一种采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置，光纤陀螺一般包括光源（１）、耦合器（２）、Ｙ波导（３）、光纤环（４）、探测器（５）和信号处理电路（６），信号处理电路（６）由前放电路、ＦＰＧＡ处理器、ＤＳＰ处理器、方波调制电路、阶梯波发生电路和电源电路组成，电源电路输出±１５Ｖ、±５Ｖ电压，前放电路接收由所述光电探测器（５）输出的电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经Ａ／Ｄ转换后输出给ＦＰＧＡ处理器，ＦＰＧＡ处理器将采集到的信号进行解调后输出给ＤＳＰ处理器，经ＤＳＰ处理器进行数值滤波后输出给阶梯波发生电路形成阶梯波，方波调制电路接收ＦＰＧＡ处理器输出的控制信号并产生方波信号，方波调制电路输出的方波信号与阶梯波发生电路输出的数字阶梯波高度信号经叠加后驱动Ｙ波导（３）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种减小光纤陀螺振动误差的方法，具体地说，在光纤陀螺中使用一种新的调制方式，调制信号(三倍频信号)的特征为调制信号为占空比1∶1的方波，该方波的频率是光纤陀螺本征频率的三倍，幅值对应调制器的π/2电压。通过使用三倍频的调制信号，能够减小陀螺的环路延时，加快陀螺的闭环速度，减小振动给陀螺控制环路中的误差项的值。
技术介绍
光纤陀螺的振动性能是一项重要的工程应用指标，振动性能的好坏直接影响光纤陀螺的适用场合。光纤陀螺是一种全固态的惯性器件，从原理上分析，抗机械振动是它的重要特征之一，然而闭环检测系统的带宽直接影响了光纤陀螺德振动性能。传统的光纤陀螺调制信号的占空比为1∶1的方波，该方波的频率为光纤环的本征频率，幅值对应调制器π/2电压。这种调制方式具有以下局限性(1)系统延迟时间长，(2)系统的控制带宽窄。提高带宽能够改善光纤陀螺机构振动性能，扩大了光纤陀螺的使用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光纤陀螺信号调制技术，减小光纤陀螺的闭环环路延时，提高光纤陀螺的闭环精度，同时减小光纤陀螺的振动误差的采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置。本专利技术是采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置，光纤陀螺一般包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、探测器和信号处理电路，信号处理电路由前放电路、FPGA处理器、DSP处理器、方波调制电路、阶梯波发生电路和电源电路组成，电源电路输出±15V、±5V电压，前放电路接收由所述光电探测器输出的电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经A/D转换后输出给FPGA处理器，FPGA处理器将采集到的信号进行解调后输出给DSP处理器，经DSP处理器进行数值滤波后输出给阶梯波发生电路形成阶梯波，方波调制电路接收FPGA处理器输出的控制信号并产生方波信号，方波调制电路输出的方波信号与阶梯波发生电路输出的数字阶梯波高度信号经叠加后驱动Y波导。所述的采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置，其方波调制电路输出信号为周期方波，其频率为光纤陀螺特性频率的三倍，幅值为Y波导(3)的π/2电压。所述的采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置，其光源为SLD宽谱超辐射发光二极管，尾纤为保偏光纤；耦合器为保偏耦合器，由保偏光纤熔融而成；Y波导为LiNbO3Y型相位调制器，尾纤为保偏光纤；光纤环由保偏光纤绕制而成，探测器由PIN管和FET组成，尾纤为单模光纤。所述的采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置，其DSP选取TMS320F206芯片，FPGA选取EPF10K10TC144芯片，前放电路由两片运放OPA627芯片加一A/D转换TLV1571芯片组成，方波调制电路由恒压电路和4/8模拟复用器ADG509FBRN芯片组成，阶梯波发生电路由D/A转换DAC7545芯片和运放OPA627芯片组成。在本专利技术中的三倍频调制与基频调制相比，其加快闭环，提高光纤陀螺的振动性能。施加的阶梯波的台阶高度能够产生与sagnac相移相等的相位，每个台阶的持续时间是光纤环的渡越时间τ，将这样的波形施加在调制器上，正反向传输的光之间的相位差就等于台阶高度对应的值，补偿了转速产生的相移，使陀螺始终工作在零点。附图说明图1是一般光纤陀螺的结构示意图。图2是本专利技术信号处理电路的信号流程框图。图3是三倍频方波产生的相位差及干涉输出波形图。