基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法及装置与流程

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法及装置。

背景技术：

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器，具有高精度、全固态，高可靠等特点，目前已经在卫星中得到了广泛的应用。光纤陀螺作为卫星姿态测量系统的关键部件，其性能直接决定了卫星的控制精度，而光纤陀螺的失效甚至会导致卫星任务的失败。光源作为光纤陀螺核心光学元件，在空间辐射等环境作用下可能发生性能劣化甚至失效，进而导致光纤陀螺精度劣化及失效。为了保证卫星在设计寿命期内的控制精度，卫星用光纤陀螺通常设置备份光源，并在主光源的性能劣化时切换性能正常的备份光源。要完成有效切换，前提是首先完成对光纤陀螺故障的判读，确定光纤陀螺性能劣化的原因为光源故障，而通过对光源输出光功率进行监测是判断光源故障最直接、有效的途径。由于光纤陀螺信号检测电路方案的特殊性，目前光纤陀螺常用的光功率检测方法有以下两种：

第一种方法是在光纤陀螺光电探测器后端的正常检测回路上并联一条检测支路，通过运算放大器及A/D转换器间接检测光功率。这种方法的缺点是：(1)检测支路直接连接在正常回路的光电探测器上，会给正常的检测回路带来干扰，从而影响产品的工作性能；(2)增加了低通滤波电路及A/D转换器，提高了产品成本，且增加了电路尺寸，使得电路小型化难以实现。

第二种方法是在光纤陀螺光源后2X2耦合器空头端熔接光电探测器，并与运算放大器、低通滤波电路和A/D转换器相连，从光路中直接检测光功率。这种方法的缺点是：(1)增加了一级光电探测器，从而增加了光路部分设计的复杂度，降低了产品的可靠性，并且提高了成本；(2)增加了运算放大器、低通滤波电路及A/D转换器，提高了产品成本，且增加了电路尺寸，使得电路小型化难以实现。

综上，现有的光功率检测方法都是通过增加额外的器件从原有光纤陀螺信号通路中引出信号进行检测，这些方法一方面会影响光纤陀螺性能，另一方面增加了系统的复杂度，从而降低了系统的可靠性，增加了系统的成本与体积，并不适用于对性能、可靠性、成本和体积都要求较高的空间用光纤陀螺中。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法及装置，对光纤陀螺信号通路不产生干扰，不需要额外增加器件的光纤陀螺光路功率检测方法，从而在不影响光纤陀螺性能的情况下，降低了系统的复杂度，减少了系统的成本与体积。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一方面，本发明提出了一种基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法，所述方法包括以下步骤：使用四分频四态调制信号对光纤环内的顺时针光波和逆时针光波调制；根据调制后干涉信号的强度获得光路功率。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，还包括以下步骤：根据调制后干涉信号的强度获得光纤陀螺转速误差。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，使用四分频四态调制信号对光纤环内的顺时针光波和逆时针光波调制包括：使用四分频四态调制信号对光纤环内的每个周期内的顺时针光波和逆时针光波调制。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，使用四分频四态调制信号对光纤环内的每个周期内的顺时针光波和逆时针光波调制包括以下步骤：步骤1：对光纤环内的顺时针光波进行π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_A；步骤2：对光纤环内的顺时针光波进行3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_B；步骤3：对光纤环内的顺时针光波进行3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_C；步骤4：对光纤环内的顺时针光波进行-π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_D；步骤5：对光纤环内的顺时针光波进行-π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_E；步骤6：对光纤环内的顺时针光波进行-3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_F；步骤7：对光纤环内的顺时针光波进行-3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_G；步骤8：对光纤环内的顺时针光波进行π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_H。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，根据调制后干涉信号的强度获得光路功率包括：根据信号强度P_A、信号强度P_E、信号强度P_D和信号强度P_H得到光路功率。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，光路功率的计算公式为：|ΔP₂|＝|P_A+P_E–P_D–P_H|＝2P₀，其中，P₀为光路功率。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，根据调制后干涉信号的强度获得光纤陀螺转速误差包括：根据信号强度P_B、信号强度P_F和光路功率得到光纤陀螺转速误差。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法中，光纤陀螺转速误差的计算公式为：|ΔP₁|＝|P_B-P_F|＝|2P₀s inΔφ_s|，其中，P₀为光路功率。

另一方面，本发明还提出了一种基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测装置，该装置包括：光波调制模块，用于使用四分频四态调制信号对光纤环内的顺时针光波和逆时针光波调制；光路功率计算模块，用于根据调制后干涉信号的强度获得光路功率。

