CN1945209B - 一种抑制光纤陀螺交叉干扰的组合调制及解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪及抑制交叉干扰的组合调制及解调方法，系统上电后，由中心处理器首先按时间顺序顺次产生四个不同状态的电压值，然后经D/A转换后输出至信号调理电路进行放大处理，放大后的信号用于驱动Y波导对光相位进行调制获得两束光之间的相位差；由光电检测电路实时检测到的光功率信息经A/D转换后输出至中心处理器；中心处理器对接收的所述实时光功率信息和四个不同状态的电压值进行解调处理得到转动状态下的Sagnac相位差的第一组信息P(ΔφR1)和2π电压偏离准确值的零偏Bs误差信息的第二组信息P(ΔφR2)；并将这两个信号作为闭环回路的反馈信号，第一组信息P(ΔφR1)用于补偿光纤陀螺的转速产生的相位差，第二组信息P(ΔφR2)用于控制2π电压的幅值，达到实时精确控制2π电压的目的。
Description
技术领域
本发明涉及干涉型光纤陀螺的一种调制解调方法，更具体地说，是指一种同时对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪及抑制交叉干扰的组合调制及解调方法。
背景技术
干涉型光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，其硬件包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和信号处理装置6组成(请参见图1所示)。所述的信号处理装置6包括用于检测探测器5输出的光功率信号的检测电路61、A/D转换器62、中心处理器63、D/A转换器64和放大调理电路65组成(请参见图2所示)。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环4中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。
目前一般对干涉型光纤陀螺采用闭环反馈的控制方式把总的非互易相位差控制在零位。反馈通过给Y波导3施加电压实现，因Y波导3的外加电压与其对光的相位调制成正比，其比例系数体现为2π电压与2π相位的比值，因而只有提供准确的2π电压才能保证Y波导3反馈回的光相位差的准确性。从而有效地提高干涉型光纤陀螺输出的测量值的精确度。
目前采用的调制方式有方波调制、随机调制、四态调制等，但是方波调制会对光电探测器(PIN)引入交叉干扰，而且不能对2π电压进行实时跟踪调整；而随机调制，该调制方式可以抑制对Pin引入的交叉干扰，仍无法对2π电压进行实时跟踪调整；而四态调制(关于四态调制及解调方法，请参见2006年5月19日申请的，申请号200610080857.4公开的相关内容)，该调制方式可以对2π电压进行实时跟踪调整，但无法抑制调制电压对Pin引入的交叉干扰。
发明内容
本发明的目的是提出一种同时对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪及抑制交叉干扰的组合调制及解调方法，该方法通过对中心处理器63输出的一个表征2π电压的误差信息P(ΔφR)2作为Y波导3的反馈信息，然后通过一个反馈回路将所述误差信息P(ΔφR)2精确控制在零位。由于所述误差信息P(ΔφR)2经两个渡越时间τ就能产生一次，其不受2π电压复位的影响，故能够及时准确地调整2π电压，从而有效地提高了光纤陀螺输出测量值的精确度；同时，该方法使调制信号的频率分量避开陀螺的本征频率fp，以抑制交叉干扰，提高陀螺零偏Bs的准确性。
本发明是一种同时对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪及抑制交叉干扰的组合调制及解调方法，有如下步骤：系统上电后，由中心处理器首先按时间顺序顺次产生第一电压状态V1、第二种电压状态V2、第三种电压状态V3和第四种电压状态V4的电压值，每种状态的持续时间Tn(n＝1，2，3，4)为一个渡越时间τ；然后，
将上述产生的第一电压状态V1、第二种电压状态V2、第三种电压状态V3和第四种电压状态V4的电压值进行D/A转换器转换后输出至信号调理电路进行放大处理；然后，
