[发明专利]高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法

说明书

本发明公开了一种高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明在现有两个闭环基础上，采用增加第三数字闭环方式，在阶梯波复位时，比较前后探测器的采样值，测出2π复位时的误差信号，通过FPGA调整调制信号的大小，形成一个反馈回路，可在长时间工作后，环境、光源、电路等自身变化后，依然能确保2π复位误差为0，提高光纤陀螺长时间工作的稳定性；而且该数字闭环实现简单，且与光纤陀螺中的其他闭环互不影响。

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，是一种高精度光纤陀螺四态调制中调制深度的自动调整方法。

背景技术

陀螺仪是惯性系统的核心部件，也是惯性技术研究的重点内容之一。光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，它实际上是一个基于Sagnac效应的环形干涉仪。由于它具有全固态、低成本、可靠性高、启动速度快等优点被广泛应用于飞机、潜艇、军舰、导弹、卫星等领域,成为近年来国内外惯性器件的一个研究热点。光纤陀螺的全数字闭环检测方案是现阶段的主流检测方案，采用这种类型的光纤陀螺仪具有高精度、大动态范围和高标度因数线性度等特点。光纤陀螺仪的高理论灵敏度优势，促进了过去30年全球对光纤陀螺仪的研究。

在光纤陀螺中，由旋转引起的Sagnac相位差Δφ_s与角速度成正比，而探测器的输出响应是相位差的余弦函数，这导致光纤陀螺探测光强相对于相位差存在两个问题：非线性和周期性。因此通常的做法是在光纤陀螺中加入一个反馈量，使得两束反向传播的光波之间引入一个非互易相位误差Δφ_f补偿旋转引起的相位差Δφ_s，这使得闭环光纤陀螺对旋转速率的响应基本是线性的，这是光纤陀螺第一个反馈回路。光纤陀螺中的相位调制器使用的是铌酸锂电光调制器，施加在铌酸锂晶体上的电压与调制的相位成线性关系，其中相位为2π时所对应的电压值称为铌酸锂晶体的2π电压。数字相位斜波技术采用数字逻辑和D/A，通过寄存器自动溢出来实现2π复位。但是由于温度漂移等因素，会引起相位调制通道增益发生变化，从而影响2π复位精度。如图1所示，通过比较2π复位前后探测器信号的采样值就可以测得2π电压误差，当2π复位前后探测器信号的采样值相等时，认为2π电压误差为0，而当2π复位前后探测器信号的采样值不相等时，2π电压存在误差。当存在误差时，通过改变阶梯波相位反馈回路的增益，精确控制2π复位，这是光纤陀螺第二个反馈回路，通常称为第二闭环。

高精度光纤陀螺普遍采用的是四态调制，四个状态的相位差分别-Δφ_a、-Δφ_b、Δφ_b、Δφ_a、每个状态持续时间为τ/2，τ为光通过整个光纤线圈长度的传输时间，并且相位差满足cosΔφ_a＝cosΔφ_b，即Δφ_a+Δφ_b＝2π。该四态调制方式较于方波调制的优势在于，四态调制每两个周期就能解调出2π复位电压误差，如图2所示，2π复位误差ΔD＝D₁+D₃-D₂-D₄，D₁～D₄分别为图2中标号为1～4的四个状态时刻的AD采样值，通过数字逻辑电路将误差信号解调出来，而方波调制只有在阶梯波复位时才检测一次2π复位误差。当光纤陀螺处于低转速状态工作时，阶梯波复位时间长，导致消除2π电压误差需要一个较长的调整时间，而四态调制可以避免上述缺陷，能快速调整2π电压。

在高精度光纤陀螺中，为消除光纤环中的背向反射和散射对检测精度的影响，减小光学克尔效应，一般都采用宽谱光源。单一波长λ的光(光强为I₀)干涉后的光强为I＝I₀[1+cos(2π·ΔL/λ)]，是简单的余弦函数，ΔL表示光程差，而宽谱光源跟单色光源有很大的不同。宽谱光源包含不同波长成分，不同波长成分的干涉图样与光程差的关系如图3所示。这些不同波长成分叠加在一起导致宽谱光源的干涉图样不同于单一波长干涉图样，根据光的干涉原理，在光纤陀螺中，两列波即振幅为A的一列波A(t)与它延时了τ(即光程差ΔL＝cτ，c为光速)的波A(t-τ)发生干涉，干涉波的强度为：