CN116045948A - 实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，包括如下步骤：光源输出的光经耦合器到达Y波导后，分为两束光在光纤环圈内相向传输后，返回到Y波导形成干涉光，干涉光再经过耦合器进入光电探测器，经数字解调与积分电路解调得到陀螺输出，再生成数字阶梯波与方波偏置调制信号
同步叠加施加到Y波导，同时数字解调与积分电路控制压控振荡器使方波偏置调制信号的调制周期
始终等于光纤陀螺渡越时间
。本发明提供的方法及系统使光纤陀螺一直工作在偏置相位
附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统。
背景技术
全数字闭环调制/解调处理电路构成了光纤陀螺的最核心部件，从光源发出的光经耦合器进入Y波导，Y波导的输出尾纤与光纤环圈的两端熔接，光在光纤环圈中沿相反方向传播，然后又回到Y波导发生干涉，干涉光波再次经过耦合器，并经耦合器，然后到达光电探测器，经光电探测器组件转换为模拟电压信号并进行适滤波、放大，然后被A/D转换器采样和量化，转换为数字量，经过数字解调和一次数字积分，就可以得到相位误差信号，相位误差信号经过数字积分，一方面作为陀螺输出，另一方面反馈给Y波导用于闭环反馈的相位补偿信号。
在光纤陀螺的调制解调时，前向通道和后向通道的增益都会随着温度、时间发生漂移。前向通道的增益误差主要包括光电探测器的光电转换系数和前置放大器的放大倍数等电路参数的变化。后向通道（反馈回路）的增益误差主要源自于Y波导半波电压、后置放大器增益和D/A转换器参考电压等的变化，反馈回路增益误差的变化导致光纤陀螺的复位产生误差。
光纤陀螺的本征频率是导航级（中精度）、精密级（高精度）和基准级（甚高精度）光纤陀螺工作所需的重要参数，通过使偏置调制工作在本征频率上，可以有效消除各种误差，但是调制频率偏离本征频率将导致陀螺输出噪声和漂移增加，死区和标度因数误差增大，使光纤陀螺不能适合于高精度应用。
跟踪本征频率的简单方法是检测传感线圈的温度，本征频率的温度相关性通常是线性的和可预期的。利用这种温度相关性对陀螺的调制频率进行连续调节，直至调制频率与线圈温度预测的本征频率一致。但是这种非直接的跟踪频率方法具有很大的局限性，局限性体现在以下几个方面：
1）需要在陀螺运行之前精确标定本征频率与线圈温度的相关性；
2）标定的精度和重复性可能不足以确保所需的偏置性能；
3）除温度外还有一些参数如大气压力、恒定加速度或环境应力等也会改变本征频率，降低温度补偿的效果。
对于工作在宽温度范围的中精度（导航级）光纤陀螺来说，可以采用非直接测量本征频率的方法，也即由线圈的温度测量来估算本征频率，修正系数由修正查表获得。但是上述硬件或软件的温补方法精度有限，通常不能满足更高精度的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，通过施加方波调制信号，并对光纤陀螺的本征频率进行跟踪，既可以实现解调陀螺转速信号及增益变化误差，又可以实现陀螺本征频率的准确跟踪，从而使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其包括如下步骤：
S1：光源输出的光经耦合器到达Y波导后，分为两束光在光纤环圈内相向传输，再返回到Y波导形成干涉光，干涉光再经过耦合器进入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电压信号后并进行滤波放大，然后被A/D转换器采样和量化，转换为数字量，经数字解调与积分电路解调并一次数字积分，得到陀螺输出角速度，然后数字解调与积分电路再将陀螺输出角速度进行二次积分生成数字阶梯波；
S2：数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波施加到Y波导，方波偏置调制信号为式（1）；
其中：为调制深度，满足，为方波偏置调制波形的调制周期，为偏置相位；
S3：当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期小于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号减小，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率减小，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间，当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期大于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号增大，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率增大，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间。
进一步，步骤S2中数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波后，经过功放放大后再施加到Y波导。
一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，用以执行上述任一项所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其包括光源、耦合器、Y波导、光纤环圈、光电探测器、前置放大器、AD转换器、数字解调与积分电路、DA转换器及压控振荡器，光源的输出端与耦合器的输入端耦合连接，耦合器的输出端与Y波导的输入端耦合连接，Y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光电探测器的输入端与耦合器的探测端耦合连接，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与数字解调与积分电路的输入端连接，数字解调与积分电路的输出端与DA转换器的输入端连接，DA转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字解调与积分电路的控制端与压控振荡器的输入端连接。