将上述放大后的信号用以驱动Y波导对光相位进行调制获得两束光之间的相位差顺序为第一状态相位差Δφ1、第二状态相位差Δφ2、第三状态相位差Δφ3、第四状态相位差Δφ4；
系统上电后，由光电检测电路实时检测到的光功率信息经A/D转换器转换后输出至中心处理器；然后，
中心处理器对接收的所述实时光功率信息和所述第一状态相位差Δφ1、第二状态相位差Δφ2、第三状态相位差Δφ3、第四状态相位差Δφ4进行解调处理得到转动状态下的Sagnac相位差的第一组信息P(ΔφR1)和2π电压偏离准确值的零偏Bs误差信息的第二组信息P(ΔφR2)；并将这两个信号作为闭环回路的反馈信号，第一组信息P(ΔφR1)用于补偿光纤陀螺的转速产生的相位差，第二组信息P(ΔφR2)用于控制2π电压的幅值，达到实时精确控制2π电压的目的。
所述的同时对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪及抑制交叉干扰的组合调制及解调方法，其中心处理器中的四种状态电压值产生的时间间隔为一个τ，τ表示光纤陀螺中光纤环的渡越时间。
所述的对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪的四态调制及解调方法，其光纤环中两束光干涉后干涉输出的光功率与相位差的关系为P＝P0(1+cosΔφn)，且不同状态下的余弦函数相等；式中，P表示干涉后的输出光功率，P0表示干涉前两束光的光功率，Δφn表示实时采集的相位差，n表示不同段的四个时间。
本发明组合调制及解调方法的优点在于：(1)由于采用组合调制，使光纤陀螺每经过两个周期就能产生一个2π电压的误差值，用于2π电压的调整，调整速度快，实时性高；(2)采用组合调制，使调制信号的频率分量避开陀螺的本征频率fp，以抑制交叉干扰，提高陀螺零偏的准确性。(3)采用组合调制，使光纤陀螺工作于四种状态，经光电探测器(PIN)检测出的四个相关信息，可由信号处理中心同时解调出陀螺转速的误差和2π电压偏离准确值的误差信号且互不干扰。
附图说明
图1是光纤陀螺的结构框图。
图2是光纤陀螺的信号处理装置的结构框图。
图3是组合调制的调制波形图。
图3A是±3π/4，±5π/4组合调制电压波形。
图3B是±3π/4，±5π/4组合调制电压波形频谱分析。
图4A是DSP处理器电路原理图。
图4B是FPGA处理器电路原理图。
图4C是检测电路和A/D转换电路原理图。
图4D是D/A转换和放大调理电路原理图。
图中： 1.光源 2.耦合器 3.Y波导 4.光纤环5.探测器 6.信号处理装置 61.检测电路 62.A/D转换器 63.中心处理器64.D/A转换器 65.放大调理电路
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1、图2所示，干涉型光纤陀螺的光源1发出的光入射到耦合器2中，经耦合器2分出两束光，其中一束光通过Y波导3再分成两束光分别入射到光纤环4的两端，两束光分别绕光纤环4一圈后再通过Y波导3合成一束光进行干涉，然后通过耦合器2入射到探测器5中，经探测器5转换后的表征光功率的电信号输出给信号处理装置6，信号处理装置6输出调制信号给Y波导3。由于Y波导3具有相位调制的作用，在其上所加的电压的大小与其对光相位的延迟的大小成正比，即φn＝kVn，φn表示光相位的延迟，k表示Y波导的调制系数，Vn表示加载在Y波导的电压。在本发明中利用这个特性，光纤陀螺上电后，中心处理器63首先按时间顺序顺次产生四种状态电压值，即第一电压状态V1、第二种电压状态V2、第三种电压状态V3和第四种电压状态V4，中心处理器63中的状态电压值产生时间间隔为一个τ，其中τ表示光纤陀螺中光纤环的渡越时间。并将此四种状态电压值进行D/A转换器64转换后输出至信号调理电路65进行放大处理，最后将此放大信号用以驱动Y波导3对光相位进行调制获得两束光之间的相位差顺序为第一状态相位差Δφ1、第二状态相位差Δφ2、第三状态相位差Δφ3、第四状态相位差Δφ4。