光纤陀螺的信号处理方案评述

第28卷第11期光子学报V o1.28N o.11 1999年11月 ACTA PHOTONICA SINICA No vem ber1999光纤陀螺的信号处理方案评述*戴旭涵　周柯江　刘　承　舒晓武　丁　军　杨国光(现代光学仪器国家重点实验室,浙江大学,杭州310027)摘　要　介绍了国外应用于不同场合、满足不同性能要求的光纤陀螺的闭环和开环信号处理方案,比较了它们的优缺点.光纤陀螺是近年来惯性导航系统中很有可能得到广泛应用的核心元件,其中信号处理方案在很大程度上决定了光纤陀螺的性能. 关键词　光纤陀螺;信号处理0　引言光纤陀螺是惯性测量组合的核心器件,早期的陀螺是机电式的,如挠性陀螺和静电悬浮式陀螺,但其体积大、结构复杂、成本高.本世纪初,发现了Sag nac效应,随后激光和光导纤维的发明及相关技术的飞速进步,为基于Sag nac效应的光纤陀螺奠定了技术基础.光纤陀螺与传统的机电式陀螺相比,具有体积小、重量轻、成本低、无可动部件、耐恶劣工作环境,电磁兼容性好等优点.自本世纪70年代以来,各主要发达国家先后投入相当大的人力物力进行研究,到目前为止,已先后开发出低精度成本至高精度高成本、不同系列、满足不同要求的光纤陀螺产品.光纤陀螺主要由光学系统和信号处理电路组成.由于光纤陀螺中光学系统的成本较高,结构相对而言较稳定,而电路系统成本相对而言较低,其结构则可以根据要求灵活改变,特别是采用了数字化方案后.对于同样的光学系统,采用不同的信号处理方案,系统性能可能有较大差异.性能优异的处理电路,甚至可以在一定程度上弥补光学系统的不足.因此,研究光纤陀螺的信号处理电路,对于提高系统性能具有重要的意义.目前,国内这方面的研究虽然有了一定进展,但与国外相比,还处于起步阶段,为此本文将介绍国外应用于不同要求的光纤陀螺的典型信号处理方案,以促进国内这方面研究的进展.1　概述采用互易性光路的光纤陀螺,其光强-相位输出可以表示为I=I0(1+cos )(1)式中, 为Sagnac相移=(2 L D/ 0c) (2)这是一条余弦响应曲线,其形状如图1左上角所示.图1　光纤陀螺的光强-相位响应Fig.1　O ptical Intensity-P hase R espo nse o f FO G虽然由式2可以看出Sagnac相移与被测角速度值之间存在线性关系,但由于PIN-FET所测得的是光强度信号,由图1中可以看出,光强-相位之间的关系是非线性的,且呈周期性变化.*国家863高技术计划资助项目收稿日期:1999—06—10为了获得严格的单调线性输入输出关系和较大的动态范围,必须综合运用光学和电路的方法对测得量作信号处理,以满足上述要求.通常,首先需要采用的方法是在系统回路中引入调制波,以方波为例,如图1所示,加上图中所示的方波调制后,光纤陀螺的工作点就被动偏置在±90°位置上了.由图1左上角可以看出,在±90°位置处d I/d 最大,即此处光纤陀螺的灵敏度最大,同时输入输出的线性度也最好.此时光纤陀螺的光强-相位输出可以表示为I=I0[1+cos( ± /2)](3)对应的光强输出如图1右上角所示,此信号经过开关相关调解器锁相放大后,可以表示为I=K・sin( )(4)式中K为等效放大倍数,如上所述,由于在±90°附近具有很好的线性度,当 很小时,可以认为I≈K・ (5)于是可以认为,此时陀螺的输入输出是线性的.此外,由于系统工作点在±90°位置之间来回切换,工作点偏置在+90°和-90°位置的时间相等,因此偏置对系统输出影响的时间平均值为零,即系统虽然加上了调制信号,但从时间平均的角度来说仍然是满足互易性条件的.引入调制波的另一个作用是:把PIN-FET的输出信号由基带平移到更高的频段,这样就可以利用高通滤波器排除低频噪音的影响,从而消除低频干扰的影响,提高了信噪比.目前光纤陀螺常用的信号处理方案主要可以分为两大类:闭环方案和开环方案.闭环方案的基本原理是在上述光路中引入相位反馈元件,在测出Sag nac相移后,用相位反馈元件产生一个与Sagnac相移大小相等,方向相反的非互易补偿相移,使系统相位工作点始终保持在线性度较好的偏置位置附近.由上述分析可知,此补偿相移线性正比于被测角速度,闭环方案通常就把此相移作为输出.目前通常采用铌酸锂相位调制器作为相位反馈元件.开环方案则不采用相位反馈元件,主要靠模拟或数字处理电路提取Sagnac相移,因此结构简单,成本低.其基本原理,以正弦波调制为例,加上正弦调制波后,PIN-FET的输出信号为I=I0[I+cos( + m・sin m・t)](6)式中 为Sag nac相移, m为相位调制幅度, m为调制频率.