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1、(10)申请公布号 CN 103411601 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103411601 A *CN103411601A* (21)申请号 201310312589.4 (22)申请日 2013.07.24 G01C 19/72(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 宋凝芳 徐小斌 滕飞 金靖 张春熹 安明花 肖智 (74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 姜荣丽 (54) 发明名称 一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调 制解调方法 (57) 摘要 本发明公开了。
2、一种基于光路差分的双干涉式 光纤陀螺仪调制解调方法， 由第一探测器和第二 探测器接收偏振分束器输出端的光信号， 将保偏 光纤快、 慢轴中的光信号分别转换成电信号， 分 别经放大滤波处理后输入到两个 A/D 转换器中， 分别经过两个 A/D 转换器转换为数字信号， 输入 FPGA ； FPGA 生成的调制器控制信号通过 D/A 转换 器转化为模拟信号， 再经过调制器驱动进行信号 调整后驱动双折射式相位调制器， 利用双折射式 相位调制器实现第一路陀螺的闭环检测， 同时将 第一路陀螺的检测结果反馈回第二路陀螺， 此时 第二路陀螺的解算结果即为完成了光路差分后的 最终输出。本发明实现了差分双干涉式光纤。
3、陀螺 的光路高精度差分检测， 提高了差分型双干涉光 纤陀螺的互易性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103411601 A CN 103411601 A *CN103411601A* 1/2 页 2 1. 一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法， 其特征在于 ： 由第一探测 器和第二探测器接收偏振分束器输出端的光信号， 将保偏光纤快、 慢轴中的光信号分别转 换成电信号， 分别经放大滤波处理后输入到两个 A/D 转换器中。
4、， 分别经过两个 A/D 转换器 转换为数字信号， 输入 FPGA ； FPGA 实现数字信号的解调和调制器控制信号的生成， 生成的 调制器控制信号通过 D/A 转换器转化为模拟信号， 再经过调制器驱动进行信号调整后驱动 双折射式相位调制器， 利用双折射式相位调制器对不同偏振态光波的不同调制， 实现第一 路陀螺的闭环检测， 同时将第一路陀螺的检测结果利用双折射调制器反馈回第二路陀螺， 将其从第二路陀螺的输出信号中减去， 此时第二路陀螺的解算结果即为完成了光路差分 后的最终输出 ； 所述第一路陀螺的闭环检测工作点在 /2 处， 第二路陀螺工作点在 2s/2， 通过对其解调即解算出2s， 从而在光。
5、纤环面积和光纤长度不变的条件下实现 了 SAGNAC 效应倍增。 2. 根据权利要求 1 所述的一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法， 其 特征在于 ： 所述的双折射相位调制器同时允许 X、 Y 两个轴的光波通过， 调制系数分别设为 kX和 kY， 此处双折射相位调制器对光波存在两种不同的调制， 第一种调制采用频率等于陀 螺本征频率的方波， 此时顺时针方向的 X 轴和 Y 轴的光波相对于逆时针方向的 X 轴和 Y 轴 的光波总是延迟一个光纤环本征周期， 对 X 方向陀螺和 Y 方向陀螺的调制相位 X和 Y表 示为 ： X （kX+kY） V0 Y （kX+kY） V0 其中 V0表。
