采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率.pdf

本发明公开了一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率，该方法通过控制模块FPGA控制DDS产生不同频率下的不对称方波对Y波导进行相位调制；并由信号处理模块DSP实时解算出A/D采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔPd，并对所述差值绝对值ΔPd进行极小值判断，当差值绝对值ΔPd趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率fe等于调制频率fd。此种测量方法测得的本征频率fe精度高，频率跟踪调整速度快，实时性高。

1、  一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率，其特征在于：(A)由FPGA控制DDS产生初始调制频率 f 0 = C 2 nL ]]>下的不对称方波，L为光纤环(4)的光纤长度，n为光纤的折射率，C为真空中的光速；(B)所述不对称方波经D/A转换器64、放大调理电路65后，加载至Y波导3进行相位调制；(C)探测器5接收到干涉后的第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)转换为电流信号输出给检测电路61，检测电路61对接收的电流信号经放大、滤波处理后输出电压信号给A/D转换器62，其中，第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)是指干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形的相邻两个尖峰脉冲；(D)A/D转换器62接收干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形的相邻两个尖峰脉冲的电压信号，在采样时间T内进行采样，并将采样结果经控制模块FPGA送入信号处理模块DSP；(E)信号处理模块DSP对接收的采样结果进行累加得到第一累加和P₁、第二累加和P₂，并对第一累加和P₁与第二累加和P₂进行差值|P₁-P₂|运算得到初始调制频率f₀下的相邻两个尖峰脉冲对应的电压信号在采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP₀；(F)依次由FPGA控制DDS产生在调制频率f_d(d＝1，2，…，m)下的不对称方波，其中，调制频率f_d是在初始调制频率f₀的基础上以频率步进步长K步进产生的；(G)重复上述(B)～(E)步骤得到第d次调制频率下的相邻两个尖峰脉冲对应的电压信号在A/D转换器(62)的采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d；(H)所述累加和的差值绝对值ΔP_d在信号处理模块DSP中进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率f_e＝f_d。

2、  根据权利要求1所述的测量干涉式光纤陀螺本征频率，其特征在于：所述频率步进步长K是在1Hz～10KHz间可调。

3、  根据权利要求1所述的测量干涉式光纤陀螺本征频率，其特征在于：所述初始调制频率 f 0 = C 2 nL ]]>下的不对称方波与所述调制频率f_d(d＝1，2，…，m)下的不对称方波的占空比ε相同。