将上式右边按第一类贝塞耳函数展开,可得I(t)=I0/2{1+[J0( m)+2 ∞n=1J2n( m)・cos(2n m t)]cos( )-2 ∞n=0J2n+1( m)sin[(2n+1) m t]sin( )}(7)上式中,奇次谐波对应Sagnac相移的正弦函数项,偶次谐波对应其余弦函数项,若用解调电路提取出第一、二次谐波分量的幅值I( m)、I( 2m),即可根据=arctan{I( m)J2( m)/I(2 2m)J1( m)}(8)求得对应的Sagnac相移.2　闭环方案闭环方案的关键是如何引入补偿用非互易相移.为了保证光路的互易性,所采用的反馈器本身都是满足互易性要求的,只不过将它们以一定的方式接入光路后,再加上时变信号后,才产生了非互易相移.以相位调制器为例,若给相位调制器加上时变信号,则光在不同时间通过相位调制器时,产生的相移不同.将相位调制器放在光纤环的一端,由于互逆光经过调制器的时间是不同的,其时间间隔为渡越时间=nL/c(9)式中,n为光纤折射率,L为光纤环长度,c为光速.会在光路中引入非互易相移.对于相位调制器,理想情况下,若在相位调制器上加上无限斜坡信号=kt(10)则相位调制器引入的非互易相移为=kt-k(t- )=k (11)这样,只要改变k值,就可以获得不同的非互易相移,以抵销不同角速度对应的Sagnac相移.实际应用中,由于不可能在相位调制器上加上无限斜坡信号,通常采用其它波形实现上述闭环补偿原理.下面分别具体介绍各种闭环信号处理方案.2.1　模拟闭环方案2.1.1　锯齿波解调方案由上述分析我们可以知道,最直接的模拟伺服解调方案是用周期性复位的锯齿波信号来等效无限斜坡信号的锯齿波方案.其典型的系统结构如图2所示.1044光　子　学　报28卷　图2　模拟锯齿波解调方案　Fig.2　Schematic o f a clo sed-lo op gy ro with anglog ser ro dy ne phase mod-demodulat ion如图中所示,此方案采用铌酸锂相位调制器实现动态偏置和相位补偿,采用Lock-in解调PIN-FET输出电流并据此调整补偿信号使探测器输出保持在零位,而补偿信号的频率就反映了被测的Sagnac相移的大小,对应于输入转速值.这时,为了改变引入补偿相移的大小,首先固定锯齿波的幅值,通常设置在2 ,改变其频率,以得到不同的补偿相移.这时在未复位的T- 时间和复位所经历的 时间内所对应的 值相差2 ,由于光纤陀螺响应的周期性,其作用相互等效.因此都可以用于补偿Sag nac相移.采用锯齿波解调方案,能够在光路中引入一个平稳的非互易相移以补偿Sag nac相移,但由于锯齿波的复位时间要尽可能短,以避免引起刻度因子误差,因此要求所采用的相位调制器具有很大的响应带宽.在这类系统中通常采用铌酸锂相位调制器,将所加锯齿波幅值 m设置在2 ,通过改变其频率f m以调整引入的非互易相移的大小以抵销转速信号所引入的Sag nac相移.f m可以表示为f m=(D/n )・ (12)将此频率作为输出,即可反映输入转速值的大小.此方案中,在非复位段和复位段产生的非互易补偿相移分别为2 f m 和2 f m - m,若 m设置在2 ,由于陀螺响应的周期性,上述两段非互易相移经Lo ck-in解调结果应相等.实际应用中,可以检测上述两段时间内的解调输出,以监测 m,使之保持在2 .2.1.2　正弦波方案由于锯齿波方案中所采用的铌酸锂相位调制器成本较高,并且不易与光纤耦合,会带来较大损耗.为了降低成本,人们又转向全光纤方案,即采用光纤调制器代替铌酸锂调制器,此方案成本较低,结构简单,而且由于调制器本身就是由光纤构成,与光纤环容易接续,损耗较小.通常,光纤调制器是由一小段光纤以一定张力缠绕在圆柱形压电陶瓷而成.对于复杂的驱动波形,如锯齿波,包含了较宽频率范围内的许多谐波分量,由于压电陶瓷在其中某些频率分量的作用下会产生机械谐振,对不同谐波分量的响应不一致,因此光纤调制器通常不能用上述波形驱动,而采用频谱简单的正弦波驱动.采用正弦波方案的光纤陀螺,通常在光纤调制器上加上两个信号,一是幅值为 m,频率为f m 的动态偏置调制正弦信号,二是幅值可调、频率为f f的相位反馈正弦波信号、其PIN-FET输出经Lock-in解调后为一随时间变化的正弦曲线.