基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法
【专利摘要】本发明是一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法，属于光纤陀螺【技术领域】。本方法采用数字双闭环回路进行强度噪声的抑制和强度调制器工作点的稳定；强度噪声抑制时，对光电探测器输出的光强信号进行预处理、数字化、滤波和相位补偿后，再模拟化反馈至强度调制器；稳定强度调制器的偏置工作点时，通过扫描偏置电压获取强度调制器最大输出光功率点和最小输出光功率点时的偏置电压，使用平均功率方法获得工作点的偏置电压，并通过实时采集光电探测器的输出电压获得偏置电压差值反馈给强度调制器。本发明解决了闭环精度不好，噪声抑制效果差的问题，提高光纤陀螺光源的信噪比，使强度调制器的偏置工作点不再漂移，工作稳定。
【专利说明】基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤陀螺【技术领域】，具体涉及对光纤陀螺用超荧光光纤光源的强度噪 声的抑制技术，具体涉及一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法。
【背景技术】
[0002] 光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，在越来越多的领域中 成为主选惯性器件，成为下一代惯性器件的主要研究方向。光纤陀螺除了具有无运动部件、 无加速度引起的误差的优点外，其与传统机电陀螺的一个重要区别是存在着较大的光学噪 声，而其中主要的一种噪声是宽谱光源所带来的噪声。
[0003] 光纤陀螺的噪声直接影响光纤陀螺的随机游走系数、零偏不稳定性等性能指标， 并直接决定着光纤陀螺的最小检测灵敏度，所以对光纤陀螺的噪声进行抑制是非常重要 的。
[0004] 光纤陀螺的宽谱光源的噪声主要包括热噪声、散粒噪声和强度噪声。强度噪声是 由于宽谱光源的拍频引起的，是由于宽谱光源的各种Fourier(傅里叶）分量之间的拍频引 起的附加噪声，它的大小随着光源的光强的增大而增大。强度噪声的大小与光源输出功率 的大小成正比，当光源功率超出一定值时，强度噪声就超过散粒噪声和热噪声，这时，信噪 比将不再随着光功率的增加而提高，而是趋近于一个饱和值，强度噪声就成为光源噪声中 最主要的部分。
[0005] 抑制光纤陀螺光源中的强度噪声，可以有效地提高光纤陀螺的信噪比，从而提高 光纤陀螺的检测精度，对实现光纤陀螺的实际应用具有重要意义。目前，光纤陀螺强度噪声 抑制技术方法主要有：强度噪声对消技术方案、采用高速强度调制器方案和相减补偿技术 方案等。
[0006] 在这些方法中，采用高速强度调制器的方案是近年来应用比较多的一种方法，这 种方法提供的一种强度噪声抑制的装置的结构如图1所示，该抑制装置主要包括：光线光 源、强度调制器、耦合器、光探测器和高宽带的伺服控制器。该抑制装置的工作原理如下：高 速的强度调制器置于光纤光源和耦合器之间，从光线光源发出的光信号到达强度调制器， 强度调制器对接收到的光信号进行调制；强度调制器将经过调制的光输出给耦合器，耦合 器分出的一部分光被光探测器探测到，光探测器对接收到的光信号进行采样得到电流信号 并转换为电压信号。光探测器将电压信号输出到高带宽的伺服控制器上，该伺服控制器对 接收到的电压信号进行处理后，提供一个负反馈控制信号给强度调制器。然后，强度调制器 利用上述负反馈控制信号来抑制后续接收到的光信号的强度噪声。
[0007] 基于强度调制器的数字强度噪声抑制方案主要包括高速强度调制器、光纤耦合 器、光电探测器、滤波器和宽带控制电路。该方案主要包括：对强度调制器输出的光信号进 行采样得到电压信号，对所述电压信号进行解调，根据解调结果产生控制信号，所述控制信 号中包括对光信号功率进行调整的功率控制信号和对强度调制器的工作点进行调整的调 制方波信号。所述强度调制器根据接收到的控制信号中的控制功率信号对接收到的光信号 的功率进行调制，根据接收到的控制信号中的调制方波信号，对强度调制器的工作点进行 调整，使强度调制器的工作点保持稳定。该方案存在如下缺点：
[0008] 1)对于强度调制器的工作点控制，使用了检测调制方波的方案。该方案中，必须要 引入调制方波信号。该信号的引入，会影响强度调制器正常工作时对于强度噪声的抑制效 果，同时该调制方波信号对于抑制噪声的过程来说，也是一种噪声的引入。对于噪声抑制系 统来说，新引入噪声对于系统有着很大的危害，甚至会导致整个抑制系统的失效。
[0009] 2)该方案中，强度噪声抑制的闭环抑制算法部分问题较多，闭环反馈控制的效果 并不明显，同时闭环抑制算法中，并未考虑相位补偿的环节，导致闭环抑制中产生相位漂 移，该相位漂移直接导致闭环过程中抑制噪声的作用没有得到很好的发挥。
