基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法

摘要

本发明是一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法，属于光纤陀螺技术领域。本方法采用数字双闭环回路进行强度噪声的抑制和强度调制器工作点的稳定；强度噪声抑制时，对光电探测器输出的光强信号进行预处理、数字化、滤波和相位补偿后，再模拟化反馈至强度调制器；稳定强度调制器的偏置工作点时，通过扫描偏置电压获取强度调制器最大输出光功率点和最小输出光功率点时的偏置电压，使用平均功率方法获得工作点的偏置电压，并通过实时采集光电探测器的输出电压获得偏置电压差值反馈给强度调制器。本发明解决了闭环精度不好，噪声抑制效果差的问题，提高光纤陀螺光源的信噪比，使强度调制器的偏置工作点不再漂移，工作稳定。

说明书

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及对光纤陀螺用超荧光光纤光源的强度噪声的抑 制技术，具体涉及一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法。

背景技术

光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，在越来越多的领域中成为主 选惯性器件，成为下一代惯性器件的主要研究方向。光纤陀螺除了具有无运动部件、无加速 度引起的误差的优点外，其与传统机电陀螺的一个重要区别是存在着较大的光学噪声，而其 中主要的一种噪声是宽谱光源所带来的噪声。

光纤陀螺的噪声直接影响光纤陀螺的随机游走系数、零偏不稳定性等性能指标，并直接 决定着光纤陀螺的最小检测灵敏度，所以对光纤陀螺的噪声进行抑制是非常重要的。

光纤陀螺的宽谱光源的噪声主要包括热噪声、散粒噪声和强度噪声。强度噪声是由于宽 谱光源的拍频引起的，是由于宽谱光源的各种Fourier(傅里叶)分量之间的拍频引起的附加 噪声，它的大小随着光源的光强的增大而增大。强度噪声的大小与光源输出功率的大小成正 比，当光源功率超出一定值时，强度噪声就超过散粒噪声和热噪声，这时，信噪比将不再随 着光功率的增加而提高，而是趋近于一个饱和值，强度噪声就成为光源噪声中最主要的部分。

抑制光纤陀螺光源中的强度噪声，可以有效地提高光纤陀螺的信噪比，从而提高光纤陀 螺的检测精度，对实现光纤陀螺的实际应用具有重要意义。目前，光纤陀螺强度噪声抑制技 术方法主要有：强度噪声对消技术方案、采用高速强度调制器方案和相减补偿技术方案等。

在这些方法中，采用高速强度调制器的方案是近年来应用比较多的一种方法，这种方法 提供的一种强度噪声抑制的装置的结构如图1所示，该抑制装置主要包括：光线光源、强度 调制器、耦合器、光探测器和高宽带的伺服控制器。该抑制装置的工作原理如下：高速的强 度调制器置于光纤光源和耦合器之间，从光线光源发出的光信号到达强度调制器，强度调制 器对接收到的光信号进行调制；强度调制器将经过调制的光输出给耦合器，耦合器分出的一 部分光被光探测器探测到，光探测器对接收到的光信号进行采样得到电流信号并转换为电压 信号。光探测器将电压信号输出到高带宽的伺服控制器上，该伺服控制器对接收到的电压信 号进行处理后，提供一个负反馈控制信号给强度调制器。然后，强度调制器利用上述负反馈 控制信号来抑制后续接收到的光信号的强度噪声。

基于强度调制器的数字强度噪声抑制方案主要包括高速强度调制器、光纤耦合器、光电 探测器、滤波器和宽带控制电路。该方案主要包括：对强度调制器输出的光信号进行采样得 到电压信号，对所述电压信号进行解调，根据解调结果产生控制信号，所述控制信号中包括 对光信号功率进行调整的功率控制信号和对强度调制器的工作点进行调整的调制方波信号。 所述强度调制器根据接收到的控制信号中的控制功率信号对接收到的光信号的功率进行调制， 根据接收到的控制信号中的调制方波信号，对强度调制器的工作点进行调整，使强度调制器 的工作点保持稳定。该方案存在如下缺点：

1)对于强度调制器的工作点控制，使用了检测调制方波的方案。该方案中，必须要引入 调制方波信号。该信号的引入，会影响强度调制器正常工作时对于强度噪声的抑制效果，同 时该调制方波信号对于抑制噪声的过程来说，也是一种噪声的引入。对于噪声抑制系统来说， 新引入噪声对于系统有着很大的危害，甚至会导致整个抑制系统的失效。

