单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法

1.本发明属于谐振式光学陀螺仪技术领域，特别涉及单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法。


背景技术：

2.谐振式光纤陀螺仪(resonator fiber optic gyro,rfog)是一种角速度惯性传感器，理论上具有精度高、体积小、动态范围大等优势。rfog是基于光学sagnac效应原理的新型光学陀螺，相比已经较为成熟的干涉式光纤陀螺(interferometric fiber optic gyro,ifog)，rfog在理论上能够使用短得多的光纤长度获得相同的极限灵敏度，有利于实现小型化和低成本，同时也可降低和温度有关的shupe效应，光纤环中由于应力分布不均引入的噪声也会大大减小。此外，rfog使用的是中心波长髙度稳定的窄线宽激光器，有利于减小波长漂移等带来的标度因素稳定性问题。
3.但是，目前rfog仍未进入工程化应用阶段，其原因在于，以往光源使用窄线宽激光器，具有高相干性和长相干长度的特性，可以产生较窄的谐振曲线，提高光学系统频率检测精度，解决波长漂移等误差带来的标度因素稳定性问题，有利于实现较高精度陀螺性能。但是rfog的核心敏感部件光纤环形谐振腔一般由实芯保偏光纤构成，长相干长度会使得谐振光在腔内传输时产生额外较强的寄生噪声，例如背向散射噪声、偏振噪声、克尔效应噪声、shupe效应误差等。为降低此类噪声对陀螺性能的影响，需要在系统中引入相应的噪声抑制措施，如差频调制解调、载波抑制、偏振轴错位熔接、光功率平衡等方法，一定程度上解决上述误差的同时，会导致系统存在体积大、成本高、系统复杂、集成难度大等一系列问题。
4.综上，现有谐振式光纤陀螺具有理论精度高的优势，但系统本身的结构决定其存在诸多寄生噪声，为抑制噪声需要引入新的控制方法和装置，导致整体陀螺体积和重量增加，且控制精度无法满足目前的应用需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法，能极大解决现有基于窄线宽光源谐振式光纤陀螺造成的较大寄生噪声问题，从而有效提升陀螺精度。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
7.一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺，包括光路部分和电路部分；
8.所述光路部分包括宽谱光源、第一光学环形器、第二光学环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、移频器、第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器共同组成光纤环形谐振腔；所述宽谱光源依次连接第一光学环形器和第一耦合器，第一光学环形器还连接第二光电探测器，第一耦合器连接第一光电探测器，第二耦合器依次连接第二光学环形器和移频器；其中，第一光电探测器和第二光电探测器分别连接电路部分；
9.所述电路部分包括宽谱光源供电系统和陀螺信号处理系统，其中陀螺信号处理系
统包括：参考信号输入模块、乘法运算模块、低通滤波器lpf、总光功率输入模块、除法运算模块和比例积分微分pid模块；其中，比例积分微分pid模块连接光路部分的宽谱光源和移频器；第二光电探测器的信号和参考信号输入模块的信号经过乘法运算模块输送至低通滤波器lpf进行滤波，滤波后的信号和总光功率输入模块输入的功率经过除法运算模块能得到误差信号，误差信号和第一光电探测器的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器可锁定控制第二次进入光纤环形谐振腔滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分pid模块后得到陀螺输出。
10.本发明还包括如下技术特征：
