一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法技术

本发明专利技术一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明专利技术通过对逻辑软件的更改，实现了一种干涉式闭环光纤陀螺调制波形，其特点是包含有六个调制状态，六个调制状态的相位值分别为2π‑5b/2、‑3b/2、‑5b/2、‑3b/2、2π‑5b/2、2π‑3b/2，其中b为相应的调制深度。该发明专利技术在不更改硬件的条件下，仅通过对逻辑语言的更改，不仅可实现对集成光学调制器2π复位误差的实时监控，还可大幅度降低调制波形频域的奇次谐波分量，避免在调制过程中引入测量误差，可进一步提高光纤陀螺标度因数的线性度。

A Modulation Method for Interferometric Closed-Loop Fiber Optic Gyroscope

The invention provides an interferometric closed-loop fiber optic gyroscope modulation method, which belongs to the technical field of fiber optic gyroscope. The invention realizes a modulation waveform of an interferometric closed-loop fiber optic gyroscope by modifying the logic software. The waveform is characterized by six modulation states. The phase values of the six modulation states are 2 pi 5b/2, 3b/2, 5b/2, 3b/2, 2 pi 5b/2, and 2 pi 3b/2, in which B is the corresponding modulation depth. Without changing the hardware, the invention can not only monitor the 2 pi reset error of the integrated optical modulator in real time by changing the logic language, but also reduce the odd harmonic component of the modulation waveform in frequency domain, avoid introducing measurement error in the modulation process, and further improve the linearity of the scale factor of the FOG.

