[发明专利]基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法

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：