由于其时间平均值为零,不能直接用于补偿Sagnac 相移,通常采用电路选通的方法,即用电路选通解调输出符号相同的固定半周部分(时间平均值不为零),用此部分信号补偿Sagnac相移,使补偿后输出的时间平均值为零.此时,要求反馈正弦波的频率f f小于偏置正弦波的频率f m,以获得较好的时间平均效果.同时f f又必须大于输入转速的变化频率,以保证系统具有足够的带宽.固定反馈正弦波的频率f f,改变反馈正弦波的幅值,即可改变非互易补偿相移的时间平均值,以补偿不同的转速对应的Sag nac相移.将此幅值信号作为陀螺的输出,即可测得转速.上述方案的缺点是虽然输入输出是一一对应的,但线性度不好.为了提高刻度因子线性度,通常是在上述补偿正弦波的基础上,再叠加上频率不同的另一个补偿正弦波分量,当这两个补偿正弦波分量的相位差和幅值差选取恰当值时,可以大大提高输出的线性度.但此时必须使两个补偿正弦波分量的相位差和幅值差保持恒定值,以保证刻度因子的稳定性.即使采用了上述措施,由于压电陶瓷的响应会随温度变化而产生较大变化,会引入刻度因子误差,且输出的被测量是交流信号的幅度值,难以精确测量,这些都限制了采用此方案的陀螺的性能,因此此方案只能用于精度不高的场合.2.2　数字式阶梯波解调方案这种方案是模拟锯齿波解调方案的数字化翻版,其补偿波形如图3所示,它用台阶宽度为 (渡越时间)、高度可调、周期复位的阶梯波来近似模拟锯齿波的作用,两者之间的不同在于数字式方案的输出存在间隔为 的窄而尖的瞬态脉冲,104511期 戴旭涵等.光纤陀螺的信号处理方案评述图3　阶梯波调制原理F ig.3　Schemat ic of dig ital serr odyne pha se mo dulatio n但只要控制好处理电路的选通时间就可以避免其不利影响.由图中可以看出,阶梯波的台阶高度对应于Sagnac 相移的大小,台阶的最小高度反映了闭环系统所能达到的分辨率.由于存在光子散粒噪音,且其频率为×10MHz,远大于系统工作频率,利用噪音的积累效应,可以利用一般的数字器件实现较高的性能.在构成数字闭环时,通常将偏置方波与补偿阶梯波叠加以构成铌酸锂相位调制器的驱动波形.此时要求偏置波与补偿波两者完全同步,由于是数字系统,很容易满足上述要求.图4所示为我们采用DSP构成的数字闭环信号　图4　调制信号及解调结果　Fig.4　T he wav e for m of mo dulatio n signal andt he co rr espo nding demo dulatio n r esult处理方案的输出结果,图中上方曲线为解调结果,下面曲线为偏置波与补偿波的迭加结果.图5所示为陀螺输出随时间漂移曲线,图中纵坐标为漂移量,横坐标为时间,根据图中结果所折算的长期漂移率小于0.2°/小时.在此类闭环系统中,除了采用闭环补偿Sag nac 相移以外,通常还要采用第二闭环控制锯齿波的幅值,使之保持在2 ,以避免阶梯波复位过程对系统输入产生较大影响.　图5　陀螺输出随时间漂移曲线　F ig .5　T he bias per for mance of F OGalo ng w ith the time var iance除了上述的各种方案以外,还研究过其它方案,如利用磁光效应构成相位调制器的方案等,但由于它们实现起来比上述各方案困难得多,因此没有进一步研究下去.3　开环方案开环方案不采用铌酸锂相位调制器补偿Sagnac 相移以此构成线性闭环,而是直接检测PIN -FET 的输出电流中所包含的萨格那克相移的正弦分量和余弦分量,以此一一对应地求出Sagnac 相移及其所反映的角速度,因此结构简单,成本较低.正如前面所述,若直接检测包含在不同谐波分量幅值内的Sagnac 相移的正弦分量和余弦分量来进行测量,由于需要检测交流信号的幅值,很难获得很高的精度,因此通常采用其它方法来实现上述测量原理,目前主要有合成外差法和数字锁相法两种.3.1　合成外差法合成外差法的基本原理是对PIN -FET 的输出信号再加上一级方波调制信号,调制频率与动态偏置调制频率f m 相同,其结果是PIN-FET 的输出信号中包含的各个谐波分量(其频率分别为动态偏置调制频率的整数倍),经过调制后,都产生了一个频率与其相差±f m 的边带信号,刚好与其相邻的谐波分量重叠.这样,每个谐波分量都同时包含了Sagnac 相移的正弦分量和余弦分量;同时应使调制波的幅值为固定值,以保证刻度因子的线性度.运用带通滤波器提取输出中某一频率分量,例如2f m 分量,则输出的两个通道的信号频率相等,都是2f m ,相互之间有相位差,大小为2 s ,将这两路信号输入鉴相器,通过比较信号过零的时间间隔,即可测出它们的相位差,从而测出Sagnac 相移及对应的角速度.