[0010] 使用强度调制器的模拟反馈控制方案中，高带宽伺服回路使用的模拟伺服电路， 该方案的结构如图2所示。可以看出，该闭环反馈方案和基于强度调制器的数字强度噪声 抑制方案类似，但是该方案使用的是模拟伺服控制器，同时没有对强度调制器进行抑制。该 方案中的伺服回路的简图如图3所示，301和302所标示的是两个运算放大器。伺服控制回 路的第一级运放电路为高通滤波放大，只对偏置调制频率以上的频率提供增益。在低于偏 置调制频率的频率上，第一级运放电路的增益很小，由电容C1、电阻R1和电阻R3决定。增 益的峰值一般出现在偏置调制频率附近，并由电阻R1和电容C2决定。为了使伺服回路稳 定，当总的开环增益超过1时，这一级的增益应该保持为常数。伺服回路的第二级运放电路 同样为高通滤波放大，只对偏置调制频率以上的频率提供增益，在低于偏置调制频率的频 率上，信号增益很小。该方案存在两个问题：
[0011] 1)该方案中使用的关键器件为强度调制器，其工作中存在的重要问题就是强度调 制器工作点的漂移问题，该器件的工作点极易受到环境温度、湿度和电磁场等环境因素变 化的影响，工作点的漂移直接导致系统对于强度噪声抑制效果下降，控制信号不稳定，甚至 使整个抑制系统失效。但该方案中未使用任何技术来解决这个问题。
[0012] 2)该方案中模拟伺服回路的控制精度较低，对强度噪声抑制的效果较差，同时由 于使用的是模拟电路进行控制，更改抑制频段时相当麻烦，需要对整个伺服控制回路进行 更改。
【发明内容】
[0013] 本发明对基于强度调制器的强度噪声抑制的数字闭环方案进行改进，目的是为了 解决目前同类方案中出现的闭环精度不好，噪声抑制效果差的问题，同时，本发明还达到较 好的噪声抑制效果，提高光纤陀螺光源的信噪比。
[0014] 本发明提供了一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法，基于现 有强度调制器的光源强度噪声抑制方案，采用数字双闭环的方案，使用两个闭环回路，分别 用来进行强度噪声的抑制和强度调制器工作点的稳定，第一闭环回路使用强度调制器进行 强度噪声的抑制，第二闭环回路用于稳定强度调制器工作点的偏置电压，或称为稳定强度 调制器的偏置工作点，使强度调制器的偏置工作点不再漂移，工作稳定。
[0015] 本发明中第二闭环稳定强度调制器工作点的偏置电压，包括开机寻找工作点和工 作时进行控制两个部分。
[0016] 开机寻找工作点具体是：对强度调制器的偏置电压进行扫描，从-vn扫描到vn， 为强度调制器的半波电压，记录每个扫描值时光电探测器的输出电压，找到光电探测器 的输出电压的最大值和最小值，对应找到强度调制器最大输出光功率点时的偏置电压vb(taax 和最小输出光功率点时的偏置电压Vb(tain，则开机设置强度调制器的偏置电压vb(l为：
[0017]
【权利要求】
1. 一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法，采用两个闭环回路，第 一闭环回路使用强度调制器进行强度噪声的抑制；其特征在于：第二闭环回路用于稳定强 度调制器工作点的偏置电压；稳定强度调制器工作点的偏置电压包括开机寻找工作点和工 作时进行控制两部分； 所述的开机寻找工作点，具体是：对强度调制器的偏置电压进行扫描，从扫描到 νπ，νπ为强度调制器的半波电压，记录每个扫描值时光电探测器的输出电压，找到光电探 测器的输出电压的最大值和最小值，对应找到强度调制器最大输出光功率点时的偏置电压 VM_和最小输出光功率点时的偏置电压vMmin;则开机设置强度调制器的偏置电压VM为 ： Vb(1所对应的光电探测器的输出电压为工作点时光电探测器的理想输出电压； 所述的工作时进行控制，具体是：实时监测光电探测器的输出电压，比较光电探测器的 实际输出电压与工作点时光电探测器的理想输出电压，获取相应的偏置电压差值，将偏置 电压差值反馈到强度调制器，控制强度调制器的偏置电压在[V b(|-a，VM+b]内，其中参数a和 b取值均在[0, 0.5]之内。
2. 根据权利要求1所述的一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方法， 其特征在于，所述的使用强度调制器进行强度噪声的抑制，具体步骤如下： 第1步，对光电探测器输出的光强信号进行预处理，去除光强信号中的低频成分并将 光强信号数字化； 第2步，将得到的数字光强信号进行滤波，保持信号的相位稳定； 第3步，对滤波后的数字光强信号进行相位补偿，具体是：根据中心频率处的时间延 迟，在全频段对滤波后的信号进行时间补偿； 第4步，将经过相位补偿后的数字光强信号转换为模拟光强信号，反馈至强度调制器 的射频控制端。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于强度调制器的光源强度噪声抑制数字双闭环方 法，其特征在于，所述的对强度调制器的偏置电压进行扫描，设置扫描间隔为0. 01V。
【文档编号】G02F1/01GK104236537SQ201410462716
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】许文渊, 魏超, 杨德伟, 李立京, 张春熹 申请人:北京航空航天大学