6、示方波幅值 ； 即方波调制对两轴陀螺的调制相位是相同的 ； 另一种调制采用恒定的直流电压， 此时对 X 方向陀螺和 Y 方向陀螺的调制相位 X 和 Y表示为 ： X （kX-kY） V1 Y -（kX-kY） V1 其中 V1表示直流电压幅值 ； 即直流调制对两轴陀螺的调制相位的符号相反 ； 通过这两 种调制作用完成光路差分。 3. 根据权利要求 1 所述的一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法， 其 特征在于 ： 所述第一探测器和第二探测器对光纤陀螺的两路输出进行探测， 其输出的干涉 光强 I1、 I2分别如下式所示 ： I1 I0cos(0+m1+m2+s) I2 I0cos(0。
7、+ m1+m2-s) 其中 I0为到达第一探测器和第二探测器的直流光强， 0为固有相位差， m1和 m1 为方波调制引入的调制相位， m2和 m2为直流调制引入的调制相位。 4. 根据权利要求 1 所述的一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法， 其 特征在于 ： 所述的 FPGA 实现数字信号的解调具体为 ： 首先由双折射相位调制器施加无直流偏置的 /2 方波调制， 然后对陀螺输出转速 进行解调， 解调在一个方波周期内进行， 方波高电平时陀螺输出与方波低电平时陀螺输出 的差即为当前陀螺转速 ； 其次， 陀螺解调处理流程以 5 个方波周期为一个反馈周期， 对方波进行 0 到 4 循环计。
8、 数 ； 在当前反馈周期中波导的反馈波形由上个反馈周期的反馈值决定 ； 在反馈周期的第一 个方波周期内不解调陀螺输出转速， 在后四个方波周期内将两个探测器探测的陀螺信号进 行转速解调和解调值积分， 并在第五个方波周期对当前反馈周期内后四个方波周期的陀螺 权 利 要 求 书 CN 103411601 A 2 2/2 页 3 解调积分值取平均， 得到反馈信号， 用反馈信号控制调制方波的直流偏置， 对第一路陀螺进 行闭环 ； 同时判断反馈相位是否达到 2， 如达到 2 则进行偏置复位。 5. 一种实现权利要求 1 中所述的调制解调方法的实现装置， 其特征在于 ： 包括偏振分 束器、 第一探测器、 第。
9、二探测器、 双折射相位调制器、 A/D转换器A、 A/D转换器B、 放大滤波单 元 A、 放大滤波单元 B、 FPGA、 D/A 转换器和调制器驱动 ； 偏振分束器两个输出端分别与第一探测器的输入端和第二探测器的输入端相连， 第一 探测器的输出端与放大滤波单元 A 的输入端相连， 第二探测器的输出端与放大滤波单元 B 的输入端相连， 放大滤波单元 A 的输出端与 A/D 转换器 A 的输入端相连， 放大滤波单元 B 的 输出端与 A/D 转换器 B 的输入端相连， A/D 转换器 A 的输出端和 A/D 转换器 B 的输出端分 别与 FPGA 的输入端相连， FPGA 的输出端与 D/A 转换。
10、器的输入端相连， D/A 转换器的输出端 与调制器驱动的输入端相连， 调制器驱动的输出端与双折射相位调制器输入端相连， 双折 相位射调制器连入光纤环的一端 ； 最后， 解调出的差分转速信号由 FPGA 给出。 权 利 要 求 书 CN 103411601 A 3 1/4 页 4 一种实现光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺仪调制解调方法， 属于光纤陀 螺技术领域。 背景技术 0002 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， 以其特有的技术和性 能优势， 如全固态结构、 可靠性高、 寿命长 ； 启动速度快， 响应。