11.具体的，所述宽谱光源连接第一光学环形器的a端，第一光学环形器的b端连接第一耦合器的i端，第一光学环形器的c端连接第二光电探测器，第一耦合器的ii端连接第一光电探测器，第一耦合器的iv端连接第二耦合器的i端，第二耦合器的ii端连接第二光学环形器的a端，第二光学环形器的b端连接移频器的入射端，移频器的出射端连接第二光学环形器的c端。
12.具体的，所述宽谱光源选用sld光源、led光源或ase光源；
13.所述移频器选用声光移频器或相位调制器；
14.所述光纤环形谐振腔包括单匝或多匝保偏光纤环、第一耦合器、第二耦合器；
15.所述陀螺信号处理系统中参考信号选用正弦波、三角波或锯齿波。
16.所述的单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺的闭环控制方法，包括以下步骤：
17.步骤1、宽谱光源出射的光经过第一光学环形器后，一部分光经过第一耦合器的ii端在第一光电探测器处被探测，转换为电信号后进入陀螺信号处理系统作为监测光功率的信号，另一部分光经过第一耦合器的iv端进入光纤环形谐振腔，形成沿顺时针(cw)方向传输的谐振光，实现宽谱光源的第一次滤波，滤波后从第二耦合器的ii端引出，经过第二光学环形器到达移频器；
18.步骤2、经过移频器调制和移频控制后的谐振光，经过第二光学环形器和第二耦合器，反向进入光纤环形谐振腔，形成沿逆时针(ccw)方向传输的谐振光，实现第二次滤波，谐振光经第一耦合器的i端出射；
19.步骤3、完成第二次滤波后的谐振光从第一耦合器的i端出射至第一光学环形器的b端，从第一光学环形器的c端出射到达第二光电探测器，在第二光电探测器处得到光功率信号，经过光电转换后进入陀螺信号处理系统；
20.步骤4、陀螺信号处理系统将第二光电探测器的信号与参考信号进行乘法运算，之后通过低通滤波器lpf与总光功率输入模块输入的功率经过除法运算得到误差信号，误差信号关于f＝0频率点不对称，因此可以区分旋转方向，同时将误差信号与第二光电探测器的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器可锁定控制第二次进入谐振环路滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分pid模块后进行系数转换可以作为sagnac频移和陀螺转速的线性输出指标，即陀螺输出，至此能实现陀螺的转动方向与转速检测。
21.具体的，所述步骤1和步骤2中，在第一耦合器前使用第一光学环形器，将进入光纤
环形谐振腔的顺时针(cw)方向的谐振光和光纤环形谐振腔出射的逆时针(ccw)方向的谐振光分别引入和引出。
22.具体的，所述步骤2中，经过光纤环形谐振腔的第一耦合器的i端出射的二次滤波光谱信号p用公式(1)表示为：
[0023][0024]
其中，r为耦合器的分光比，υ为频率，δυ为光纤环形谐振腔的自由光谱范围。
[0025]
具体的，所述步骤3中，完成第二次滤波后的谐振光在第二探测器处探测到光功率信号p
out
用公式(2)表示为：
[0026]
p
out
＝p
in
∫s(υ)p
cw
(υ)p
ccw
(υ)d(υ)
ꢀꢀ
(2)
[0027]
其中，p
in
为总输入光强，s(υ)为归一化光谱(∫s(υ)d(υ)＝1)，pcw(υ)为顺时针传输方向的光谱信号，pccw(υ)为逆时针传输方向的光谱信号。
[0028]
具体的，所述步骤4中，sagnac频移f和陀螺转速ω之间的关系用公式(3)表示为：
[0029][0030]
其中，d是光纤环形谐振腔的直径，n是光纤有效折射率，λ0是宽谱光源中心频率，ω是陀螺转速。
[0031]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0032]
(i)本发明针对目前基于窄线宽光源的谐振式光纤陀螺寄生噪声大，系统复杂的问题，提出了高精度的基于单光束宽谱光源二次环路滤波闭环的谐振式光纤陀螺系统，其采用低相干度的宽谱光源，能极大解决现有基于窄线宽光源谐振式光纤陀螺造成的较大寄生噪声问题，有利于提高信噪比，从而有效提升陀螺精度。
[0033]
(ii)本发明基于单光束二次环路滤波，减少了光学器件的使用，光路结构简单，降低陀螺整体体积的同时减轻了它的重量。