由于输入鉴相器的两路信号都是有同一路信1046光　子　学　报28卷号经过调制后产生的,因此可以避免采用两路输入时由于光路和电路中其它器件引入的相位误差.由于采用了鉴相器,系统可以有很宽动态响应范围.而方案中主要的误差源来自所加调制波幅值偏离给定值,两路带通滤波器对同一输入相位响应不同,以及鉴相器在测量两种信号过零间隔时引入的误差.3.2　数字锁相法由于合成外差法主要由模拟电路构成,在实际应用中,由于模拟器件固有的温漂、零漂等因素的影响,会引入一定的误差,因此又出现了一种采用数字电路构成的光路开环,电路闭环信号处理方案,以克服模拟电路的缺点,其结构如图6所示. 图6　数字锁相法原理图 Fig .6　Schematic o f the open -loo p g yr oscope w ithdig ital phase locked lo op sig nal pro cessing图中,PIN-FET 的输出电流,经过高通滤波后,被频率等于正弦调制波频率,占空比可调的数字脉冲信号调制,然后由低频滤波器提取被调制信号的直流分量,此直流分量S ( , )的大小与输入角速度 及调制波占空比 有关,其不同 值所对应的波形如图7所示.将S ( , )作为数字调制波形发生器的输入,以调整 的大小.最终使得直流分量S ( , )保持在零位附近,从而构成电闭环.此时,反馈信号S ( , )可以表示为S ( ,R )=I 0 -1[(cos R )・S x ( )-(sin R )・C x ( )](14)式中S x ( )=∞n =12・J 2(2n -1)( m )2n -1・sin [(2n -1)・ ](15)C x ( )=∞n =12・J 2(2n -1)( m )2n -1×{sgn[co s(2)]　・co s [(2n -12)・ ]+(-1)n ・sgn [sin ( 2)]　・sin [(2n -12)・ ]}(16)图7　数字锁相法方案中不同Sag nac 相移所对应的数字调制脉冲波形. R :Sag nac 相移, :占空比Fig.7　D ig ital w av efor ms for the dig ital phase lo ckedlo op gy ro sco pe for sever al v alues o f Sagnac phase shift . R :sagnac shift , :digital pulse spac-ing当 m 为一定值( m =2.77)时,S x ( )与C x ( )分别近似等于sin ( )和co s ( ),则此时,S ( , )可以近似表示为S ( , )≈(I 0/ )sin( - R )(17)这样,当构成闭环后,S 的值保持在零位附近, - R 很小,可以近似认为此时 - R =0,即 = R ,从而获得 与 R 的线性关系.这种方案的误差源主要有两个:一是 m 偏离设定值2.77,二是数字脉冲调制波与PIN-FET 的输出电流信号有相位差.若能够将 m 的值精确设定在2.77,则 与 m 的最大偏差不超过0.007rad.由于信号解调部分完全由数字电路构成,调整方便,因此是一种很有前途的方案.104711期 戴旭涵等.光纤陀螺的信号处理方案评述4　结论综上所述,光纤陀螺的信号处理方案可以根据实际应用要求灵活选择,要求高精度、大动态范围时通常采用闭环方案,目前被广泛采用的是数字式阶梯波解调方案.而要求低成本的场合则通常采用开环方案,其中,数字锁相法是一种很有前途的方案.参考文献1　Burns W K.Optical Fiber Ro tation Sensing.Bosto n:A cademic P ress,1994:81～1112　Burns W K,Chen Chin-L in,M oeller R P.Fiber-o ptic g yr oscopes with br o ad-band sources.Jo ur nal o f L ig htwa ve T echno lo gy,1983,L T-1(1):98～1053　Ezekiel S,A rditt y H J.Fiber-o pt ic ro tation senso rs.Fiber-Optic R otat ion Sensor s and R elat ed T echno lo gies,1982:2～264　Ber gh R A.D ual-ramp