11、时间短 ； 测量范围大， 动态范 围宽 ； 抗冲击、 振动， 耐化学腐蚀 ； 体积小、 重量轻、 成本低 ； 适合大批量生产等， 已经广泛用 于各领域。 0003 国际上通用的光纤陀螺形式为单干涉式， 即利用一套光路 （一个保偏光纤环） 的快 轴或者慢轴实现 SAGNAC 干涉仪， 通过分别按照顺时针 （CW） 、 逆时针 （CCW） 传播的两束主波 列之间的干涉来解算载体转动导致的 SAGNAC 相移。这种干涉仪虽然结构简单， 但是随着光 纤陀螺应用领域的不断扩展， 其体积、 重量与精度之间的矛盾日益突出， 以现有的技术和工 艺水平， 在维持精度的前提下， 进一步减小体积、 重量很难实现突破。
12、， 反之亦然。 0004 差分双干涉式光纤陀螺仪是在一套光路 （一个保偏光纤环） 中， 利用其快轴和慢 轴分别实现一个 SAGNAC 干涉仪， 这两路干涉仪的输出呈现差分形式， 经过差分解算以后， SAGNAC效应得到加倍。 目前， 差分双干涉式光纤陀螺仪采用的是电路差分检测方案， 由于差 分双干涉式光纤陀螺仪的互易性建立在精确差分的基础上， 所以为了保证陀螺的互易性， 需要保证两路检测电路的参数一致性， 而这在实际中是很难实现的， 这就会使得差分双干 涉式光纤陀螺抑制环境扰动的能力下降。 发明内容 0005 本发明的目的是为了解决上述问题， 提出一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺 调制解调方。
13、法， 可以实现差分双干涉式光纤陀螺的高精度光路差分检测。 0006 本发明提供的调制解调方法， 具体为 ： 0007 第一探测器和第二探测器接收偏振分束器输出端的光信号， 将保偏光纤快、 慢轴 中的光信号分别转换成电信号， 分别经放大滤波处理后输入到两个 A/D 转换器中， 分别经 过 A/D 转换器转换为数字信号， 输入 FPGA。FPGA 实现数字信号的解调和调制器控制信号的 生成， 生成的调制器控制信号通过 D/A 转换器转化为模拟信号， 再经过调制器驱动进行信 号调整后驱动双折射式相位调制器， 利用双折射式相位调制器对不同偏振态光波的不同调 制， 实现第一路陀螺 A 的闭环检测， 同时。
14、将第一路陀螺 A 的检测结果利用双折射调制器反 馈回第二路陀螺 B， 将其从第二路陀螺 B 的输出信号中减去， 此时第二路陀螺 B 的解算结果 ( 由 FPGA 给出 ) 即为完成了光路差分后的最终输出。 0008 一种基于光路差分的双干涉式光纤陀螺调制解调方法的实现装置， 包括偏振分束 器、 第一探测器、 第二探测器、 双折射相位调制器、 A/D转换器A、 A/D转换器B、 放大滤波单元 A、 放大滤波单元 B、 FPGA、 D/A 转换器和调制器驱动 ； 说 明 书 CN 103411601 A 4 2/4 页 5 0009 偏振分束器两个输出端分别与第一探测器的输入端和第二探测器的输入端。
15、相连， 第一探测器的输出端与放大滤波单元 A 的输入端相连， 第二探测器的输出端与放大滤波单 元 B 的输入端相连， 放大滤波单元 A 的输出端与 A/D 转换器 A 的输入端相连， 放大滤波单元 B 的输出端与 A/D 转换器 B 的输入端相连， A/D 转换器 A 的输出端和 A/D 转换器 B 的输出端 分别与 FPGA 的输入端相连， FPGA 的输出端与 D/A 转换器的输入端相连， D/A 转换器的输出 端与调制器驱动的输入端相连， 调制器驱动的输出端与双折射相位调制器输入端相连， 双 折相位射调制器连入光纤环的一端。最后， 解调出的差分转速信号由 FPGA 给出。 0010 本发。
16、明的优点 ： 0011 （1） 实现了基于光路差分的双干涉式光纤陀螺的调制解调方法， 相较于传统的电 路差分方法， 差分检测精度更高， 可以更精确的消除光路中存在的固有相位差及其环境漂 移 ； 0012 （2） 降低了对电路一致性的要求， 提高了差分型双干涉光纤陀螺的互易性。 附图说明 0013 图 1 是基于光路差分的双干涉式光纤陀螺调制解调方法及实现装置结构框图 ； 0014 图 2a 是同一时刻顺、 逆时针光波对应的方波调制波形 ； 0015 图 2b 是同一时刻顺、 逆时针光波对应的直流调制波形 ； 0016 图 3 是在双折射相位调制器上施加的调制波形 ； 0017 图 4 是方波调。
