光纤陀螺原理

光纤陀螺捷联惯导课题组专题研讨光纤陀螺信号处理原理、方案及实现研讨内容：干涉式光纤陀螺基本原理简介；信号的偏置调制与解调；闭环工作方案与实现；基于FPGA的信号处理及时序控制；信号处理电路板介绍；FPGA程序介绍。干涉式光纤陀螺基本原理等价的概念：环形干涉仪——光纤陀螺光纤线圈——光纤环相位调制器——Y波导（Y分支）群传输时间——渡越时间萨格奈克相位差——Sagnac——SS干涉式光纤陀螺基本原理光纤陀螺基于萨格奈克（Sagnac）效应，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。cLDS2;2cAlt;clt;tS(a)MMl(b)M`干涉型光纤陀螺（I-FOG）就是一个光纤Sagnac干涉仪，它利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光；把光相位的直接测量变为光强度的测量，从而较简单地测出Sagnac相位变化。光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为ΔΦS的余弦函数：干涉式光纤陀螺基本原理0IISSIIcos1)(0干涉式光纤陀螺基本原理光源发出的光经过耦合器后分为两束光，其中的一束光进入电光相位调制器（Y波导），经过Y波导的内部调节后输出的两束光为满足光的相干条件，这两束光在光纤环中相向传播，感应外部的角速度运动，在探测器处检测干涉信号光强变化，经过光电信号处理转换之后，形成闭环反馈电压信号来调节Y波导，使Y波导产生与外部Sagnac相移大小相等方向相反的反馈相移，使数字闭环光纤陀螺始终工作在零点相移附近，在数据处理的同时即可以获取外部的角速度信息。ASEPIN光纤环逻辑电路A/DD/A干涉光强信号调制电压信号转速信号宽带光源光电检测器耦合器Y波导采用Y波导和全数字闭环处理方案的最佳IFOG结构信号的偏置调制与解调SSSIIcos1)(00ddI0ddIbS0IS'I)cos(1)(0bSSIIΦb必须和预定的灵敏度一样稳定！“互易性偏置调制—解调”光纤环互易性相位调制器)()(ttmmm)(tm在光纤线圈的一端放置一个互易性相位调制器作为时延线，可完全克服相位偏置的漂移问题。由于互易性，两束干涉波受到完全相同的相位调制，但不同时，其时延等于调制器和分束器之间的长、短光路的群传输时间之差τ。信号的偏置调制与解调于是，干涉信号变为：这种方法可以用一个方波调制来实现，即，其中方波的半周期等于τ，从而产生一个的偏置调制。2bm)cos(1)(0bSSIIbm静止时，方波的两种调制态给出相同的信号：)cos(1),()cos(1),(00bSbSbSbSIIII)cos1(),0(),0(0bbbIIIsbbSbSbSIIIsinsin2)]cos()[cos(),(00旋转时，则有：两种调制态之差变为：信号的偏置调制与解调0It0tS偏置调制光强响应检测光强信号静止旋转bb信号的偏置调制与解调用锁定放大器对探测器信号进行解调，可以测量这个“偏置”信号ΔΙ，当sbbSIIsinsin2),(02bsSIIsin2)2,(01sinb时有最大灵敏度，此时。由于这种调制—解调方法能够产生一个具有稳定偏置的正弦响应(未加调制的余弦响应的导数)，目前已经作为最佳的偏置技术被广泛采纳。II00稳定的零点信号的偏置调制与解调0t0VV0t22Δφm0tφm2)()(ttmmm信号的偏置调制与解调偏置调制状态选择的依据：最佳性能来自于最佳的信噪比；考虑理论光子噪声及探测器热噪声，偏置工作点可以选在之间，不会削弱信噪比。信号的偏置调制与解调43~2100abcdf243（a）实际光功率；（b）光子噪声；（c）灵敏度；（d）信噪比（纵向坐标已归一化）45tt4343x1x2x3x445x1x2x3x4x1x2x3x4静止旋转2xx信号的偏置调制与解调四状态——4闭环工作方案与实现前面描述的调制—解调检测方案能够保持环形干涉仪的互易性，因而可以得到很好的零偏性能。当然，倘若高性能光纤陀螺仪必须有一个稳定的和低噪声的零偏，它也同样需要在整个动态范围内而不仅仅在零点附近具有好的精度。重要的测量参数是旋转的积分角位移而不只是速率，任何过去的误差都将影响未来的信息。这一约束意味着，在任何速率上都需要一个精确的测量值（也即要有一个精确的标度因数）。这就是说，干涉仪的固有响应是正弦型的，而所需的陀螺仪速率响应信号应是线性的。这个问题可以采用闭环信号处理方法来解决。解调出的偏置信号（或开环信号）作为一个误差信号反馈回系统中，以产生一个附加的反馈相位差ΔφFB。ΔφFB与旋转引起的相位差ΔφS大小相等、符号相反，总的相位差ΔφT=ΔφS+ΔφFB被司服控制在零位上。在这种闭环方案中，新的测量信号是反馈相位，它与反馈的光功率和检测通道的增益无关，这样就得到了一个稳定性好的线性响应。0IS反馈FB··开环信号稳定的零点FBLDc2旋转速率的测量值变为：闭环工作方案与实现闭环工作的原始方案之一：利用频移——由声光调制器（AOM）也称为布喇格元件产生频移。