[0034]
(iii)本发明通过移频器调制解调反馈控制回路，可锁定工作中心频率，形成闭环控制系统，显著增加基于宽谱光源谐振式光纤陀螺的测量范围。
[0035]
(iv)本发明在电路部分结合调制解调技术及光源光功率信号监测，在区分陀螺旋转方向和转速信息的基础上，能有效消除光源光功率波动导致的强度噪声。
附图说明
[0036]
图1为基于单光束宽谱光源二次环路滤波闭环的谐振式光纤陀螺系统示意图；
[0037]
图2为环路滤波原理示意图；
[0038]
图3为陀螺信号处理系统示意图；
[0039]
附图标记说明：1.宽谱光源，2.第一光学环形器，3.第一耦合器，4.第一光电探测器，5.光纤环形谐振腔，6.第二耦合器，7.第二光学环形器，8.移频器，9.第二光电探测器，10.陀螺信号处理系统，11.参考信号输入模块，12.低通滤波器lpf，13.总光功率输入模块，14.比例积分微分pid模块。
具体实施方式
[0040]
本发明提供一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺，包括光路部分和电路部分；光路部分包括宽谱光源1、第一光学环形器2、第二光学环形器7、第一光电探测器4、第二光电探测器9、移频器8、第一耦合器3、第二耦合器6，第一耦合器3和第二耦合器6共同组成光纤环形谐振腔5；宽谱光源1依次连接第一光学环形器2和第一耦合器3，第一光学环形器2还连接第二光电探测器9，第一耦合器3连接第一光电探测器4，第二耦合器6依次连接第二光学环形器7和移频器；其中，第一光电探测器4和第二光电探测器9分别连接电路部分；
[0041]
电路部分包括宽谱光源供电系统和陀螺信号处理系统10，其中陀螺信号处理系统10包括：参考信号输入模块11、乘法运算模块、低通滤波器lpf12、总光功率输入模块13、除法运算模块和比例积分微分pid模块14；其中比例积分微分pid模块14连接光路部分的宽谱光源1和移频器8；第二光电探测器9的信号和参考信号输入模块11的信号经过乘法运算模块输送至低通滤波器lpf12进行滤波，滤波后的信号和总光功率输入模块13输入的功率经过除法运算模块能得到误差信号，误差信号和第一光电探测器4的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器8可锁定控制第二次进入光纤环形谐振腔5滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源1；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分pid模块14后得到陀螺输出。
[0042]
具体的，光路部分中，宽谱光源1连接第一光学环形器2的a端，第一光学环形器2的b端连接第一耦合器3的i端，第一光学环形器2的c端连接第二光电探测器9，第一耦合器3的ii端连接第一光电探测器4，第一耦合器3的iv端连接第二耦合器6的i端，第二耦合器6的ii端连接第二光学环形器7的a端，第二光学环形器7的b端连接移频器8的入射端，移频器8的出射端连接第二光学环形器7的c端；宽谱光源包括但不限于sld光源、led光源、ase光源等白光光源；移频器包括但不限于声光移频器、相位调制器；光纤环形谐振腔包括单匝或多匝保偏光纤环、第一耦合器、第二耦合器；陀螺信号处理系统中参考信号包括但不限于正弦波、三角波、锯齿波。
[0043]
采用宽谱光源可以大大降低现有技术中窄线宽光源相干长度长造成的寄生噪声大等问题，由于宽谱光源相干度低，可以有效降低光纤环形谐振腔中的相干噪声，提高信噪比。移频器选用声光移频器，或选用相位调制器，将腔内顺逆时针传输的谐振光频率分开，在陀螺信号处理系统进行调制解调时可以避免相互干扰，优化陀螺输出信号，有效提高陀螺精度。调制信号和参考信号都是用于相敏解调，可以滤除干扰信号，提高信噪比。
[0044]
本发明还提供一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺的闭环控制方法，包括：
[0045]