17、制信号施加反馈电压波形 ； 0018 图 5 是第一探测器处干涉光强与调制相位关系 （负责闭环） ； 0019 图 6 是第二探测器处干涉光强与调制相位关系 （负责相位解算） ； 0020 图 7 是 FPGA 中信号解算处理流程图。 0021 图中 ： 0022 1- 偏振分束器 2- 第一探测器 3- 第二探测器 0023 4- 放大滤波单元 A 5- 放大滤波单元 B 6-A/D 转换器 A 0024 7-A/D 转换器 B 8-FPGA 9-D/A 转换器 0025 10- 调制器驱动 11- 双折射相位调制器 具体实施方式 0026 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 002。
18、7 本发明是一种基于光路差分的双干涉式闭环光纤陀螺仪调制解调方法及其实现 装置， 如图 1 所示， 所述的实现装置包括偏振分束器 1、 第一探测器 2、 第二探测器 3、 双折射 调制器 11、 A/D 转换器 A6、 A/D 转换器 B7、 放大滤波单元 A4、 放大滤波单元 B5、 FPGA8、 D/A 转换器 9 和、 调制器驱动 10。 ； 0028 第一探测器 2 和第二探测器 3 将经偏振分束器 1 分开的保偏光纤快、 慢轴中的光 信号分别转换成电信号， 两路电信号分别经放大滤波单元 A4 和放大滤波单元 B5 放大滤波 处理后输入到 A/D 转换器 A6 和 A/D 转换器 B7。
19、 中， 经过 A/D 转换器 A6 和 A/D 转换器 B7 转 换为数字信号， 输入 FPGA8。FPGA8 中包含有完成光路差分的调制解调程序， 能够实现转动 数字信号的解调和调制器控制信号的生成， 生成的调制器控制信号通过 D/A 转换器 9 转化 说 明 书 CN 103411601 A 5 3/4 页 6 为模拟信号， 再经过调制器驱动 10 进行信号调理后驱动双折射式相位调制器 11， 利用双折 射式相位调制器 11 对不同偏振态光波的不同调制， 实现第一路陀螺 A 的闭环检测， 同时将 第一路陀螺 A 的检测结果利用双折射相位调制器 11 反馈回第二路陀螺 B， 将其从第二路陀 。
20、螺 B 的输出信号中减去， 此时第二路陀螺 B 的解算结果 ( 由 FPGA8 给出 ) 即为完成了光路 差分后的最终输出。 0029 在本发明中， 偏振分束器1为天津峻烽科技有限公司的PBS-1*2-1550-S-N型偏振 分束器 ； 探测器 （第一探测器 2 和第二探测器 3） 为武汉电信器件有限公司的 PFTM901-001 型光电探测器 ； A/D 转换器 （A/D 转换器 A6 和 A/D 转换器 B7） 选用美信公司的 MAX106。FPGA （FPGA8） 选择赛林思公司 sparton3 系列芯片。D/A 转换器 9 选用 AD 公司的 AD9742。调制 器驱动 10 使用 。
21、AD 公司的 AD8009。 0030 本发明中使用的双折射相位调制器11同时允许X、 Y两个轴的光波通过， 但是对两 个轴有不同的调制系数 （分别设为 kX和 kY） 。此处双折射相位调制器 11 对光波存在两种不 同的调制， 第一种调制采用频率等于陀螺本征频率的方波， 此时顺时针方向的X轴和Y轴的 光波相对于逆时针方向的 X 轴和 Y 轴的光波总是延迟一个光纤环本征周期， 其方波调制波 形如图 2a 所示。对 X 方向陀螺和 Y 方向陀螺的调制相位可以表示为 （V0表示方波幅值） ： 0031 X （kX+kY） V0 Y （kX+kY） V0 0032 即方波调制对两轴陀螺的调制相位是相。