进一步，DA转换器与Y波导之间连接有后置放大器。
发明的有益效果：
本发明提供的实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，通过施加方波调制信号，并对光纤陀螺的本征频率进行跟踪，既可以实现解调陀螺转速信号及增益变化误差，又可以实现陀螺本征频率的准确跟踪，从而使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为两态方波（）偏置调制原理图。
图3为本发明方波偏置调制信号的光波相位差信号示意图。
图4为方波偏置调制信号光波相位差信号在探测器上形成的波形示意图。
图5为时光波相位差信号在探测器上形成的输出波形图。
图6为时光波相位差信号在探测器上形成的输出波形图。
图中：1.光源，2.耦合器，3.Y波导，4.光纤环圈，5.光电探测器，6.前置放大器，7.AD转换器，8.压控振荡器,9.数字解调与积分电路，10.DA转换器，11.后置放大器。
具体实施方式
一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其包括如下步骤：
S1：光源输出的光经耦合器到达Y波导后，分为两束光在光纤环圈内相向传输，再返回到Y波导形成干涉光，干涉光再经过耦合器进入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电压信号后并进行滤波放大，然后被A/D转换器采样和量化，转换为数字量，经数字解调与积分电路解调并一次数字积分，得到陀螺输出角速度，然后数字解调与积分电路再将陀螺输出角速度进行二次积分生成数字阶梯波；
S2：数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波施加到Y波导，方波偏置调制信号为式（1）；
其中：为调制深度，满足，为方波偏置调制波形的调制周期，为偏置相位；
S3：当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期小于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号减小，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率减小，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间，当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期大于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号增大，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率增大，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间。
根据Sagnac效应，不考虑功率损耗时，当施加方波偏置调制时，干涉式光纤陀螺的干涉输出响应为式（2）：
式中：为Sagnac干涉仪的输出光功率，为旋转引起的Sagnac相移；
光纤环圈的本征频率为，为到达光电探测器经过光电转换后形成的电流信号，为存在光纤陀螺渡越时间的情况下与相对应的另一传播方向的光波产生的调制相移。
以两态方波调制为例，，其偏置调制原理图如图2所示，光纤陀螺静止时，陀螺输出是一条直线；当光纤陀螺旋转时，工作点发生移动，陀螺输出变成一个与调制方波同频的方波信号。在输出信号的每个半周期上进行采样，相邻两个半周期的采样值相减得到的电压信号即可对应为相应的转速信号。
光纤陀螺的闭环反馈回路主要包括三个器件：A/D转换器、数字解调与积分电路和D/A转换器。光电探测器输出的干涉信号经过前置放大，进入A/D转换器转换为数字信号，然后在数字解调与积分电路进行数字解调，得到角速率相位误差信号。角速率相位误差信号经过数字积分，一方面作为陀螺输出，另一方面用于闭环反馈的相位补偿信号，经过二次积分产生数字阶梯波，数字阶梯波的台阶高度正比于旋转速率，数字阶梯波的持续时间等于。该数字阶梯波与方波偏置调制信号在数字逻辑电路中同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号，施加到Y波导的相位调制器上，使光纤线圈的两束反向传播光波之间产生一个相位差，与旋转引起的Sagnac相移大小相等，符号相反，使光纤陀螺实现相位置零：即，从而使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。
当数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号，其产生的光波相位差如式（3）所示：
具体的基于方波偏置调制信号的光波相位差信号如图3所示；光波相位差信号在探测器上形成的波形如图4所示；
由图4可以看出，当陀螺静止时，在解调采样区间上，输出是一条直线，由于方波发生相位跃变，常含间隔为的尖峰脉冲。这些尖峰脉冲有的向上，有的向下，视相位跃变经过0或的点而定。
当，光波相位差信号在探测器上形成的输出波形如图5所示，当时，光波相位差信号在探测器上形成的输出波形如图6所示，二者的尖峰脉冲均被展宽。在图5中，箭头所指的尖峰脉冲是向上的正向展宽脉冲，而在图6中，箭头所指的尖峰脉冲是向下的负向展宽脉冲。这样，就可以通过检测光波相位差信号在探测器上形成的输出波形其尖峰脉冲是正向展宽脉冲还是负向展宽脉冲，来作为频率跟踪误差信号。
当出现图5中所示的正向展宽脉冲信号时，说明此刻由数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的周期小于光纤陀螺渡越时间，此时电路中控制压控振荡器VCO的电压信号减小，对应的数字处理电路中产生的多态偏置调制波形频率减小，周期增大，直至；当出现图6中所示的负向展宽脉冲信号时，说明此刻由数字解调与积分电路的方波偏置调制信号的周期大于光纤陀螺渡越时间，此时电路中控制压控振荡器VCO的电压信号增大，对应的数字处理电路中产生的方波偏置调制信号的频率增大，周期减小，直至，当时，光波相位差信号在探测器上形成的输出波形如图4所示，不存在正、负向展宽脉冲，证明此时方波偏置调制信号的周期等于光纤陀螺渡越时间，压控振荡器电压信号保持不变。