2)该方案中，强度噪声抑制的闭环抑制算法部分问题较多，闭环反馈控制的效果并不明 显，同时闭环抑制算法中，并未考虑相位补偿的环节，导致闭环抑制中产生相位漂移，该相 位漂移直接导致闭环过程中抑制噪声的作用没有得到很好的发挥。

使用强度调制器的模拟反馈控制方案中，高带宽伺服回路使用的模拟伺服电路，该方案 的结构如图2所示。可以看出，该闭环反馈方案和基于强度调制器的数字强度噪声抑制方案 类似，但是该方案使用的是模拟伺服控制器，同时没有对强度调制器进行抑制。该方案中的 伺服回路的简图如图3所示，301和302所标示的是两个运算放大器。伺服控制回路的第一 级运放电路为高通滤波放大，只对偏置调制频率以上的频率提供增益。在低于偏置调制频率 的频率上，第一级运放电路的增益很小，由电容C1、电阻R1和电阻R3决定。增益的峰值 一般出现在偏置调制频率附近，并由电阻R1和电容C2决定。为了使伺服回路稳定，当总的 开环增益超过1时，这一级的增益应该保持为常数。伺服回路的第二级运放电路同样为高通 滤波放大，只对偏置调制频率以上的频率提供增益，在低于偏置调制频率的频率上，信号增 益很小。该方案存在两个问题：

1)该方案中使用的关键器件为强度调制器，其工作中存在的重要问题就是强度调制器工 作点的漂移问题，该器件的工作点极易受到环境温度、湿度和电磁场等环境因素变化的影响， 工作点的漂移直接导致系统对于强度噪声抑制效果下降，控制信号不稳定，甚至使整个抑制 系统失效。但该方案中未使用任何技术来解决这个问题。

2)该方案中模拟伺服回路的控制精度较低，对强度噪声抑制的效果较差，同时由于使用 的是模拟电路进行控制，更改抑制频段时相当麻烦，需要对整个伺服控制回路进行更改。

发明内容

本发明对基于强度调制器的强度噪声抑制的数字闭环方案进行改进，目的是为了解决目 前同类方案中出现的闭环精度不好，噪声抑制效果差的问题，同时，本发明还达到较好的噪 声抑制效果，提高光纤陀螺光源的信噪比。

本发明提供了一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法，基于现有强度 调制器的光源强度噪声抑制方案，采用数字双闭环的方案，使用两个闭环回路，分别用来进 行强度噪声的抑制和强度调制器工作点的稳定，第一闭环回路使用强度调制器进行强度噪声 的抑制，第二闭环回路用于稳定强度调制器工作点的偏置电压，或称为稳定强度调制器的偏 置工作点，使强度调制器的偏置工作点不再漂移，工作稳定。

本发明中第二闭环稳定强度调制器工作点的偏置电压，包括开机寻找工作点和工作时进 行控制两个部分。

开机寻找工作点具体是：对强度调制器的偏置电压进行扫描，从-V_π扫描到V_π，V_π为强 度调制器的半波电压，记录每个扫描值时光电探测器的输出电压，找到光电探测器的输出电 压的最大值和最小值，对应找到强度调制器最大输出光功率点时的偏置电压V_b0max和最小输 出光功率点时的偏置电压V_b0min，则开机设置强度调制器的偏置电压V_b0为：

$V_{b0}=\frac{1}{2}{V}_{b0\min }+\frac{1}{2}{V}_{b0\max }$

V_b0所对应的光电探测器的输出电压为工作点时光电探测器的理想输出电压。

工作时进行控制具体是：实时监测光电探测器的输出电压，将光电探测器的实际输出电 压与工作点时光电探测器的理想输出电压进行比较，获得对应的偏置电压差值，将得到的偏 置电压差值反馈至强度调制器，控制强度调制器的偏置电压在[V_b0-a,V_b0+b]内，其中参数a和 b取值均在[0,0.5]之内。

本发明中第一闭环使用强度调制器进行强度噪声的抑制的步骤为：

第1步，对光电探测器输出的光强信号进行预处理，去除光强信号中的低频成分并将光 强信号数字化；

第2步，将得到的数字光强信号进行滤波，保持信号的相位稳定；

第3步，对滤波后的数字光强信号进行相位补偿，具体是：根据中心频率处的时间延迟， 在全频段对滤波后的信号进行时间补偿；

第4步，将经过相位补偿后的数字光强信号转换为模拟光强信号，反馈至强度调制器的 射频控制端。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明采用数字双闭环的方案对光纤陀螺用光源的强度噪声进行抑制，解决了闭环 精度不好，噪声抑制效果差的问题，达到较好的噪声抑制效果，提高光纤陀螺光源的信噪比， 提高了整个系统的性能，且本发明中使用数字伺服控制回路，更改抑制频段时只需要更改数 字逻辑器件中的程序即可以对抑制频段进行改变；