采用本发明的组合调制后的相位差波形如图3所示，图中横坐标为时间t，纵坐标为相位，图中波形表示一个周期的四态调制信号，信号周期为4τ，在第一个1/2调制周期里为相位差Δφ1、在第二个1/2调制周期里为相位差Δφ2＝2π-Δφ1、在第三个1/2调制周期里为相位差Δφ3＝-Δφ2、在第四个1/2调制周期里为相位差Δφ4＝-Δφ1。两束光干涉后干涉输出的光功率与相位差的关系为P＝P0(1+cosΔφn)，且不同状态下的余弦函数相等，式中，P表示干涉后的输出光功率，P0表示干涉前两束光的光功率，Δφn表示实时采集的相位差，n表示不同段的四个时间。经光电检测电路实时检测的光功率信息经A/D转换器62转换后输出至中心处理器63进行解调处理得到光纤陀螺两组补偿信息，第一组信息P(ΔφR1)表示转动状态下的Sagnac相位差、第二组信息P(ΔφR2)表示2π电压偏离准确值的零偏Bs误差信息，然后分别用这两个信号作为闭环回路的反馈信号，第一组信息P(ΔφR1)用于补偿光纤陀螺的转速产生的相位差，第二组信息P(ΔφR2)用于控制2π电压的幅值，达到实时精确控制2π电压的目的。
在本发明中，第一组信息P(ΔφR1)＝P(Δφ1)-P(Δφ2)＝P(Δφ3)-P(Δφ4)，第二组信息P(ΔφR2)＝(P(Δφ1)+P(Δφ4))-(P(Δφ2)+P(Δφ3))，其中，
P(Δφ1)＝P0(1+cos(ΔφR+Δφ1))
P(Δφ2)＝P0(1+cos(ΔφR+Δφ2))
P(Δφ3)＝P0(1+cos(ΔφR+Δφ3))
P(Δφ4)＝P0(1+cos(ΔφR+Δφ4))
本发明是一种同时对光纤陀螺2π电压进行自动跟踪及抑制交叉干扰的组合调制及解调方法，该方法通过光在光纤陀螺中由于光纤陀螺自身转动引起的非互易相移可以使得两束光干涉时有一定的相位差ΔφR，使得光电探测器5探测到的光功率P(ΔφR1)与相位差ΔφR1满足：P(ΔφR1)＝P0(1+cosΔφR)，式中，P0表示当两束光相位差为零时的干涉光功率。
试验陀螺的本征频率fp为200kHz，而调制电压往往包含该频率分量，该频率分量所具有能量的大小将决定对陀螺信号引入的交叉干扰信号的大小。本发明中的组合调制电压波形(参见图3A所示)把主要能量避开陀螺的本征频率，以抑制其引起的交叉干扰。从组合调制电压波形图3A的频谱分析图3B中可以看出：组合调制信号的基频为100kHz，其主要频率分量在基频上，在解调频率(200kHz)上的FFT系数为0.27，远小于前面三种调制方式，可以有效抑制交叉干扰。四种调制方案在各频率点处的FFT系数比较见表1。
表1 四种调制方案的FFT系数比较
| 调制方式 | 频率kHz | |||||||||
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | |
| 方波随机四态组合 | 01.701.7 | 0.920.540.630.27 | 00.4000.40 | 000.130 | 00.3400.34 | 0.310.210.140.11 | 00.2500.25 | 0000 | 00.1400.14 | 0.180.060.120.03 |
经上表中的测试参数对比得到，中心处理器63解调处理得到转动状态下的第二组信息P(ΔφR2)中偏离准确值的零偏Bs误差信息的零偏Bs误差正比于调制电压在本征频率fp上引入的交叉干拢大小相关。具体表现为电压波形的频谱分析中本征频率fp上的FFT系数的大小。
由于Y波导3能够改变光纤环4中传播的光的相位，通过本发明的方法可以通过Y波导3把调制信号加载在光纤环4中传播的两束光上，设光纤陀螺工作时的偏置相位φb，其与光功率P(ΔφR)和相位差ΔφR满足：P(ΔφR)＝P0[1+cos(ΔφR+φb)]，式中，φb表示光纤陀螺工作时的相位偏置。
适用于本发明光纤陀螺的部分电路结构原理图如下所述：
检测电路61包括隔直滤波和两级放大电路，由两片运放OPA627芯片加一个分压电路组成。由于光纤陀螺的输出信号极其微弱，而光电探测器5输出信号中又存在一个几百毫伏左右的直流偏置量，因此在本发明中采用阻容耦合的方法，使前级输出信号中的直流分量不至于耦合到下一级。各端子的连接如图4C所示，光纤探测器5输出的光强电压信号端与前放电路的运算放大器NO1的2端连接，运算放大器NO1的输出端与运算放大器NO2的输入端连接，运算放大器NO2的6端与分压电路连接，分压电路的输出端连接到AD转换器。