通过数字解调与积分电路中的脉冲检测电路可以来检测方波偏置调制信号相位差的极性，实时调整压控振荡器的电压信号，从而达到本征频率准确跟踪的目的，使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。
进一步，步骤S2中数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波后，经过功放放大后再施加到Y波导，有利于形成闭环反馈。
一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，具体结构示意图如图1所示，其用以执行上述任一项所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环圈4、光电探测器5、前置放大器6、AD转换器7、数字解调与积分电路9、DA转换器10及压控振荡器8，光源的输出端与耦合器的输入端耦合连接，耦合器的输出端与Y波导的输入端耦合连接，Y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光电探测器的输入端与耦合器的探测端耦合连接，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与数字解调与积分电路的输入端连接，数字解调与积分电路的输出端与DA转换器的输入端连接，DA转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字解调与积分电路的控制端与压控振荡器的输入端连接。
进一步，DA转换器与Y波导之间连接有后置放大器11。
综上所述，本发明提出的实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，通过施加方波调制信号，并对光纤陀螺的本征频率进行跟踪，既可以实现解调陀螺转速信号及增益变化误差，又可以实现陀螺本征频率的准确跟踪，从而使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)
1.一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：光源输出的光经耦合器到达Y波导后，分为两束光在光纤环圈内相向传输，再返回到Y波导形成干涉光，干涉光再经过耦合器进入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电压信号后并进行滤波放大，然后被A/D转换器采样和量化，转换为数字量，经数字解调与积分电路解调并一次数字积分，得到陀螺输出角速度，然后数字解调与积分电路再将陀螺输出角速度进行二次积分生成数字阶梯波；
S2：数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波施加到Y波导，方波偏置调制信号为式（1）；
其中：为调制深度，满足，为方波偏置调制波形的调制周期，为偏置相位；
S3：当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期小于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号减小，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率减小，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间，当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期大于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号增大，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率增大，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间。
2.根据权利要求1所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其特征在于：步骤S2中数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经D/A转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波后，经过功放放大后再施加到Y波导。
3.一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，用以执行如权利要求1至2任一项所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其特征在于：包括光源、耦合器、Y波导、光纤环圈、光电探测器、前置放大器、AD转换器、数字解调与积分电路、DA转换器及压控振荡器，光源的输出端与耦合器的输入端耦合连接，耦合器的输出端与Y波导的输入端耦合连接，Y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光电探测器的输入端与耦合器的探测端耦合连接，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与数字解调与积分电路的输入端连接，数字解调与积分电路的输出端与DA转换器的输入端连接，DA转换器的输出端与Y波导的反馈端连接，数字解调与积分电路的控制端与压控振荡器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，其特征在于：所述DA转换器与Y波导之间连接有后置放大器。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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