【技术实现步骤摘要】
一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法
本专利技术一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法属于光纤陀螺
，特别涉及干涉式闭环光纤陀螺的信号调制技术。
技术介绍
光纤陀螺是一种基于sagnac效应的光学旋转传感器，结合相应的调制解调技术，可准确测量运动载体的角速率，已经成为被广泛应用的中高精度惯性传感器件。传统的旋转传感器包括机械陀螺仪和激光陀螺仪。相较于机械陀螺仪，光纤陀螺没有高速转动的机械转子，对加速度不敏感，具有体积小、结构简单、寿命长、启动快、性能稳定、工艺简单、精度覆盖面更广等优点。激光陀螺属于第一代光学旋转传感器且性能优良，但是激光陀螺启动时需要极高的电压、对光学加工的精密度要求极高且需要全真空的腔体环境，另外激光陀螺不可避免地存在自锁效应，需要外加机械抖动装置来克服自锁，导致其功耗非常大，装配工艺复杂。随着低损耗传输光纤的问世，光纤陀螺应运而生，其特点是光纤本身可作为光信号的传输通道，易于实现小型化、低成本、高精度且无自锁效应。目前，光纤陀螺已广泛应用于飞行器、制导武器及石油钻井等领域。干涉式闭环光纤陀螺是中高精度领域最成熟也是使用最多的一种光纤陀螺。干涉式闭环光纤陀螺的信号处理方法与传感器本身一样重要，都是实现高精度角速率传感的保障。干涉式闭环光纤陀螺信号处理的核心部件是数字信号处理模块6，实现的主要功能是对旋转信号的调制与解调。数字信号处理模块6产生调制波形并施加在集成光学调制器9上对干涉光信号产生调制，经过调制后的信号具有检测灵敏度高、标度因数线性度好等优点。干涉式闭环光纤陀螺调制波形的设计一般需要考虑以下两个方面：1、要求调制波形能够实时监控集成光学调制器9的2π复位误差，以便快速应对集成光学调制器9半波电压随温度变化而变化的情况，半波电压是指施加在集成光学调制器9上，使在光纤环10中反向传输的两束光产生π相移所需的电压。这就要求调制波形包含有四种调制状态：b，2π-b，-b，-2π+b，其中b是调制深度，π是集成光学调制器9上半波电压对应的相位差，满足这个条件的调制波形可实现对集成光学调制器9的2π复位误差的实时监控与修正，有效避免半波电压随温度变化而带来的测量误差。2、要求调制过程中尽量避免引入与旋转信号同频的误差信号。干涉式闭环光纤陀螺检测的旋转信号是周期为2τ的方波信号，其中τ为光纤环的渡越时间。该旋转信号频域包含一系列的奇次谐波，所以任何同频的奇次谐波分量都会成为旋转信号检测的误差量。调制信号本身以及调制后的PINFET信号是此类干扰误差的两个主要来源，所以要求调制信号及调制后PINFET信号尽可能抑制其奇次谐波分量。传统用于干涉式闭环光纤陀螺的调制波形是周期为2τ的方波，也是目前使用最多的一种调制波形。图2给出了方波调制的波形图和PINFET信号。该调制方法的优势在于调制波形简单，调制后的PINFET信号频域没有奇次谐波分量。但是方波频域却包含大量与旋转信号同频的奇次谐波分量，会引入测量误差。另外方波只有两个调制状态，需要对复位前后的信号大小进行比较才能确定2π复位误差量，当陀螺低速旋转没有有效复位时便无法补偿调制增益，产生不可消除的误差，这是方波调制不可避免的缺陷。为了弥补方波调制在2π复位误差调控方面的不足，人们提出了四态调制法。该调制方法具有四个调制状态，每τ/2转换一次调制状态，图3给出了四态调制的波形及相应的PINFET信号。这种调制方法使得PINFET信号在每τ/2的时间就会出现一次尖峰，导致在解调采样过程中有效采样区间变小。同时，四态调制波形频域的奇次谐波分量较大，会引入较大的测量误差。随后人们提出了双斜波调制法，每个调制状态保持时间为τ，图4给出了双斜波调制的波形及相应的PINFET信号。该调制方法弥补了四态调制有效采样区间小的不足、降低了调制波形频域的奇次谐波分量，但是却在PINFET信号频域中引入了奇次谐波分量，对陀螺性能带来不利影响。本专利技术采用更改逻辑语言的方式产生了一种调制波形，其特点是包含有六个调制态，每个调制状态保持时间为τ，可实现对集成光学调制器9的2π复位误差的实时监控，又不影响有效采样区间的大小。同时该调制波形及调制后PINFET信号频域的奇次谐波分量均小于前文所述的三种现有调制方法，引入的旋转误差量最小，可使光纤陀螺性能更优。图5给出了数字信号处理模块6产生的本调制波形及相应的PINFET信号图形。图6、图7、图8、图9分别描述了方波调制、四态调制、双斜波调制和本专利技术调制方法调制波形的频域归一化图，归一化的基准是四态调制波形频域的一次谐波分量值。以上图形对应的调制深度均为π/2。图10、图11、图12、图13分别描述了方波调制、四态调制、双斜波调制和本专利技术调制方法PINFET信号的频域归一化图，归一化的基准是方波调制PINFET信号频域的二次谐波分量值。
技术实现思路
本专利技术的目的：针对目前干涉式闭环光纤陀螺所常用的调制方法，即方波调制、四态调制、双斜波调制存在的不足，比如方波调制无法实时监控集成光学调制器9的2π复位误差而且调制波形频域存在大量奇次谐波分量；四态调制会牺牲有效采样区间并且调制波形频域存在大量奇次谐波分量；双斜波调制使调制波形和PINFET信号的频域存在大量奇次谐波，上述调制方法都会引入大量与旋转信号同频的误差量。本专利技术提出了一种调制波形，该调制波形包含有六个调制状态，可对集成光学调制器9的2π复位误差进行实时监控与修正，同时该调制波形可使PINFET信号频域无奇次谐波分量的同时，将调制波形频域的奇次谐波分量抑制到很小，使电路中由于调制而引入的误差信号降到最低。仿真与实验结果均证明本调制波形频域的奇次谐波分量远低于方波调制、四态调制及双斜波调制等现有调制方法。由图6、图7、图8和图9可知，当调制深度为π/2时，本调制波形频域的一次谐波分量是方波和双斜波的三分之一，是四态调制波形频域一次谐波分量的七分之一。本专利技术所述调制波形的实现无需进行硬件更改，只需修改逻辑语言即可，通过参数设置还可方便地调整光纤陀螺的调制深度，适应不同的应用需求。本专利技术的技术方案：一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，基于干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路而实现，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路、反馈驱动电路；所述光路部分：其功能是在光纤环10中输入相向传播的两束光使其发生干涉，并将这两束光的干涉光强输出；光源1输出一束宽带光，集成光学调制器9将该宽带光分为两束光，这两束光分别进入光纤环10，并在光纤环10中相向传播，这两束光同时敏感旋转角速率；光源1输出的宽带光与从光纤环10中输出的光之间的分离由光耦合器2来实现；所述滤波放大电路：其功能是将从光路部分输出的光信号转换为模拟电信号，再对模拟电信号进行滤波放大后输出；光电转换功能由光电转换器3实现，滤波放大功能由前置放大电路4实现；所述数字信号处理电路：其功能是将滤波放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行调制解调得到数字输出信号与数字反馈信号；A/D转换器5将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理模块6再对该数字信号进行调制解调运算，并将调制解调运算得到的数字输出信号与数字反馈信号输出；所述反馈驱动电路：将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，基于干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路而实现，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路、反馈驱动电路；所述光路部分：其功能是在光纤环(10)中输入相向传播的两束光使其发生干涉，并将这两束光的干涉光强输出；光源(1)输出一束宽带光，集成光学调制器(9)将该宽带光分为两束光，这两束光分别进入光纤环(10)，并在光纤环(10)中相向传播，这两束光同时敏感旋转角速率；光源(1)输出的宽带光与从光纤环(10)中输出的光之间的分离由光耦合器(2)来实现；所述滤波放大电路：其功能是将从光路部分输出的光信号转换为模拟电信号，再对模拟电信号进行滤波放大后输出；光电转换功能由光电转换器(3)实现，滤波放大功能由前置放大电路(4)实现；所述数字信号处理电路：其功能是将滤波放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行调制解调得到数字输出信号与数字反馈信号；A/D转换器(5)将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理模块(6)再对该数字信号进行调制解调运算，并将调制解调运算得到的数字输出信号与数字反馈信号输出；所述反馈驱动电路：将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，对该模拟信号进行增益变换及滤波后输出一路模拟电压信号；D/A转换器(7)将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，驱动电路(8)将该模拟信号放大后输出给光路部分的集成光学调制器(9)，其特征在于，所述方法在上述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路的数字信号处理电路中，用逻辑语言编写代码，并将该代码用下载器烧写进数字信号处理模块(6)中，对输入到光纤环(10)的光信号施加调制波形，以实现对光信号的调制，所述调制波形包含六个调制状态，该六个调制状态的相位值的大小分别为2π‑5b/2、‑3b/2、‑5b/2、‑3b/2、2π‑5b/2、2π‑3b/2，其中b是调制深度，每个调制状态保持的时间为光纤环(10)的渡越时间τ，光纤环(10)的渡越时间是指光在光纤环(10)中传播一周所需的时间，反馈驱动电路将该调制波形施加到光路部分的集成光学调制器(9)上，来实现相应的电路调制功能。...

