一种采用三倍频调制提高光纤陀螺闭环带宽的装置

摘要

本发明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)。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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LiNbO₃ Y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。

在本发明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是本发明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。

具体实施方式

在本发明中，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LiNbO₃ Y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。

本发明中，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 $>>H>>(>s>)>>=>>K>{}^{}$>式中，K表示前向通道比例环节的系数，K_f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： $>>BW>=>ln>>(>>17>7>>>K>f>>K>->1>)>>·>>1>T>>,>$>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 $>>ln>>(>>17>7>>>K>f>>K>->1>)>>·>>1>>2>\tau >>>,>$>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 $>>ln>>(>>17>7>>>K>f>>K>->1>)>>·>>3>>2>\tau >>>.>$>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。

本发明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，分压电路的输出端与A/D转换电路D0的23端连接，A/D转换电路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转换电路D0的10位地址输出端与FPGA处理电路D2的10位地址输入端连接。

FPGA处理电路

本发明的光纤陀螺采用闭环检测控制，其要求方波调制、A/D采集解调数字阶梯波反馈的时序控制有严格的同步关系，在设计时序控制电路时综合考虑各控制信号经历的通道的时延。以A/D触发脉冲为基准，分频产生调制方波信号及数字相位阶梯波台阶产生的触发信号，同时控制解调过程的进行。时序采用晶振控制的锁相环产生AD采样频率，通过对AD采样频率的分频产生时序控制信号给FPGA处理器，FPGA将时序控制信号同时给调制方波电路和解调电路分别产生调制方波时序和解调时序，通过调制方波时序控制反馈阶梯波时序使方波和阶梯波严格同步。

因为A/D触发脉冲、相位台阶产生的触发脉冲和调制方波是按严格的分频来实现的，所以一旦其第一点的时序做到了同步，则其它的点也是严格同步的。

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位数据输出端与数字阶梯波发生电路D7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D7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D6的数字输入端连接。

DSP处理电路

由于本发明的信号检测属于微弱信号检测的范畴，根据微弱信号检测理论，本发明采用同步相关检测技术，可以将光纤电流互感器输出的信号从强噪声中提取出来。基本实现方法为：1、首先通过调制使检测系统信号的主要电路避开噪声功率密度大的地方，从而使输出噪声较小。在低频区，闪烁噪声可以比白噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。本发明可以使信号不失真的从低频区移出；2、从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两方面不同。本发明中滤波利用了频率特征的识别，再利用相位特征的识别就可以把同频率不同相位的噪声大量排除。解调模块完成解调后，将解调出的数据保存在寄存器中，并同时向DSP发中断请求信号，DSP接收到中断请求信号后进入中断服务程序读取寄存器的值。各端子的连接如图4C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。

方波调制电路

方波调制电路中的恒压电路产生一个恒压信号，并对所述恒压信号进行分配出两路分压信号，其中一分压信号输出一个参考电压信号给数字阶梯波发生电路，另一分压信号输出给分频电路，分频电路接收FPGA处理电路的脉冲信号并产生输出一方波信号。在本发明的全数字闭环方案中，以方波实现相位调制。方波输出的波形如图3所示。为了能够分辨转动方向并提高检测灵敏度，在Y波导3上施加方波对光信号进行调制，方波的半周期等于光纤环4环路的渡越时间的三分之一(波形如图3A所示)，其方波的周期为2τ，高度为各端子的连接如图4D所示，方波调制电路D3经分压后的参考电压信号输出端与数字阶梯波发生电路D7的参考电压信号输入端连接，恒压电路D3的6端与分频电路D4的4端连接，分频电路D4的脉冲输入端与FPGA处理电路D2的脉冲输出端连接，分频电路D4产生的方波信号输出端与数字阶梯波发生电路的方波输入端连接。

数字阶梯波发生电路：

数字阶梯波发生电路控制驱动相位调制器。数字阶梯波发生电路的输入信号是一个数字信号D_in，输出信号是电压信号V_out，这个输入输出关系成积分关系，V_out＝K_R∫D_indt，K_R为积分比例因子，相位调制器的作用使两束发生干涉的光波产生一个附加的反馈相位φ_F，当Δφ-φ_F＝0，则实现了闭环检测。反馈相移φ_F等于光纤电流互感器的敏感相位，因此可以只对相位进行检测，从而去掉了光学器件造成的光功率波动的影响。

在本发明中，方波调制电路输出波形如图3C所示，图中，横坐标表示时间，纵坐标表示相位差，方波调制电路输出波形为周期方波，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；干涉输出给探测器的信号如图3B所示，图中，横坐标为时间，纵坐标为光功率，干涉输出信号为周期冲激信号，周期为τ/3，直流偏置等于输入光功率的。图3A是干涉现象P＝P₀(1+cosΔφ)的图形表示，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，Δφ表示相位差。横坐标为时间，纵坐标为光功率。将图3C描述的调制波形代入到图3A中即可得到图3B所示的波形。方波由逻辑产生的基准信号控制模拟开关产生，阶梯波由数字反馈量通过数模转换产生，高度信号由累加器产生；方波和阶梯波的叠加采用模拟叠加方案。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D7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D7的片选端、写输入端连接，方波调制电路D3经分压后的参考电压信号输出端与数字阶梯波发生电路D7的参考电压信号输入端连接，数字阶梯波发生电路的运放电路NO3的数字阶梯波高度信号输出端与方波调制电路产生的方波信号进行叠加，所述叠加后的信号输出给相位调制器。

本发明的信号处理单元中各模块选取芯片为：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。

本发明的光纤陀螺在控制与处理中采用闭环检测方案，有效地扩大了电流的测量范围0～3600A，提高了信号处理电路6整体的系统灵敏度，而且可以消除部分光强变化引起的强度噪声。