(2)本发明使用了新的噪声抑制方法，能够使噪声抑制达到较优的效果，极大的提高了 噪声抑制的效果，同时对噪声抑制方法的相位延迟进行了控制和补偿，使得整个系统相位上 保持稳定，使得相位对闭环噪声抑制的影响降到最小；

(3)在偏置工作点控制的第二闭环回路中，本发明使用了平均功率的方法，避免了加入 调制方波的方案对于强度调制器正常工作即强度噪声抑制的影响；在偏置工作点控制中，除 了不加入调制信号外，所使用的平均功率中的系数可以根据所控制工作点的要求的变化而变 化，可以使所控制的强度调制器工作在最低点、中间点和最高点。

附图说明

图1是采用高速强度调制器抑制光源强度噪声的结构示意图；

图2是使用强度调制器的模拟反馈控制方案示意图；

图3是使用强度调制器的模拟反馈控制方案中伺服控制回路的结构示意图；

图4是本发明的光源强度噪声抑制数字双闭环方法的原理示意图；

图5是强度调制器P-V曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法，采用数字双闭环的方案， 使用两个闭环回路，分别用来进行强度噪声的抑制和强度调制器工作点的稳定，并对之前的 同类方案进行了两大改进。首先本发明提出了一种新的闭环噪声抑制方法，使用了最优化滤 波器的设计思想设计噪声抑制方法，能够使噪声抑制系统达到较好的效果。所使用的闭环抑 制方法中，加入了信号相位延迟补偿的环节，使得整个系统相位上保持稳定，使得相位对闭 环噪声抑制的影响降到最小。该闭环抑制方法可以使闭环噪声抑制的效果得到很大的提高， 绝大多数噪声都能够得到抑制。其次本发明针对强度调制器偏置工作点控制回路进行了优化， 设计了偏置工作点闭环反馈新方案。对于之前需要加入调制方波的方案进行了改进，使用了 平均功率方法，避免了之前方案中加入调制方波对于强度调制器正常工作即强度噪声抑制的 影响。同时通过一个初始化的过程，尽量减小了工作过程中偏置电压的大幅度波动。

本发明所使用的系统是基于强度调制器的数字双闭环强度噪声抑制系统。使用强度调制 器抑制光纤陀螺光源强度噪声的已经有了一定的应用，该方案的主要特点是使用强度调制器 进行闭环反馈控制，通过调节强度调制器的输出，达到抑制光源强度噪声的目的。

由于数字闭环的快速性和方便性，使用数字闭环的方法来控制强度调制器，进而对光源 强度噪声进行抑制。同时，由于强度调制器的工作过程中，会出现工作点的漂移，影响强度 调制器的工作，本发明同样采用数字闭环的方法来抑制强度调制器的工作点的漂移，因此本 发明使用数字双闭环的方法来抑制光纤陀螺光源的强度噪声。

本发明的基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法的原理如图4所示。如图 4所示，该双闭环的方案中，第一闭环通过光电探测器获得光源的强度信号，并通过数字滤 波和相位补偿处理，得到数字闭环的反馈值，反馈到强度调制器，通过强度调制器实现对强 度噪声的闭环反馈抑制；第二闭环通过光电探测器获得光源的强度信号，通过光强信号获得 通过强度调制器的功率信号，进而通过功率探测方法，获得强度调制器的偏置工作点的稳定 电压，并加在强度调制器上，实现对强度调制器的偏置工作点的闭环反馈控制。

本发明所提出的强度噪声抑制方法包括以下几个步骤，其中，第2步和第3步是在高宽 带的伺服控制器中实现：

第1步，对光电探测器输出的光强信号进行预处理，去除光强信号中的低频成分并将光 强信号数字化。由于强度噪声抑制的抑制目标是光源中的高频噪声成分，因此在预处理时， 将低频噪声成分滤除，避免对后续信号处理产生影响。同时，由于光电探测器输出的光强信 号是模拟信号，所以必须将其进行采样，获得数字光强信号用于数字闭环处理。