步骤1、宽谱光源出射的光经过第一光学环形器后，一部分光经过第一耦合器的ii端在第一光电探测器处被探测，转换为电信号后进入陀螺信号处理系统作为监测光功率的信号，另一部分光经过第一耦合器的iv端进入光纤环形谐振腔，形成沿顺时针(cw)方向传输的谐振光，实现宽谱光源的第一次滤波，滤波后从第二耦合器的ii端引出，经过第二光学环形器到达移频器；
[0046]
步骤2、经过移频器调制和移频控制后的谐振光，经过第二光学环形器和第二耦合器，反向进入光纤环形谐振腔，形成沿逆时针(ccw)方向传输的谐振光，实现第二次滤波，谐振光经第一耦合器的i端出射；
[0047]
在宽谱光源1和光纤环形谐振腔5的第一耦合器3之间增设第一光学环形器用于防止入腔光和出腔光相互干涉，在光纤环形谐振腔5的第二耦合器6和移频器8之间增设第二光学环形器用于一次滤波后的谐振光再次进入光纤环形谐振腔进行二次滤波。光学环形器的巧妙应用使得进腔的谐振光与二次滤波后的光互不干扰，光路结构简单但精巧，而且避免了使用更多器件带来的占用体积和增加重量的问题，对于陀螺的小型化集成具有重要意义。
[0048]
进一步地，步骤2中，经过光纤环形谐振腔的第一耦合器的i端出射的二次滤波光谱信号p用公式(1)表示为：
[0049][0050]
其中，r为耦合器的分光比，υ为频率，δυ为光纤环形谐振腔的自由光谱范围；
[0051]
进一步地，步骤1和步骤2中，在第一耦合器前使用第一光学环形器，将进入光纤环形谐振腔的顺时针(cw)方向的谐振光和光纤环形谐振腔出射的逆时针(ccw)方向的谐振光分别引入和引出。
[0052]
步骤3、完成第二次滤波后的谐振光从第一耦合器的i端出射至第一光学环形器的b端，从第一光学环形器的c端出射到达第二光电探测器，在第二光电探测器处得到光功率信号，经过光电转换后进入陀螺信号处理系统；
[0053]
进一步地，步骤3中，完成第二次滤波后的谐振光在第二探测器处探测到光功率信号p
out
用公式(2)表示为：
[0054]
p
out
＝p
in
∫s(υ)p
cw
(υ)p
ccw
(υ)d(υ)
ꢀꢀ
(2)
[0055]
其中，p
in
为总输入光强，s(υ)为归一化光谱(∫s(υ)d(υ)＝1)，pcw(υ)为顺时针传输方向的光谱信号，pccw(υ)为逆时针传输方向的光谱信号；
[0056]
步骤4、陀螺信号处理系统将第二光电探测器转换的信号进行算法解调，通过调制解调技术得到陀螺的旋转方向和误差信号；由于相同大小频率变化对应的光强相等，即具有对称性，为了区分旋转方向，信号处理系统将第二光电探测器的信号与参考信号进行乘法运算，之后通过低通滤波器lpf与总光功率输入模块输入的功率经过除法运算得到误差信号，误差信号关于f＝0频率点不对称，因此可以区分旋转方向，同时将误差信号与第二光电探测器的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器可锁定控制第二次进入谐振环路滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分pid模块后进行系数转换可以作为sagnac频移和陀螺转速的线性输出指标即陀螺输出，至此可以实现陀螺的转动方向与转速信息检测。
[0057]
通过调制解调方法，在由于光功率信号对称因此无法区分陀螺旋转方向的情况下，巧妙通过其与参考信号的计算得到一个误差信号，利用误差信号的不对称性，由误差信号判断陀螺旋转方向，是非常精妙的解决办法。根据给出的公式，将对比处理后的信号进行系数转换，作为赛格纳克sagnac频移和陀螺转速的线性输出指标，即为陀螺输出。二次进入谐振环路滤波前的谐振光中心频率可经移频器锁定控制，形成陀螺的闭环控制，对于陀螺精度的测量和提升有着重要的意义。
[0058]
进一步地，步骤4中，sagnac频移f和陀螺转速ω之间的关系用公式(3)表示为：
[0059][0060]
其中，d是光纤环形谐振腔的直径，n是光纤有效折射率，λ0是宽谱光源中心频率，ω是陀螺转速。
[0061]