进一步地，上述基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测装置中，还包括：光纤陀螺转速误差计算模块，用于根据调制后干涉信号的强度获得光纤陀螺转速误差。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过设计特殊的四分频四态调制算法，在不对光纤陀螺原有信号通路造成干扰和不增加额外器件的前提下，使得光纤陀螺输出干涉信号中除了包含角速率误差外，还包含反映光源输出功率大小的信号，通过采集调制周期内特定状态信号即可解调出光功率信息。从而不需要额外增加器件的光纤陀螺光路功率检测方法，在不影响光纤陀螺性能的情况下，降低了系统的复杂度，减少了系统的成本与体积。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的光纤陀螺光路基本原理框图；

图3是本发明实施例提供的±π/2方波调制方案波形的示意图；

图4是本发明实施例提供的±π/2方波调制获取角速率原理的示意图；

图5是本发明实施例提供的四分频四态调制方案波形的示意图；

图6是本发明实施例提供的四分频四态调制获取光功率及角速率原理的示意图；

图7是本发明实施例提供的光功率检测方法输出与输入光功率关系的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

方法实施例：

参见图1，图1为本发明实施例提供的基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法的流程图。如图所示，本发明实施例提供了一种基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测方法，该方法包括以下步骤：

使用四分频四态调制信号对光纤环内的顺时针光波和逆时针光波调制；

根据调制后干涉信号的强度获得光路功率；

根据调制后干涉信号的强度获得光纤陀螺转速误差。

使用四分频四态调制信号对光纤环内的顺时针光波和逆时针光波调制包括：使用四分频四态调制信号对光纤环内的每个周期内的顺时针光波和逆时针光波调制。

进一步的，使用四分频四态调制信号对光纤环内的每个周期内的顺时针光波和逆时针光波调制包括以下步骤：

步骤1：对光纤环内的顺时针光波进行π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_A；

步骤2：对光纤环内的顺时针光波进行3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_B；

步骤3：对光纤环内的顺时针光波进行3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_C；

步骤4：对光纤环内的顺时针光波进行-π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_D；

步骤5：对光纤环内的顺时针光波进行-π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_E；

步骤6：对光纤环内的顺时针光波进行-3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_F；

步骤7：对光纤环内的顺时针光波进行-3π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_G；

步骤8：对光纤环内的顺时针光波进行π/4相位调制，同时对光纤环内的逆时针光波进行-3π/4调制，持续时间为一个光纤环渡越时间，提取顺时针光波和逆时针光波干涉后输出信号强度，记为P_H。

需要说明的是，步骤1至步骤8是按照时间顺序依次实现的，也就是，在步骤1持续时间的结束时刻也就是步骤2持续时间的开始时刻，依次类推，直到步骤8，步骤1至步骤8总共持续的时间为一个周期。

根据调制后干涉信号的强度获得光路功率包括：根据信号强度P_A、信号强度P_E、信号强度P_D和信号强度P_H得到光路功率。进一步的，光路功率的计算公式为：|ΔP₂|＝|P_A+P_E–P_D–P_H|＝2P₀，其中，P₀为光路功率。

根据调制后干涉信号的强度获得光纤陀螺转速误差包括：根据信号强度P_B、信号强度P_F和光路功率得到光纤陀螺转速误差。进一步的，光纤陀螺转速误差的计算公式为：|ΔP₁|＝|P_B-P_F|＝|2P₀s inΔφ_s|，其中，P₀为光路功率。