第2步，将经过预处理得到的数字光强信号通过设计的噪声伺服抑制系统，进行数字滤 波，以保持信号的相位稳定。噪声伺服抑制系统也就是滤波系统。

本步骤噪声伺服抑制系统的设计方法如下：

该闭环中的噪声伺服抑制系统由于需要进行快速闭环反馈控制，因此对于系统的相位延 迟有着很高的要求，需要保持严格精确的相位延迟特性。本发明使用最优化设计的方法来进 行噪声伺服抑制系统的设计，这样的设计方法可以保证相位延迟特性，同时使相位延迟最小， 使得快速闭环反馈控制成为可能。最佳设计的方法就是调节滤波系统的零点分布位置，使得 实际的频率响应H(e^jω)与理想频率响应H_d(e^jω)间的绝对偏差最小，ω表示角频率，j表示虚 部。本发明实施例中使用的是切比雪夫等纹波逼近法这样一种最优设计方法，采用“最大误 差最小”的准则得到最佳的滤波系统，且最佳解唯一。也可以使用其他的滤波算法，对相位 延迟的补偿，只要能够达到较好的滤波效果，且能使相位保持稳定即可。

切比雪夫等波纹逼近是采用加权逼近误差E(e^jω)最小为出发点设计滤波系统的方法。

E(e^jω)＝W(e^jω)[H_d(e^jω)-H(e^jω)]    (1)

式中，W(e^jω)是加权函数，在公差要求高的频段上，可以取较大的加权值，否则取较小 的加权值。对于本滤波系统，H(e^jω)可以表示为

$H\left(e^{\mathrm{j\omega }}\right)=e^{-\frac{\mathrm{jM\omega }}{2}}\underset{k=0}{\overset{\frac{(M+1)}{2}-1}{\Sigma }}2h\left(k\right)\cos \left(\omega (\frac{M}{2}-k)\right)---\left(2\right)$

该方程即为该滤波系统的误差方程，其中，M表示在本次滤波采样之前的采样点数，h(k) 表示在k点处的频率响应值。

由于可以通过对称性来保证滤波系统的相位特性，所以设计可以只考虑幅频特性而不考 虑相频特性。因此，可以使用来代替H(e^jω)，即

$\hat{H}\left(e^{\mathrm{j\omega }}\right)=e^{-\frac{\mathrm{jM\omega }}{2}}\underset{k=0}{\overset{\frac{(M+1)}{2}-1}{\Sigma }}2h\left(k\right)\cos \left(\omega (\frac{M}{2}-k)\right)---\left(3\right)$

使用该近似的误差方程进行计算，计算时使用雷米兹算法来进行计算，得到滤波系统的 传递函数H(z)，z为复变量。

第3步，通过滤波系统的信号再经过相位补偿算法进行相位补偿。由于该滤波系统的线 性相位特性，相位延迟是一定的，所以相位补偿在此可以转化为时间补偿。在本发明中，时 间补偿部分由全通滤波器来实现，即在全频段上对信号进行一定的相位超前。通过估算滤波 器系统的相位延迟，并估计中心频率处的时间延迟，针对中心频率进行相位补偿，采样全通 滤波器进行时间补偿，在其他需抑制的频段也可以有较好的相位补偿效果。

第4步，将经过相位补偿后的数字光强信号通过数字转模拟(DAC)处理，转换为模拟光 强信号，反馈至强度调制器的射频(RF)控制端，达到抑制所需要频段强度噪声的目的。

在提出新的强度噪声抑制方法的基础上，本发明使用了新的强度调制器偏置工作点控制 方案。该新技术解决了之前需要加入调制方波才能进行偏置工作点控制的缺点，避免了加入 调制方波对强度调制器正常工作即强度噪声抑制的影响。该方案的原理如下：

强度调制器由双Y波导构成，工作原理等效于Mach-Zehnder型干涉仪，工作时，强度 调制器的工作点极易受到环境因素的影响，存在漂移的问题。

强度调制器的输出信号函数表达式如下：

这个函数表达了强度调制器输出光强与输入光强和偏置电压之间的关系。P_out是强度调制 器输出的光功率；P_in是输入的光功率；V_b0是工作点的偏置电压，V_bm(t)是t时刻时强度调制器 的工作电压，即调制电压；V_π是强度调制器的标准参数即半波电压，表示将强度调制器的输 出从最大调到最小时所需要改变的电压值；是由于外界环境因素如稳定、振动导致工作点 漂移的随机相移。因此当V_bm(t)为零时，即强度调制器未工作时，P-V关系曲线如图5所示。图 5中，横坐标表示偏置电压V_b，纵坐标表示输出光功率P_out。