4、  根据权利要求1所述的测量干涉式光纤陀螺本征频率，其特征在于：所述A/D采样时间T满足 1 4 f d < T < 1 2 f d . ]]>

采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率
技术领域
本发明涉及一种测量干涉式光纤陀螺的本征频率的方法，更特别地说，是指一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率。
背景技术
干涉型光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，其硬件包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和信号处理装置6组成(请参见图1所示)。所述的信号处理装置6包括用于检测探测器5输出的光功率信号的检测电路61、A/D转换器62、中心处理器63、D/A转换器64和放大调理电路65组成(请参见图2所示)。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环4中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。
干涉式光纤陀螺环形干涉仪中，光波在Y波导3和耦合器2之间的两路光路的群传输时间之差倒数的二分之一称为光纤陀螺的本征频率(eigenfrequency)。光纤陀螺最小互易性结构的光功率响应是一个隆起的余弦函数，为了获得较高的灵敏度，故给该信号施加一个偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。而Y波导3中的寄生非线性或振幅调制可能会削弱偏置的质量。在Y波导3非线性的情况下，一种简单的解决方法是使光纤陀螺工作在本征频率(或其奇次谐波)上，因此，光纤陀螺的信号处理装置6通常都是基于其本征频率来设计其控制时序的。
为方便调试和批量生产，信号处理装置6的时序产生模块必须能在不改动硬件的前提下，跟踪由光纤环4上的光纤长度决定的光纤陀螺本征频率。在以往的光纤陀螺设计和调试中光纤陀螺的本征频率一般根据公式 f e = C 2 nL ]]>得到一个估计值，公式中：L为光纤环4的光纤长度，n为光纤的折射率，C为真空中的光速。光纤的长度L和折射率n受光纤曲率、强度及环境温度的影响较大，从而导致光纤陀螺的本征频率随外界因素而变化，传统方法估算出的固定值不可能准确地等于本征频率，从而引入调制误差影响陀螺性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率，该方法通过控制模块FPGA控制DDS(Direct Digital Synthesis直接数字合成)产生不同频率下的不对称方波对Y波导进行相位调制；并由信号处理模块DSP实时解算出A/D采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d，并对所述差值绝对值ΔP_d进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率fe等于调制频率f_d。此种测量方法测得的本征频率f_e精度高，频率跟踪调整速度快，实时性高。
本发明是一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率，其测量方法有下列步骤：
(A)由FPGA控制DDS产生初始调制频率 f 0 = C 2 nL ]]>下的不对称方波，L为光纤环(4)的光纤长度，n为光纤的折射率，C为真空中的光速；
(B)所述不对称方波经D/A转换器64、放大调理电路65后，加载至Y波导3进行相位调制；
(C)探测器5接收到干涉后的第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)转换为电流信号输出给检测电路61，检测电路61对接收的电流信号经放大、滤波处理后输出电压信号给A/D转换器62，其中，第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)是指干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形的相邻两个尖峰脉冲；
(D)A/D转换器62接收干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形的相邻两个尖峰脉冲的电压信号，在采样时间T内进行采样，并将采样结果经控制模块FPGA送入信号处理模块DSP；
(E)信号处理模块DSP对接收的采样结果进行累加得到第一累加和P₁、第二累加和P₂，并对第一累加和p₁与第二累加和P₂进行差值|P₁-P₂|运算得到初始调制频率f₀下的相邻两个尖峰脉冲对应的电压信号在采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP₀；
(F)依次由FPGA控制DDS产生在调制频率f_d(d＝1，2，…，m)下的不对称方波，其中，调制频率f_d是在初始调制频率f₀的基础上以频率步进步长K步进产生的；
(G)重复上述(B)～(E)步骤得到第d次调制频率下的相邻两个尖峰脉冲对应的电压信号在A/D转换器(62)的采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d；
(H)所述累加和的差值绝对值ΔP_d在信号处理模块DSP中进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率f_e＝f_d。
所述的测量干涉式光纤陀螺本征频率，其初始调制频率 f 0 = C 2 nL ]]>下的不对称方波与所述调制频率f_d(d＝1，2，…，m)下的不对称方波的占空比ε相同。
所述的测量干涉式光纤陀螺本征频率，其A/D采样时间T满足 1 4 f d < T < 1 2 f d . ]]>
本发明测量干涉式光纤陀螺本征频率方法的优点在于：(1)采用不对称方波调制，使得光纤环中的顺时针方向、逆时针方向传输的两束光干涉后的光功率对频率偏移特别敏感，运用DDS可以实现可变频率步进步长，最小可达到1Hz级的频率步进步长，从而可以实现对光纤陀螺本征频率的精确测量；(2)调制解调电路里控制模块FPGA与信号处理模块DSP并行执行，信号处理模块DSP采用快速数值寻优算法实时解算，控制模块FPGA根据信号处理模块DSP的反馈信息控制DDS产生不同频率的不对称方波对Y波导进行调制，实现本征频率自动跟踪；(3)频率跟踪调整速度快，实时性高。