AD转换器62为TLV1571芯片，分别与检测电路61和中心处理器63连接，A/D转换电路D0的23端与检测电路61中分压电路的输出端连接，A/D转换器D0的读端、写端、时钟端、进位端分别与FPGA的读端、写端、时钟端、进位端连接，A/D转换器D0的10位数据输出端与FPGA处理电路D2的10位数据输入端连接。
中心处理器由FPGA和DSP组成，FPGA选取EGF10K10TC144芯片，DSP选取TMS320F206芯片，各端子的连接如图4B所示，FPGA处理电路D2的16位双向数据端与DSP处理电路D1的16位双向数据端连接，FPGA处理电路D2的16位地址输入端与DSP处理电路D1的16位地址输出端连接，FPGA处理电路D2的控制输入端与DSP处理电路D1的控制输出端连接，FPGA处理电路D2的12位数据输出端与四态调制波形发生电路D3的12位数据输入端连接，FPGA处理电路D2的片选端、写输入端与数字阶梯波发生电路D3的片选端、写输入端连接，FPGA处理电路D2的数字信号输出端与模拟输出电路的D/A转换电路D4的数字输入端连接。各端子的连接如图4A所示，DSP处理电路D1的16位双向数据端与FPGA处理电路D2的16位双向数据端连接，FPGA处理电路D2的16位地址输入端与DSP处理电路D1的16位地址输出端连接，FPGA处理电路D2的控制输入端与DSP处理电路D1的控制输出端连接。DSP处理电路与FPGA处理电路和连接实现数据、地址的传输。
D/A转换器64和放大调理电路65由D/A转换DAC7545芯片和运放OPA627芯片组成。各端子的连接如图4D所示，FPGA处理电路D2的12位数据输出端与数字阶梯波发生电路D3的12位数据输入端连接，FPGA处理电路D2的片选端、写输入端与四态调制波形发生电路D3的片选端、写输入端连接。FPGA处理电路D2的数字信号输出端与模拟输出电路的D/A转换电路D4的数字输入端连接，D/A转换电路D4的模拟信号输出端1与两级放大电路中的放大电路NO6的模拟信号输入端3连接。
Claims (1)
1.一种抑制光纤陀螺交叉干扰的组合调制及解调方法，其特征在于：系统上电后，由中心处理器(63)首先按时间顺序顺次产生第一电压状态V1、第二种电压状态V2、第三种电压状态V3和第四种电压状态V4的电压值，每种状态的持续时间Tn(n＝1，2，3，4)为一个τ，τ表示光纤陀螺中光纤环(4)的渡越时间；然后，
将上述产生的第一电压状态V1、第二种电压状态V2、第三种电压状态V3和第四种电压状态V4的电压值进行D/A转换器(64)转换后输出至信号调理电路(65)进行放大处理；然后，
将上述放大后的信号用以驱动Y波导(3)对光相位进行调制获得两束光之间的相位差顺序为第一状态相位差Δφ1、第二状态相位差Δφ2、第三状态相位差Δφ3、第四状态相位差Δφ4；
系统上电后，由光电检测电路(61)实时检测到的光功率信息经A/D转换器(62)转换后输出至中心处理器(63)；然后，
中心处理器(63)对接收的所述实时光功率信息和所述第一状态相位差Δφ1、第二状态相位差Δφ2、第三状态相位差Δφ3、第四状态相位差Δφ4进行解调处理得到转动状态下的Sagnac相位差的第一组信息P(ΔφR1)和2π电压偏离准确值的零偏Bs误差信息的第二组信息P(ΔφR2)；并将这两个信号作为闭环回路的反馈信号，第一组信息P(ΔφR1)用于补偿光纤陀螺的转速产生的相位差，第二组信息P(ΔφR2)用于控制2π电压的幅值，达到实时精确控制2π电压的目的；
所述的中心处理器(63)中的四种状态电压值产生的时间间隔为一个τ，τ表示光纤陀螺中光纤环(4)的渡越时间；
所述的光纤环(4)中两束光干涉后干涉输出的光功率与相位差的关系为P＝P0(1+cosΔφn)，且不同状态下的余弦函数相等；式中，P表示干涉后的输出光功率，P0表示干涉前两束光的光功率，Δφn表示实时采集的相位差，n表示不同段的四个时间；
所述的第二组信息P(ΔφR2)的零偏Bs误差信息正比于电压波形的频谱分析中本征频率fp上的FFT系数。
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