由图5可以看出，当强度调制器工作在Quad+或者Quad-时，P-V曲线近似于线性，此时输 出功率为最大功率和最小功率的中间值。这时加入工作电压V_bm(t)，可以使得工作电压所产生 的效果近似于线性，因此应当将强度调制器的偏置工作点控制在该处。由于强度调制器受到 外界环境因素的影响会导致工作点漂移，因此本发明设计了强度调制器偏置工作点稳定的闭 环回路。在此，本发明使用功率测量的方案，无需加入低频调制信号，也就不会影响强度调 制器的正常工作。其工作原理如下所述：

由于强度调制器的输出信号函数如式(4)所示，当强度调制器未开始工作时，V_bm(t)的电压 为零，上式可以被改写为：

可以知道，当输出电压P_out取得最大值P_outmax时，式(5)的右边取得最大值，此时

即

假设k＝0，可以得到强度调制器最大输出光功率点时的偏置电压V_b0max的值为

当输出电压P_out取得最小值P_outmin时，式(5)的右边取得最小值，此时

即

假设k＝0，可以得到强度调制器最小输出光功率点时的偏置电压V_b0min为

强度调制器工作在所希望的线性工作点时，输出功率为最大输出功率和最小输出功率的 中间值。因此，本发明根据下式来计算线性工作点时对应的偏置电压值P_工作点如下：

将P_outmax和P_outmin代入上式可以得到：

工作点时的输出信号函数如下：

由上(13)和(14)两式，可以得到，在工作点时：

由上式可以解出，进一步可解得工作点时V_b0的值为

可以将工作点时的V_b0由V_b0min和V_b0max来表示：

$V_{b0}=\frac{1}{2}{V}_{b0\min }+\frac{1}{2}{V}_{b0\max }---\left(17\right)$

因此，本发明利用平均功率的方法进行强度调制器偏置工作点控制的步骤如下：

平均功率测量的方案进行强度调制器偏置工作点稳定，包括开机寻找工作点和工作时进 行长期控制两个部分。

开机工作点寻找的过程如下：

由伺服控制器对强度调制器进行偏置电压的扫描，从-V_π扫描到V_π，设置扫描间隔为 0.01V。V_π是强度调制器的半波电压。扫描间隔可根据需要设定，本发明实施例中设置的0.01V 能获取较准确的工作点偏置电压，且不需要记录非常大数量的扫描值。

在偏置电压扫描的过程中，记录每个扫描值时光电探测器输出的电压值。由于光电探测 器输出的电压值与强度调制器的输出光功率成比例关系，因此可以通过记录电压值间接得到 强度调制器的输出光功率。通过记录光电探测器输出的电压值，可以得到其中光电探测器输 出电压的最大值和最小值。这两个点即为强度调制器的最大输出光功率点P_outmax和最小输出光 功率点P_outmin。

则对应可查得最大输出光功率点和最小输出光功率点时的偏置电压V_b0max和V_b0min。由上 面推出的公式(17)可以得到正确偏置工作点时的偏置电压V_b0。

此时开机扫描过程结束，输出的V_b0即为正确的工作点的偏置电压，设置强度调制器开机 的偏置电压为V_b0。

工作时，伺服控制器进行强度调制器偏置工作点稳定的过程如下：

通过开机扫描得到强度调制器在工作点的输出光功率和其对应的光电探测器输出电压， 在工作时，通过实时监测，得到实时的光电探测器输出电压。通过查询扫描记录找到V_b0对应 的光电探测器的输出电压，将该电压作为工作点时光电探测器理想的输出电压。

通过实时的光电探测器输出电压与工作点时光电探测器理想的输出电压进行比较，获得 实际输出电压和理想输出电压的差值，根据该差值获取相应的偏置电压差值，将偏置电压差 值作为反馈值输入给强度调制器的直流(DC)端，控制强度调制器的偏置电压与V_b0之间的 误差实时地保持在一个限定值之内，进而达到闭环实时调整。例如，设控制强度调制器的偏 置电压在[V_b0-a,V_b0+b]内，其中参数a和b取值均在[0,0.5]之内，可根据具体需要来设定。光 电探测器输出的电压值与强度调制器的输出光功率成比例关系，根据之前的扫描记录值可计 算出光电探测器的输出电压与强度调制器的偏置电压之间的比例关系。在获得光电探测器的 实际输出电压后，通过查询之前的扫描记录值或者根据计算得到的比例关系，可获得光电探 测器的实际输出电压对应的偏置电压与工作点偏置电压V_b0的差值，将得到的偏置电压差值 在强度调制器的减掉，以稳定强度调制器工作点的偏置电压。