附图说明
图1是光纤陀螺的结构框图。
图2是信号处理装置的结构框图。
图3是本发明不对称方波调制解调结构示意图。
图4A是调制频率等于本征频率时的调制波形示意图。
图4B是调制频率小于本征频率时的调制波形示意图。
图4C是调制频率大于本征频率时的调制波形示意图。
图4D是A/D采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d随调制频率f_d变化波形示意图。
图中：     1.光源         2.耦合器      3.Y波导        4.光纤环5.探测器       6.信号处理装置 61.检测电路   62.A/D转换器   63.中心处理器631.控制模块FPGA              632.DDS       633.信号处理模块DSP64.D/A转换器   65.放大调理电路
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种采用不对称方波调制方法测量干涉式光纤陀螺本征频率，其测量方法有下列步骤：
(A)由FPGA控制DDS产生初始调制频率 f 0 = C 2 nL ]]>下的不对称方波，L为光纤环(4)的光纤长度，n为光纤的折射率，C为真空中的光速；
(B)所述不对称方波经D/A转换器64、放大调理电路65后，加载至Y波导3进行相位调制；
(C)探测器5接收到干涉后的第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)转换为电流信号输出给检测电路61，检测电路61对接收的电流信号经放大、滤波处理后输出电压信号给A/D转换器62，其中，第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)是指干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形的相邻两个尖峰脉冲；
(D)A/D转换器62接收干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形的相邻两个尖峰脉冲的电压信号，在采样时间T内进行采样，并将采样结果经控制模块FPGA送入信号处理模块DSP；
(E)信号处理模块DSP对接收的采样结果进行累加得到第一累加和P₁、第二累加和P₂，并对第一累加和P₁与第二累加和P₂进行差值|P₁-P₂|运算得到初始调制频率f₀下的相邻两个尖峰脉冲对应的电压信号在采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP₀；
(F)依次由FPGA控制DDS产生在调制频率f_d(d＝1，2，…，m)下的不对称方波，其中，调制频率f_d是在初始调制频率f₀的基础上以频率步进步长K步进产生的；
(G)重复上述(B)～(E)步骤得到第d次调制频率下的相邻两个尖峰脉冲对应的电压信号在A/D转换器(62)的采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d；
(H)所述累加和的差值绝对值ΔP_d在信号处理模块DSP中进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率f_e＝f_d。
一般干涉式光纤陀螺的结构如图1所示，关于信号处理装置6的处理过程如图2所示。在本发明中，为了精确测量干涉式光纤陀螺的本征频率f_e，采用在控制模块FPGA 631控制DDS 632输出不同频率的不对称方波，以及检测电路61输出干涉后光功率信息P(t)随时间t变化波形相应的电压信号波形，以及信号处理模块DSP633实时解算出A/D采样时间T内的累加和的差值绝对值ΔP_d，并对所述差值绝对值ΔP_d进行极小值判断，当差值绝对值ΔP_d趋近于零时，则有光纤陀螺本征频率f_e等于调制频率f_d，如图3所示。
在本发明中采用不对称方波对Y波导进行相位调制的原理如下：
Y波导3的调制相位角 φ m ( t ) = φ m 1 &epsiv; T m φ m 2 ( 1 - &epsiv; ) T m , ]]>式中，T_m是调制周期，ε是占空比。当调制频率f_d等于光纤陀螺本征频率f_e时，则有调制周期 T m = 1 f e , ]]>光纤环4中的顺时针方向、逆时针方向传输的两束光的相位差 Δφ m ( t ) = φ m 1 - φ m 2 &epsiv; T m 0 Δ t 1 - ( φ m 1 - φ m 2 ) &epsiv;T m 0 Δ t 2 , ]]>且Δt₁＝Δt₂＝(1-2ε)T_m/2，式中，第一相位差φ_m1-φ_m2持续时间与第三相位差-(φ_m1-φ_m2)持续时间相等，εT_m是相位差的持续时间，Δt₁是第二相位差(零)持续时间，Δt₂是第四相位差(零)持续时间；其波形结构示意见图4A所示。光纤环4中两束光干涉后的光功率与时间t的关系为P(t)＝P₀(1+cosΔφ_m(t))，式中，P(t)表示顺时针方向、逆时针方向传输的两束光干涉后的光功率，P₀表示干涉前两束光的光功率，Δφ_m(t)表示不同时间段的相位差，m表示不同的时间段。
进入探测器5的干涉后的光功率信号的相邻两个尖峰脉冲宽度相等，即第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)，且第一光功率信息P(Δt₁)等于第二光功率信息P(Δt₂)；当调制频率f_d不等于光纤陀螺本征频率f_e时，如图4B、图4C所示，第一光功率信息P(Δt₁)、第二光功率信息P(Δt₂)脉冲宽度一个变宽，一个变窄(可以是第一光功率信息P(Δt₁)变宽，第二光功率信息P(Δt₂)变窄，反之亦然)；对P(Δt₁)、P(Δt₂)进行解调处理得到尖峰脉冲在采样时间T( 1 4 f d < T < 1 2 f d , ]]>f_d为调制频率)内的采样累加和P₁与P₂，在一定范围内 f d &SubsetEqual; [ f d 2 , f d 1 ] , ]]>|P₁-P₂|与调制频率f_d存在图4D所示关系，由此当|P₁-P₂|趋近于零时调制频率f_d无限逼近光纤陀螺本征频率f_e，即本发明将调制频率f_d作为光纤陀螺本征频率f_e。
本发明的干涉式光纤陀螺本征频率的测量，是将光功率响应在一个隆起的余弦函数，采用不对称方波调制，实时解算、精确测量出干涉式光纤陀螺的本征频率。