光纤陀螺原理 ppt课件
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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
2020/11/24
1
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。
2020/11/24
2
精品资料
你怎么称呼老师？ 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？ 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ 教师的教鞭 “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……” “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
旋转时，则有：
I(S ,b)I01cosS (b) I(S , b)I01cosS (b)
两种调制态之差变为：
I ( S ,b ) I 0 [ c S o b ) c s o S ( b ) s 2 I ] 0 s (b s i n i s
2020/11/24
11
信号的偏置调制与解调
2020/11/24
10
信号的偏置调制与解调
于是，干涉信号变为：
I ( S ) I 0 1 c o S s b ) (
这种方法可以用一个方波调制来实现，即
从而产生一个 mb的偏置调制。
m
b
2
，其中方波的半周期等于τ，
静止时，方波的两种调制态给出相同的信号：
I(0 ,b ) I(0 ,b ) I0 (1 co b )s
转速信号
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
采用Y波导和全数字闭环处理方案的 最佳IFOG结构
息。
2020/11/24
8
信号的偏置调制与解调
I(S) I0 1 c oS s
I0
dI 0
S
d
I'
b
dI 0 d
S S
2020/11/24
I ( S ) I 0 1 c o S s b ) (
17
闭环工作方案与实现
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。
后输出的两束光为满足光的相 PIN
干涉光强信号 调制电压信号
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
A/D
逻辑电路
D/A
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
光强响应
I 检测光强信号
b b
0
偏置调制
2020/11/24
S
t
静止
0
旋转
t
12
信号的偏置调制与解调
I(S, b) 2 I0sib n si ns
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 b 2 时有最大灵敏度，此时 sinb 1。
I( S,2)2I0si n s
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 2~3 4之间，不会
削弱信噪比。 1 d
c b
a
0
0
3
2
4
f
（a）实际光功率；（b）光子噪声；（c）灵
2020/11/24
敏度；（d）信噪比（纵向坐标已归一化）
15
信号的偏置调制与解调
x
x
x4 x3
4
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
2020/11/24
5
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。
光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为 ΔΦS的余弦函数：
I(S) I0 1 c oS s
Iห้องสมุดไป่ตู้
I0
2020/11/24
7
干涉式光纤陀螺基本原理
光源发出的光经过耦合器 宽带光源
后分为两束光，其中的一束光 ASE
Y波导
进入电光相位调制器（Y波
耦合器
光纤环
导），经过Y波导的内部调节 光电检测器
x1 x2
5 3
3 5
x1 x3 x2 x4
x1 x3 x2 x4
t
4
4
4
4
静止
旋转
四状态——
2
4
t
2020/11/24
16
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。
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M
M l M`
(a)
(b)
l 2At ; c
t l ;
c
S t; S 2LcD
2020/11/24
6
干涉式光纤陀螺基本原理
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。
Φb必须和预定的灵敏度一样稳9定！
信号的偏置调制与解调
“互易性偏置调制—解调”
m m (t) m (t )
互易性相位调制器
m (t)
光纤环
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。
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。
I
I
稳定的零点
0
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0
13
信号的偏置调制与解调
V
0 φm
2
0
Δφm
2
0
2
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m m (t) m (t )
V0 t
t
t
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信号的偏置调制与解调
光纤陀螺信号处理原理、方案及实现
2020/11/24
1
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。
2020/11/24
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精品资料
你怎么称呼老师？ 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？ 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ 教师的教鞭 “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……” “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
旋转时，则有：
I(S ,b)I01cosS (b) I(S , b)I01cosS (b)
两种调制态之差变为：
I ( S ,b ) I 0 [ c S o b ) c s o S ( b ) s 2 I ] 0 s (b s i n i s
2020/11/24
11
信号的偏置调制与解调
2020/11/24
10
信号的偏置调制与解调
于是，干涉信号变为：
I ( S ) I 0 1 c o S s b ) (
这种方法可以用一个方波调制来实现，即
从而产生一个 mb的偏置调制。
m
b
2
，其中方波的半周期等于τ，
静止时，方波的两种调制态给出相同的信号：
I(0 ,b ) I(0 ,b ) I0 (1 co b )s
转速信号
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
采用Y波导和全数字闭环处理方案的 最佳IFOG结构
息。
2020/11/24
8
信号的偏置调制与解调
I(S) I0 1 c oS s
I0
dI 0
S
d
I'
b
dI 0 d
S S
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I ( S ) I 0 1 c o S s b ) (
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闭环工作方案与实现
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。
后输出的两束光为满足光的相 PIN
干涉光强信号 调制电压信号
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
A/D
逻辑电路
D/A
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
光强响应
I 检测光强信号
b b
0
偏置调制
2020/11/24
S
t
静止
0
旋转
t
12
信号的偏置调制与解调
I(S, b) 2 I0sib n si ns
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 b 2 时有最大灵敏度，此时 sinb 1。
I( S,2)2I0si n s
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 2~3 4之间，不会
削弱信噪比。 1 d
c b
a
0
0
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2
4
f
（a）实际光功率；（b）光子噪声；（c）灵
2020/11/24
敏度；（d）信噪比（纵向坐标已归一化）
15
信号的偏置调制与解调
x
x
x4 x3
4
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
2020/11/24
5
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。
光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为 ΔΦS的余弦函数：
I(S) I0 1 c oS s
Iห้องสมุดไป่ตู้
I0
2020/11/24
7
干涉式光纤陀螺基本原理
光源发出的光经过耦合器 宽带光源
后分为两束光，其中的一束光 ASE
Y波导
进入电光相位调制器（Y波
耦合器
光纤环
导），经过Y波导的内部调节 光电检测器
x1 x2
5 3
3 5
x1 x3 x2 x4
x1 x3 x2 x4
t
4
4
4
4
静止
旋转
四状态——
2
4
t
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16
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。
2020/11/24
M
M l M`
(a)
(b)
l 2At ; c
t l ;
c
S t; S 2LcD
2020/11/24
6
干涉式光纤陀螺基本原理
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。
Φb必须和预定的灵敏度一样稳9定！
信号的偏置调制与解调
“互易性偏置调制—解调”
m m (t) m (t )
互易性相位调制器
m (t)
光纤环
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。
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。
I
I
稳定的零点
0
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信号的偏置调制与解调
V
0 φm
2
0
Δφm
2
0
2
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m m (t) m (t )
V0 t
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信号的偏置调制与解调