如附图1所示，为基于单光束宽谱光源二次环路滤波闭环的谐振式光纤陀螺示意图；宽谱光源1的光谱具有一定的平坦区，如附图2(a)所示，经过第一光学环形器2后，一部分光经过第一耦合器3的ii端在第一光电探测器4处被探测，转换为电信号后进入陀螺信号处理系统10作为监测光功率的信号，另一部分光经过第一耦合器3的iv端进入光纤环形谐振腔5，形成沿顺时针(cw)方向传输的谐振光，实现宽谱光源的第一次滤波，其光谱信号如附图2(b)所示，滤波后从第二耦合器6的ii端引出至第二光学环形器7的a端，经过第二光学环形器7的b端到达移频器8。经过移频器8调制和移频控制后的谐振光，经过第二光学环形器7的c端和第二耦合器6的ii端，反向进入光纤环形谐振腔5，形成沿逆时针(ccw)方向传输的谐振光，其光谱信号如附图2(c)所示，实现第二次滤波，完成第二次滤波后的谐振光从第一耦合器3的i端引出，其光谱信号如附图2(d)所示，然后出射至第一光学环形器2的b端，通过第一光学环形器2的c端传输至第二光电探测器9处得到光功率信号，形成的曲线称为rfog的响应曲线，如附图2(e)所示，将光功率信号进行光电转换后进入陀螺信号处理系统10。
[0062]
陀螺信号处理系统原理如附图3所示，陀螺信号处理系统10将第二光电探测器9光电转换的信号进行算法解调，通过调制解调技术得到陀螺的旋转方向和误差信号。由于相同大小频率变化对应的光强相等，即关于f＝0频率点对称，如附图2(e)所示。为了区分旋转方向，陀螺信号处理系统10将第二光电探测器9的信号与参考信号11进行乘法运算，之后通过低通滤波器lpf12与总光功率输入模块13输入的功率经过除法运算得到误差信号，如附图2(f)所示，误差信号关于f＝0频率点不对称，因此可以区分旋转方向，同时将误差信号与监测光功率信号(由第一光电探测器4将探测到的信号进行光电转换后输入陀螺信号处理系统得到)对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器可锁定控制第二次进入谐振环路滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分pid模块14后进行系数转换可以作为sagnac频移和陀螺转速的线性输出指标，即陀螺输出。陀螺信号处理系统也兼具对宽谱光源进行电流控制和温度控制的功能。
[0063]
本发明针对目前基于窄线宽光源的谐振式光纤陀螺寄生噪声大，系统复杂的问题，提出了一种高精度的基于单光束宽谱光源二次环路滤波闭环的谐振式光纤陀螺系统，其主要特征在于采用低相干度的宽谱光源，能极大解决现有基于窄线宽光源谐振式光纤陀螺造成的较大寄生噪声问题，从而有效提升陀螺精度。另一主要特征在于基于单光束二次环路滤波，光路结构简单，通过移频器调制解调反馈控制回路，可锁定工作中心频率，形成闭环控制系统，显著增加基于宽谱光源谐振式光纤陀螺的测量范围。同时，在电路部分结合调制解调技术及光源光功率信号监测，在区分陀螺转动方向和转速信息的基础上，能消除光源光功率波动导致的强度噪声。
[0064]
综上所述，本发明提供了一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控
制方法，解决了现有谐振式光纤陀螺寄生噪声大导致的精度低的问题。本发明的谐振式光纤陀螺在宽谱光源和光纤环形谐振腔的第一耦合器之间增设第一光学环形器将顺时针cw方向的谐振光和光纤环形谐振腔出射的逆时针ccw方向的谐振光分别引入和引出；在光纤环形谐振腔的第二耦合器和移频器之间增设第二光学环形器用于一次滤波后的谐振光再次进入光纤环形谐振腔进行二次滤波。本发明的闭环控制方法包括，设计并构建单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺；对进入光纤环形谐振腔的光束进行第一次滤波；对第一次滤波后的谐振光通过移频器移频和调制后进行第二次滤波；二次滤波后的谐振光进入陀螺信号处理系统；解算得到陀螺转速信息。完成陀螺的闭环控制。本发明采用宽谱光源，降低寄生噪声如背向散射噪声的影响，采用单光束入射谐振腔，移频后反向传输实现二次滤波，通过对宽谱光源和移频器控制实现陀螺的闭环控制。有效消除寄生噪声对陀螺输出的影响，提高陀螺输出精度，高精度的控制能够实现导航级陀螺应用，应用于军事、航空航天、导航制导领域。