图4A是检测电路和A/D转换电路原理图。图4B是FPGA处理器电路原理图。图4C是DSP处理器电路原理图。图4D是D/A转换和放大调理电路原理图。具体实施例方式在本专利技术中，采用三倍频调制的光纤陀螺在结构上包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和信号处理电路6(参见图1所示)，光源1为SLD宽谱超辐射发光二极管，尾纤为保偏光纤；耦合器2为保偏耦合器，由保偏光纤熔融而成；Y波导3为LiNbO3Y型相位调制器，尾纤为保偏光纤；光纤环4由保偏光纤绕制而成，探测器5由PIN管和FET组成，尾纤为单模光纤。参见图1所示，光源1的尾纤与耦合器2的A端口相连，耦合器2的B端口和Y波导3的入纤相连，Y波导3的两根尾纤与光纤环4相连，耦合器2的C端口与探测器5的尾纤连接，上述光路器件的连接采用熔接技术实现光纤的连接。探测器5将接收到的光功率信息转换成电压信号输出给信号处理电路6，信号处理电路6将形成的反馈信号输出给Y波导3。请参见图2所示，信号处理电路6由前放电路、FPGA处理器、DSP处理器、方波调制电路、阶梯波发生电路和电源电路组成，电源电路输出±15V、±5V电压，陀螺转动时产生Sagnac相位经干涉后转换为光功率信号输出给探测器5，前放电路接收由所述探测器5输出的电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经A/D转换后输出给FPGA处理器，FPGA处理器将采集到的信号进行解调后输出给DSP处理器，经DSP处理器进行数值滤波后输出给阶梯波发生电路形成阶梯波，方波调制电路接收FPGA处理器输出的控制信号并产生方波信号，方波调制电路输出的方波信号与阶梯波发生电路输出的数字阶梯波高度信号经叠加后驱动Y波导3。本专利技术中，光纤陀螺通过检测输出的幅度来检测陀螺的转动，并通过闭环使陀螺始终工作在灵敏度最高的零点。其中，数字解调环节可以等效为一个比例环节、一个解调环节和一个延迟环节，解调环节和调制环节相互抵消；数据累加是一个积分环节，其他环节都可看作是比例环节，经过简化系统可以等效为前向通道和反馈通道，前向通道包括比例环节和一个延迟环节和一个积分环节，反馈通道为比例环节。对于这样的一个系统，其传递函数是H(s)=KesT-1+KfK,]]>式中，K表示前向通道比例环节的系数，Kf表示反馈通道比例环节的系数，T表示采集间隔时间，e表示自然常数。由传递函数，可推导出系统的带宽为BW=ln(177KfK-1)·1T,]]>式中，T表示采样周期，由带宽的表达式可以看出，系统的带宽与延迟环节的延迟时间成反比关系。减小延迟环节的延迟时间，能够提高陀螺的带宽。光纤陀螺检测系统中，延迟环节的延迟时间主要是解调环节的解调周期，在数字闭环光纤陀螺中，解调周期至少为一个调制周期。采用基频调制时，一个调制周期是光纤环渡越时间的两倍，此时，系统的带宽是ln(177KfK-1)·12τ,]]>τ表示光纤陀螺中光纤环的渡越时间。采用三倍频调制时，一个调制周期是光纤环渡越时间的三分之二，此时，系统的带宽是ln(177KfK-1)·32τ.]]>因此，采用三倍频调制能够将光纤陀螺控制环路的带宽提高为基频调制的三倍。本专利技术采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的信号处理电路的连接关系如下前放电路前放电路包括隔直滤波、两级放大电路和A/D转换电路。由于光纤陀螺的输出信号极其微弱，而探测器5输出信号中又存在一个几百毫伏左右的直流偏置量，因此在本专利技术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4A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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置，光纤陀螺一般包括光源（１）、耦合器（２）、Ｙ波导（３）、光纤环（４）、探测器（５）和信号处理电路（６），其特征在于：所述信号处理电路（６）由前放电路、ＦＰＧＡ处理器、ＤＳＰ处理器、方波调制电路、阶梯波发生电路和电源电路组成，电源电路输出±１５Ｖ、±５Ｖ电压，前放电路接收由所述光电探测器（５）输出的电压信号，并将其进行隔直、滤波、放大，经Ａ／Ｄ转换后输出给ＦＰＧＡ处理器，ＦＰＧＡ处理器将采集到的信号进行解调后输出给ＤＳＰ处理器，经ＤＳＰ处理器进行数值滤波后输出给阶梯波发生电路形成阶梯波，方波调制电路接收ＦＰＧＡ处理器输出的控制信号并产生方波信号，方波调制电路输出的方波信号与阶梯波发生电路输出的数字阶梯波高度信号经叠加后驱动Ｙ波导（３）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晞，张春熹，邬战军，杨远洪，金靖，王夏霄，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]