事实上，萨格奈克效应可以用线圈分束器上的多普勒效应来解释，这样，位于线圈一端的频移器可以使萨格奈克效应的多普勒频移置零。光纤环AOM1)(FBcffAOM2cf分束器AOML12AOMceLcf221稳定性！闭环工作方案与实现原始方案二：模拟相位斜波——锯齿波调制通过采用一个线性相位斜波，可以克服声光频移器的稳定性问题。频率是相位的导数，运用一个相位调制器来代替频移器施加相位斜波调制（其中是斜率），等价于一个频移。这种处理方案允许在零点附近正向或负向工作（与斜波斜率的符号关）。实际上，锯齿波调制波形在复位时必须具有很快的回扫时间。它要求相位调制器在很大的带宽内具有平坦的调制效率。ttPR)()()()(tttPRPRPRPR(斜率)RStPRtRS0闭环工作方案与实现设想，当处理回路为闭环时，通过调节斜率补偿旋转引起的相位差，使总的相位差为零：锯齿波复位高度必须等于干涉仪的响应周期2πrad，否则这种复位会引起误差。RSSTS0PRSTTRS也即：复位后，由零变为。闭环工作方案与实现复位误差为简单起见，考虑干涉仪施加偏置后的正弦响应。当时信号为零，但在每个复位后的时间τ内，信号变为。这种寄生信号可以作为一个方便的误差信号，用于在每个复位触发第二个反馈回路，以检验相位调制器的调制效率。RSsin0TRSPRTTttt2RS000RS响应误差信号闭环工作方案与实现采用第二个处理回路，复位被精确地控制在2π上，因此正、负复位的计数提供了旋转角的精确测量。由于，斜率与旋转速率Ω成正比：R这种模拟相位斜波反馈方案看起来很有吸引力，但它需要很短的和非常稳定的回扫时间，才能得到很高的标度因数稳定性和线性度。一般地，10ppm的标度因数稳定性要求回扫时间小于光纤环传输时间的1%（也即小于几十纳秒）。cLD2闭环工作方案与实现现用方案——数字相位斜波利用数字方法很容易解决模拟相位斜波反馈的回扫问题。“数字相位斜波”产生一个持续时间等于τ的相位台阶，取代连续斜波。由于光纤环圈的延迟，数字相位斜波引起的相位差为常数，且等于台阶高度。这些相位台阶和复位可以与方波偏置调制同步：方波半周期等于τ。相位台阶的幅值通过相位置零反馈回路来设置，与旋转引起的萨格奈克相位差大小相等、符号相反：这个值给出的是旋转速率的线性读出值。FBSJSJJJ闭环工作方案与实现Jt0FBt0bt0RSJRSJ同步的相位台阶和复位数字相位斜波引起的相位差方波偏置调制信号闭环工作方案与实现数字相位斜波的产生：数字寄存器容纳相位台阶的数字值DJ,其动态范围可以很大（大于25位）。数字积分器产生阶梯斜波的数字值DR。一个D/A转换器和一个缓冲放大器产生相位调制器的模拟驱动电压。对于N位的D/A，可以在的动态范围内把数字量D转化为一个模拟电压，其中VLSB是与最低有效位（LSB）对应的驱动电压。当DR大于时，自动溢出产生的电压等于。如果调节调制通道的增益，使满足：其中Vπ是产生πrad相移的电压，此时溢出自动地产生一个复位，它等效于模拟斜波的2π复位，因而不会产生任何标度因数误差。这种自动溢出可以采用一个相位斜波，也可以采用相位斜波和方波调制的数字和。这允许Y分支的两个调制器采用推挽连接，减少他们的整体非线性误差。数字相位斜波的真正“魅力”，是运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值，都能通过转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位。这样可以非常容易地实现这项有效的技术。A/D转换器数字寄存器数字积分器D/A转换器模拟缓冲放大器相位调制器LSBNRVD)2()12(NLSBNV)12(~0VVLSBN22闭环工作方案与实现数字相位斜波技术优势：1.在数字方案中，复位和台阶都与时钟时间τ同步。这样，通过在每次回扫时触发第二个反馈回路，放宽了将的值精确控制为2π的要求。由于第二个反馈回路也与τ同步，因此不受方波调制的瞬态过程的干扰。2.尽管从2πrad到0.1μrad的分辨率之间实际的动态范围高达26位，但数字相位斜波不需要位数很大的D/A转换器！（对D/A转换器的一般性能要求是线性度误差小于一个LSB。）3.实时速率测量值是相位台阶的数字值DJ，存储在数字逻辑电路的寄存器中。用来驱动电路的时钟必须与光纤线圈的传输时间τ近似匹配，以便于限制瞬时脉冲的宽度，但台阶值与τ没有直接关系。当τ变化时，会轻微地改变选通的瞬时脉冲的宽度，而反馈台阶的值保持不变。利用数字斜波和一个稳定的电子时钟，标度因数基本上只与线圈几何长度上的萨格奈克效应有关，而与折射率没有关系。4.数字斜波方法允许将动态范围很容易地扩展到几个条纹。存储在寄存器中的相位台阶幅值可以对应着大于±πrad的相位，D/A转换器的溢出自动把实际的相位调制范围限制在小于2π。JJLSBNV2闭环工作方案与实现ASEPIN光纤环逻辑电路A/DD/A干涉光强信号调制电压信号转速信号宽带光源光电检测器耦合器Y波导闭环工作方案与实现A/D转换器D/A转换器增益调制器—Y波导FPGAD/A转换器第二回路信号输出探测器滤波器闭环工作方案与实现采用第二个反馈回路控制调制幅值的全数字闭环方案原理图