【技术特征摘要】
1.一种干涉式闭环光纤陀螺调制方法，基于干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路而实现，所述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路包括光路部分、滤波放大电路、数字信号处理电路、反馈驱动电路；所述光路部分：其功能是在光纤环(10)中输入相向传播的两束光使其发生干涉，并将这两束光的干涉光强输出；光源(1)输出一束宽带光，集成光学调制器(9)将该宽带光分为两束光，这两束光分别进入光纤环(10)，并在光纤环(10)中相向传播，这两束光同时敏感旋转角速率；光源(1)输出的宽带光与从光纤环(10)中输出的光之间的分离由光耦合器(2)来实现；所述滤波放大电路：其功能是将从光路部分输出的光信号转换为模拟电信号，再对模拟电信号进行滤波放大后输出；光电转换功能由光电转换器(3)实现，滤波放大功能由前置放大电路(4)实现；所述数字信号处理电路：其功能是将滤波放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行调制解调得到数字输出信号与数字反馈信号；A/D转换器(5)将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理模块(6)再对该数字信号进行调制解调运算，并将调制解调运算得到的数字输出信号与数字反馈信号输出；所述反馈驱动电路：将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，对该模拟信号进行增益变换及滤波后输出一路模拟电压信号；D/A转换器(7)将数字信号处理电路输出的数字反馈信号转换为模拟信号，驱动电路(8)将该模拟信号放大后输出给光路部分的集成光学调制器(9)，其特征在于，所述方法在上述干涉式闭环光纤陀螺数字控制电路的数字信号处理电路中，用逻辑语言编写代码，并将该代码用下载器烧写进数字信号处理模块(6)中，对输入到光纤环(10)的光信号施加调制波形，以实现对光信号的调制，所述调制波形包含六个调制状态，该六个调制状态的相位值的大小分别为2π-5b/2、-3b...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜勇，周原，孙丰元，韩克坚，吕航伟，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61