22、同的。另一种调制采用恒定的直流电压， 调制波形如图2b所示， 其中为光波在光纤环中传输一圈经历的时间， 对应的光纤环的本 征频率为 1/2， 此时对 X 方向陀螺和 Y 方向陀螺的调制相位可以表示为 （V1表示直流电压 幅值） ： 0033 X （kX-kY） V1 Y -（kX-kY） V1 0034 即直流调制对两轴陀螺的调制相位的符号相反。 通过这两种调制作用可以完成光 路差分方案。 0035 本方案中分别使用第一探测器 2 和第二探测器 3 对光纤陀螺的两路输出进行探 测， 其输出的干涉光强 I1、 I2分别如下式所示 ： 0036 I1 I0cos(0+m1+m2+s) I2 I0c。
23、os(0+ m1+m2-s) 0037 其中 I0为到达第一探测器 2 和第二探测器 3 的直流光强， 0为固有相位差， m1 和 m1为方波调制引入的调制相位， m2和 m2为直流调制引入的调制相位 （其中由 双折射相位调制器 11 的调制性质可知 m1 m1， m2 -m2） 。第一探测器 2 和第 二探测器 3 将探测的光信号转换成电信号， 经放大滤波单元 A4 和 B5 滤除噪声并放大后， 再 经 A/D 转换器 A6 和 A/D 转换器 B7 将模拟信号转换成数字信号输入 FPGA8 中。FPGA8 中包 含有数字处理程序， 其信号解算处理流程如图 7 所示， 程序初始化阶段首先由双。
24、折射相位 调制器施加无直流偏置的 /2 方波调制， 然后对陀螺输出转速进行解调， 解调在一个方 波周期内进行， 方波高电平时陀螺输出与方波低电平时陀螺输出的差即为当前陀螺转速。 初始化完成后陀螺解调处理流程以 5 个方波周期为一个反馈周期， 对方波进行 0 到 4 循环 计数。在当前反馈周期中波导的反馈波形由上个反馈周期的反馈值决定。在反馈周期的第 一个方波周期内不解调陀螺输出转速， 在后四个方波周期内将两个探测器探测的陀螺信号 进行转速解调和解调值积分， 并在第五个方波周期对当前反馈周期内后四个方波周期的陀 螺解调积分值取平均， 得到反馈信号， 用反馈信号控制调制方波的直流偏置， 对第一路陀。
25、螺 说 明 书 CN 103411601 A 6 4/4 页 7 进行闭环。同时判断反馈相位是否达到 2， 如达到 2 则进行偏置复位。通过 FPGA8 将第 一路陀螺的解调信号输出， 经 D/A 转换器 9 将数字信号转换成模拟信号， 调制器驱动 10 对 模拟信号进行调整后驱动双折射相位调制器 11。通过在双折射相位调制器 11 上施加合适 的调制波形， 如图 3 所示 （即以周期性的方波叠加一定的直流偏置的方式对两路陀螺进行 调制， 其中调制的相位m1/2实现如传统陀螺中的/2偏置调制， 且这种调制对 于两个陀螺是相同的 ； 调制相位 m2 -0-s用于实现 X 轴陀螺的闭环， 而由于直。
26、流偏 置调制对于两轴陀螺的调制符号相反， 可以将 X 轴输出从 Y 轴输出中减去， 实现光路差分） 。 实现第一路陀螺的闭环， 且工作点在 /2 处， 增加了灵敏度， 其干涉波形如图 5 所示 （图 中坐标轴上部表示的是第一路干涉仪干涉光强按余弦规律变化， 下部为外加的相位调制波 形， 通过相位调制将干涉仪的工作点锁定在 /2， 则实际的探测器输出波形为如右上角 所示的存在尖峰的幅值接近 0 的波形。 ） 。对于第二路陀螺， 其工作点在 2s/2， 其干 涉波形如图 6 所示 （图中坐标轴上部表示的是第二路干涉仪干涉光强按余弦规律变化， 下 部为外加的相位调制波形， 通过相位调制将干涉仪的工作点锁定在 2s/2， 则实际 的探测器输出波形为如右上角所示的存在尖峰的波形。 ） ， 通过对其解调即可解算出 2s， 从而在光纤环面积和光纤长度不变的条件下实现了 SAGNAC 效应倍增。 说 明 书 CN 103411601 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2a 图 2b 图 3 说 明 书 附 图 CN 103411601 A 8 2/3 页 9 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103411601 A 9 3/3 页 10 图 7 说 明 书 附 图 CN 103411601 A 10 。