closed-lo op fiber-o ptic gy ro sco pe.SP IE F iber Optic a nd L aser Senso rsⅦ,1989,1169:429～4395　Ber gh R A,L efevr e H C,Shaw H J.A n ov erv iew of fiber-o pt ic gy r oscopes.Journal of Lightw av e T echno log y,1984, LT-2(2):91～1076　V ali V,Sho rt hill D N.F iber ring inter fero meter.A ppl Opt,1976,15,1099～11007　A sami E,Sasaki Y,Hisa H,et al.Inertial g r ade IF O G development status at JAE.SPIE,1996,2837:192～1988　Sakuma K.A pplication of fiber g yr os at JA E,SP IE,1996,2837:72～799　L iu R Y,El-Wailly T F,Dankw o rt R C.T est r esults o f Ho neyw ell′s fir st-g ener ation,hig h-perfo r mance int erfer-o metric fiber-optic g yr oscope.SP IE,1991,1585:262～275GENERAL COMMENTS ON SIGNAL PROCESSING SCHEMEFOR FIBER OPTIC GYROSCOPEDai Xuhan,Zhou Kejiang,Liu Cheng,Shu Xiaow u,Ding Jun,Yang Guoguang State K ey L abor atory of M odern Op tical I nstr umentation,Zhej iang U niver sity,H ang z hou310027R eceived date:1999-06-10Abstract　With consideratio n on application,it is presented typical closed-loop and o pen-loop FOG sig nal processing scheme used for different application and fulfilled different requirem ents.Both ad-vantag es and disadv antages of each scheme are compared.Fiber optic gy roscope is one of the m ost pr ominent com ponents utilized in intertial navigatio n system in recent y ears.T he sig nal-processing schem e is the key factor for the improvement of its perform ances.Keywords　Fiber optic gy roscope;Sig nal pr ocessing Dai Xuhan　w as ho rn in Nanping,Fujian in1974,receiv ed his B.S.deg reeat the depar tm ent of mechanical eng ineering fr om Yanshan Univ er sity andM.S.degree at the departm ent of m echanical eng ineer ing from ZhejiangUniver sity in1994and1997r espectively.Currently he is a doctor can-didate at the department o f optical engineering of Zhejiang U niversity.Hisresear ch is focused on fiber optic sensor and its sig nal processing method. 1048光　子　学　报28卷。