具体的，光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速率测量装置，其光路基本原理如图2所示。光源发出的光经过2×2耦合器进入光电调制器，光在光电调制器内被分为两束，分别沿光纤环顺时针和逆时针传输一圈再回到光电调制器，两束光波在光电调制器端合束，产生干涉信号，其中干涉信号的相位为两束光波各自包含的相位之差，干涉信号经耦合器进入探测器进行探测。光电调制器在进行光波分束和合束的同时，还会对顺、逆时针的光波进行相位调制。探测器端干涉信号光功率P满足以下关系：P＝P₀(1+cos(Δφ_s+Φ_DM))，其中P₀为光源输出功率，Δφ_s为由角速率导致的Sagnac相位差，Φ_DM为调制相位差。目前光纤陀螺多采用全数字闭环方案，基于调制解调技术来实现微弱信号的检测，为了获取最大灵敏度一般将调制相位差设置为±π/2。调制波形如图3所示，图中Φ_DM-CW为对顺时针光波的调制相位，调制波形频率为光纤陀螺本征频率，即以2倍光纤陀螺渡越时间τ为周期，以±π/4为幅值的方波；Φ_DM-CCW为对逆时针方波的调制相位，调制波形与顺时针方向的调制波形周期相同，幅值相反。对干涉信号的调制相位差为顺、逆时针光波调制相位之差，即Φ_DM＝Φ_DM-CW-Φ_DM-CCW，其调制波形及探测器输出的波形如图3所示。图3中左侧坐标轴上部为光纤陀螺余弦干涉信号，下部为调制相位差波形，经调制后探测器输出干涉信号波形如图4右侧所示。由于±π/2调制后的两个渡越时间对应的光功率分别为P_A＝P₀*(1+cos(Δφ_s+π/2))，P_B＝P₀*(1+cos(Δφ_s-π/2))，解调后|ΔP|＝|P_A-P_B|＝|2P₀s inΔφ_s|，因此在正常闭环工作状态下，如图5中所示P_A-P_B即对应光纤陀螺的角速率误差值，积分后即为光纤陀螺的角速率对应值。但由于方波调制通过相邻周期相减，只会得到一个解调值，无法区分解调值的改变是由于转速改变还是光功率改变造成的，因此无法进行光功率检测。为此本专利设计了四分频四态调制方案，其调制方案波形如图5所示。顺时针光波调制相位Φ_DM-CW周期为8τ，分为四个状态，每个状态持续时间为2τ，对应的调制相位依次为π/4，3π/4，-π/4，-3π/4。逆时针光波调制相位Φ_DM-CCW较顺时针光波调制相位延迟一个τ，顺、逆时针光波干涉后，得到的调制波形和对应的探测器输出干涉信号波形如图6所示。图中左侧坐标轴上半部分为光纤陀螺余弦干涉信号，下半部分为四分频四态调制波形，对应的光纤陀螺干涉信号输出如图中右侧所示。从图中可以看出，采用四分频四态调制后，在一个调制周期内调制信号对顺、逆时针光波的调制相位存在8个状态组合，依次为：(1)对顺时针光波π/4调制相位，对逆时针光波π/4调制相位，干涉信号总相位为0；(2)对顺时针光波3π/4调制相位，对逆时针光波π/4调制相位，干涉信号总相位为π/2；(3)对顺时针光波3π/4调制相位，对逆时针光波3π/4调制相位，干涉信号总相位为0；(4)对顺时针光波-π/4调制相位，对逆时针光波3π/4调制相位，干涉信号总相位为-π；(5)对顺时针光波-π/4调制相位，对逆时针光波-π/4调制相位，干涉信号总相位为0；(6)对顺时针光波-3π/4调制相位，对逆时针光波-π/4调制相位，干涉信号总相位为-π/2；(7)对顺时针光波-3π/4调制相位，对逆时针光波-3π/4调制相位，干涉信号总相位为0；(8)对顺时针光波π/4调制相位，对逆时针光波-3π/4调制相位，干涉信号总相位为π；得到的干涉信号依次为P_A～P_H。根据光纤陀螺基本原理可知，通过计算公式|ΔP₁|＝|P_B-P_F|＝|2P₀s inΔφ_s|可以获得光纤陀螺的角速率误差，而通过计算公式|ΔP₂|＝|P_A+P_E–P_D–P_H|＝2P₀可以获得光源输出功率。因此，采用四分频四态调制后，不需要增加额外的器件及对信号通路产生干扰即可从探测器输出干涉信号中提取光功率值。采用本专利提出的方法提取光功率值，得到了输出数字量与输入光功率的关系如图7所示，从图中可以看出，输出量与输入光功率间存在较好的线性关系，证明了所提方法的有效性。

本实施例通过设计特殊的四分频四态调制算法，在不对光纤陀螺原有信号通路造成干扰和不增加额外器件的前提下，使得光纤陀螺输出干涉信号中除了包含角速率误差外，还包含反映光源输出功率大小的信号，通过采集调制周期内特定状态信号即可解调出光功率信息。从而不需要额外增加器件的光纤陀螺光路功率检测方法，在不影响光纤陀螺性能的情况下，降低了系统的复杂度，减少了系统的成本与体积。

装置实施例：

本实施例还提出了一种基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测装置，该装置包括光波调制模块和光路功率计算模块。其中，光波调制模块，用于使用四分频四态调制信号对光纤环内的顺时针光波和逆时针光波调制；光路功率计算模块，用于根据调制后干涉信号的强度获得光路功率。

上述实施例中，基于四分频四态调制的光纤陀螺光路功率检测装置还包括：光纤陀螺转速误差计算模块，用于根据调制后干涉信号的强度获得光纤陀螺转速误差。

本实施例通过光波调制模块、光路功率计算模块和光纤陀螺转速误差计算模块，在不对光纤陀螺原有信号通路造成干扰和不增加额外器件的前提下，使得光纤陀螺输出干涉信号中除了包含角速率误差外，还包含反映光源输出功率大小的信号，通过采集调制周期内特定状态信号即可解调出光功率信息。从而不需要额外增加器件的光纤陀螺光路功率检测方法，在不影响光纤陀螺性能的情况下，降低了系统的复杂度，减少了系统的成本与体积。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。