光纤陀螺信号处理

信号的偏置调制与解调
光强响应
I
检测光强信号
静止
旋转
t
− φb
0
φb
0
偏置调制
∆Φ
t
S
信号的偏置调制与解调
∆I (∆Φ S , φb ) = 2 I 0 sin φb sin ∆Φ s
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∆Ι，当 φb = π 2 时有最大灵敏度，此时 sin φb = 1 。
R
S
• •
− 2π
•
φRS
0
∆φT
∆φT
0
t
φPR
φRS
t
0
t
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 ∆φR = −φ ⋅τ ，斜率 φ 与旋转速率Ω成正比：
& = − 2πLD ⋅ Ω φ λcτ
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）。
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 φ J ， 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 ∆φFB 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 φ J 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∆φS大小相等、符号相反： 这个 φ J 值给出的是旋转速率的线性读出值。
t t
0
−
π
2
t
信号的偏置调制与解调
偏置调制状态选择的依据： 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π 2 ~ 3π 4 之间，不会 削弱信噪比。 1
d
c b
a
0 0
π
2
Φf
3π 4
π
信号的偏置调制与解调
x
x4 x3 x1 x2
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 ∆Φ S —— ∆φS
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。
光纤陀螺捷联惯导课题组专题研讨
光纤陀螺信号处理原理、 光纤陀螺信号处理原理、方案及实现
哈尔滨工程大学自动化学院 四零七教研室
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 FPGA的信号处理及时序控制 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。 FPGA程序介绍。
∆φT = ∆φS + ∆φPR = 0
也即：
& ∆φS = −φ ⋅τ
复位后， ∆φT 由零变为 φ RS 。
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 ∆φT = 0时信号为零，但在每个复位后的时间τ内，信号变为 sin φ RS 。 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。
f c (+ ∆f FB)
∆φ1
∆L AOM
∆φ 2
fc
2πf c ∆φe = ∆φ1 + ∆φ2 = ⋅ ∆LAOM c
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 & φPR (t ) = φ ⋅ t（其中 φ& 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。
数字相位斜波技术优势： 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 N 扫时触发第二个反馈回路，放宽了将2 VLSB 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 φJ 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。 φJ 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。
旋转时，则有：
I (∆ΦS ,φb ) = I0 [1+ cos(∆ΦS + φb )]
I (∆ΦS ,−φb ) = I 0 [1 + cos(∆ΦS − φb )]
两种调制态之差变为：
∆I (∆ΦS , φb ) = I 0 [cos(∆ΦS − φb ) − cos(∆ΦS + φb )] = 2I 0 sin φb sin ∆Φs
信号的偏置调制与解调
I (∆Φ S ) = I 0 [1 + cos ∆Φ S ]
dI =0 dΩ
I0
∆φS
I'
φb
dI) = I 0 [1 + cos(∆Φ S + φb )]
Φb必须和预定的灵敏度一样稳定！
信号的偏置调制与解调
“互易性偏置调制—解调”
x
5π 3 π − −π − 4 4
3 π 4
π
5 π 4
∆Φ
x1 x3 x2 x4 静止
x1 x3 x2 x4 旋转
t
∆Φ
τ
2
四状态——
π
4
t
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。
∆φ m = φ m (t ) − φ m (t − τ )
τ
φ m (t )
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
闭环工作方案与实现
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
信号输出 调 制 增 益 器 —Y Y A/D 转 换 器 器 D/A 转 换 器 器 FPGA
于是，干涉信号变为：
I (∆Φ S ) = I 0 [1 + cos(∆Φ S + φb )]
这种方法可以用一个方波调制来实现，即 φm = ± 从而产生一个 ∆φm = ±φb 的偏置调制。 静止时，方波的两种调制态给出相同的信号：
φb
2
，其中方波的半周期等于τ，
I (0,−φb ) = I (0, φb ) = I 0 (1 + cosφb )
I (∆Φ S ) = I 0 [1 + cos ∆Φ S ]
I
I0
− Ωπ
Ωπ
Ω
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。
2 N VLSB = 2Vπ
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。
闭环工作方案与实现
∆l
Ω
2πLD ∆l 2 At ⋅Ω ∆l = ⋅ Ω; δt = ; ∆Φ S = ω ⋅ δt ; ∆Φ S = c c λc
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。 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：