的频移量；数据处理单元采集光电探测器输出的电压信号，并以驱动Y波导的调制信号作为参考信号，对采集到的电压信号进行同步检波，输出解调信号；
所述的检测是指：采用低相干光作为探测光源，利用多光束干涉现象检测谐振式光纤陀螺转动引起的光强变化信号。
2.根据权利要求1所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的检测是指：在Y波导驱动信号作用下，通过谐振式光纤陀螺仪中的Y波导对探测光脉冲产生周期性变化频移并获得对应的光电信号，将光电信号与Y波导驱动信号相乘并滤波后得到与角速度存在线性关系的误差信号，实现光纤陀螺转动的检测。
3.根据权利要求2所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的驱动信号为三角波、锯齿波或正弦波。
4.根据权利要求1～3中任一所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的检测，包括开环状态和闭环状态两种工作模式，在开环工作状态下，Y波导输出的两路光信号的频移量大小相同、方向相反，解调信号的大小正比于待测角速度的大小，解调信号的符号反映了待测角速度的方向，经过标定后得到输出待测角速度信号；在闭环工作状态下，利用该解调信号作为误差信号，分别控制Y波导对两路输出光信号上产生的频移大小，使得该解调信号维持在0值附近，此时Y波导对两路输出光信号上产生的频移大小的差值即反映了待测角速的大小和方向。
5.根据权利要求2所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的与角速度存在线性关系的误差信号是指：在开环工作状态下，所述的与角速度存在线性关系的解调信号满足：Pout＝kΩ,，其中：Pou为输出的解调信号，k为需要标定的比例系数，Ω为待测角速度；在闭环工作状态下，误差信号维持在0值附近，施加到Y波导两输出路的锯齿波电压信号斜坡部分的变化率分别为V1和V2，则V1+V2＝pΩ,，其中：p为需要标定的比例系数，Ω为待测角速度。
6.根据权利要求5所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的标定具体为：利用精密转台，对待标定光纤陀螺施加一个已知的角速度Ω，测量出此时的解调信号Pout或Y波导两路输入信号的电压变化率V1和V2，即可根据前式计算得到比例系数k以及p的大小。
7.根据权利要求2所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的低相干宽带光源采用超荧光光纤光源或者超辐射发光二极管等宽谱光源。
8.根据权利要求2所述的用于检测角速度信号的谐振式光纤陀螺仪，其特征是，所述的数据处理单元包括：模数转换模块、数模转换模块、数字信号生成模块和数字运算模块，其中：模数转换模块采集光电探测器输出的电压信号并将其转换为数字信号；数字信号生成模块用于同步解调的参考信号和用于驱动Y波导的调制信号；数模转换模块用于将调制信号转换为摸拟信号以驱动Y波导；数字运算模块利用参考信号实现模数转换得到的数字信号进行同步解调，产生解调信号；在开环状态下该解调信号经标定后即为陀螺仪的输出信号；在闭环工作状态下，利用解调信号控制信号生成模块输出的调制信号的幅度或频率，以分别调整Y波导对两路光信号施加的移频量，最终使得解调信号锁定在零值上。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116026306A (zh) * | 2023-03-30 | 2023-04-28 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法 |
| CN117570954A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-20 | 中北大学 | 一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法 |
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| CN117570954A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-20 | 中北大学 | 一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法 |
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