光纤陀螺原理

数字寄存器 数字积分器
2 VLSB 2V
N
D/A转换器 模拟缓冲 放大器 相位调制器
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。
信号的偏置调制与解调
于是，干涉信号变为：
I ( S ) I 0 1 cos( S b )
这种方法可以用一个方波调制来实现，即 m 从而产生一个 m b 的偏置调制。 静止时，方波的两种调制态给出相同的信号：
b
2
，其中方波的半周期等于τ ，
I (0,b ) I (0, b ) I 0 (1 cosb )
A/D转换器
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 0 ~ (2 N 1)VLSB 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。 N 当DR大于 (2 N 1)时，自动溢出产生的电压等于( DR 2 )VLSB。 如果调节调制通道的增益，使满足：
f c ( f FB)
分束器
1
AOM1
L AOM
光纤环
2
AOM2
fc
2f c e 1 2 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 PR (t ) t（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。
旋转速率的测量值 变为：
I
稳定的零点
反馈 FB
c FB 2LD
· · 0
S
开环信号



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。
PR

(斜率)
RS
PR
0

t
RS
PR (t ) PR (t ) PR (t )
t
闭环工作方案与实现
锯齿波复位高度 RS 必须等于干涉仪的响应周期 2πrad，否则这种复位会引起误差。
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 S ，使总的相位差 T 为零：
J S
闭环工 作方案 与实现

同步的相位台阶和复位
J

RS
0
FB
0
J
数字相位斜波引起的相位差
t
J RS
b
0
方波偏置调制信号
t
t
闭环工作方案与实现
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。
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 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 J 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。 J 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。
宽带光源
ASE
耦合器 光电检测器
Y波导 光纤环
干涉光强信号
A/D
逻辑电路
D/A
转速信号
采用Y波导和全数字闭环处理方案的 最佳IFOG结构
调制电压信号
PIN
信号的偏置调制与解调
I ( S ) I 0 1 cos S
I0
S
dI 0 d
I'
b
dI 0 d
S
S
பைடு நூலகம்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。
M M
l
M`

(a)
(b)
2LD l 2 At l ; t ; S t; S c c c
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。 光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为 ΔΦS的余弦函数：
I ( S ) I 0 1 cos S
I
I0



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。
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。 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
φ
m
t t
0
Δφ
m
2
0


2
t
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 2 ~ 3 4 之间，不会 削弱信噪比。 1
d
c b
a
0 0

2
f
3 4

（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）
T S PR 0
也即：
S
复位后， T 由零变为 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 T 0时信号为零，但在每个复位后的时间τ 内，信号变为 sin 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。
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
b
0
b
0
偏置调制
S
t
信号的偏置调制与解调
I ( S , b ) 2I 0 sin b sin 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ΔΙ，当 b 2 时有最大灵敏度，此时 sin b 1 。
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 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 FB 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 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S大小相等、符号相反： 这个 J 值给出的是旋转速率的线性读出值。
旋转时，则有：
I ( S , b ) I 0 1 cos( S b )
I ( S ,b ) I 0 1 cos( S b )
两种调制态之差变为：
I ( S , b ) I 0 [cos( S b ) cos( S b )] 2 I 0 sin b sin s
I ( S , ) 2 I 0 sin s 2
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

0

信号的偏置调制与解调
V

V0
2
m m (t ) m (t )
R
响应
S
误差信号

2

RS
0
T
T
0
t
PR
RS
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 R ，斜率 与旋转速率Ω成正比：
2LD c
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）。
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
闭环工作方案与实现
宽带光源
ASE
耦合器 光电检测器
Y波导 光纤环
信号的偏置调制与解调
x
x4 x3 x1 x2
x
5 4
3 4
3 4

5 4

x1 x3 x2 x4 静止
x1 x3 x2 x4 旋转
t


2
四状态—— 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。
I ( S ) I 0 1 cos( S b )
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”
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。