提高光纤陀螺3dB带宽的调制方法与流程

提高光纤陀螺3db带宽的调制方法
技术领域
1.本发明涉及光纤陀螺调制技术领域，尤其涉及一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法。


背景技术：

2.高精度光纤陀螺通常采用较大直径、长纤长光纤环圈，以此降低其角度随机游走，提升陀螺噪声分辨灵敏度。但由于受限于绕制工艺以及纤长的损耗，环圈纤长不能无限制的加长，光纤陀螺在工程上较为有效的方法是采用过调制技术实现噪声的压制。
3.然而工程实践表明，过调制技术虽然能够对光纤陀螺降噪起到显著的效果，但是过深的调制将导致光纤陀螺带宽显著降低，造成光纤陀螺动态响应特性上的劣化。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，实现同时兼顾降低光纤陀螺噪声和提升光纤陀螺的带宽，进而提高光纤陀螺的精度。
5.本发明提供一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，包括如下步骤：s10、确定光纤陀螺的前向通道的传递函数；s20、确定光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，将数字截断位数纳入光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数；s30、根据步骤s10和步骤s20，确定闭环光纤陀螺回路的传递函数；s40、将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子。
6.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s10中，光纤陀螺的前向通道的传递函数的表达式为：其中，为光探测器的响应度；为前放跨阻抗；为模数转换器的位数；是采样周期，为光在环圈中传播渡越时间；为探测器接收光功率；为偏置调制相位；
为模数转换器的参考电压；为拉氏变换的复频率。
7.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s20中，光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数的表达式为：其中，为数字滤波截断位数；为数模转换器的位数；为数模转换器的参考电流；为2π电阻值；为2π电压值；为单位阶跃函数z变换。
8.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s20中，光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数的表达式为：其中，为反馈通道的常值函数。
9.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s30中，闭环光纤陀螺回路的传递函数的表达式为：其中，为角频率常值。
10.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s30中，角频率常值的计算公式为：
。
11.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s40中，光纤陀螺3db带宽的表达式为：其中，为光纤陀螺总的环路增益；为光纤陀螺本征调制频率；为角频率意义的3db带宽。
12.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s40中，调制因子包括光纤陀螺回路的光功率、跨阻抗、模数转换器的参考电压、模数转换器的位数以及数字滤波截断位数。
13.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，包括如下步骤：s10、确定光纤陀螺的前向通道的传递函数；s20、确定光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，将数字截断位数纳入光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数；s30、根据步骤s10和步骤s20，确定闭环光纤陀螺回路的传递函数；s40、将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子，通过z变换函数计算获得光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，进而将数字截断位数纳入z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数，再进一步获得闭环光纤陀螺回路的传递函数，并将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子，进而对调制因子的调制实现对光纤陀螺3db带宽的提升，同时，保证对光纤陀螺的降噪效果，提高光纤陀螺的精度。
14.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明提供的提高光纤陀螺3db带宽的调制方法的流程框示图；图2是本发明提供的提高光纤陀螺3db带宽的调制方法中闭环光纤陀螺的传递函数模型；
图3是本发明提供的提高光纤陀螺3db带宽的调制方法中闭环光纤陀螺回路带宽与偏置点光功率的关系曲线示意图；图4是本发明提供的电子设备的结构示意图；附图标记：810、处理器；820、通信接口；830、存储器；840、通信总线。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
18.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
19.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
20.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
21.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
22.下面结合图1至图2描述本发明的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，包括如下步骤：s10、确定光纤陀螺的前向通道的传递函数；s20、确定光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，将数字截断位数纳入光纤陀螺
的反馈通道的z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数；s30、根据步骤s10和步骤s20，确定闭环光纤陀螺回路的传递函数；s40、将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子。
23.需要说明的是，光纤陀螺通常采用较大直径、长纤长光纤环圈，以此降低光纤陀螺的角度随机游走，提升光纤陀螺噪声分辨灵敏度。由于受限于绕制工艺以及纤长的损耗，光纤环圈的纤长不能无限制的加长，光纤陀螺在工程上较为有效的方法是采用过调制技术实现噪声的压制。从理论上讲，设探测器接收光功率为，相位差为，偏置调制相位为，则干涉强度的表达式为：由上式可知，当时，陀螺的信噪比（）达到最高，是时的信噪比水平的倍。当然在实际中，由于探测器还存在着热噪声和放大器噪声，工作点不可能非常接近，但可以根据实际的光纤陀螺设计在之间选择偏置工作点，这称为过调制技术，接近相位称之为深度调制。
24.角度随机游走系数通常和调制相位深度正相关，因为角度随机游走，其中，为波长，c为真空光速，l纤长，d为光纤环圈直径，rd为探测器响应度，i0为探测器接收光功率。
25.通过光纤陀螺的闭环传递函数反应光纤陀螺的带宽特性，参见图2，其中，r(s)表示输入角速率；c(s)表示输出角速率；g(s)表示前向通道的传递函数；h(s)表示反馈通道的传递函数；则闭环光纤陀螺回路的传递函数为：。
26.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s10中，光纤陀螺的前向通道的传递函数的表达式为：其中，为光探测器的响应度；为前放跨阻抗，即前向放大器的跨阻抗；
为模数转换器的位数；是采样周期，为光在环圈中传播渡越时间；为探测器接收光功率；为偏置调制相位；为模数转换器的参考电压；为拉氏变换的复频率。
27.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s20中，光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数的表达式为：其中，为数字滤波截断位数，起到低通滤波作用，提高反馈信号的信噪比；为数模转换器的位数；为数模转换器的参考电流；为2π电阻值；为2π电压值；为单位阶跃函数z变换。
28.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s20中，对光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数进行拉氏变换，也就是说，通过拉氏变换函数对反馈通道的传递函数进行处理，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数，表达式为：其中，为反馈通道的常值函数，单位为或。
29.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s30中，闭环光纤陀螺回路的传递函数的表达式为：
其中，为角频率常值。
30.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s30中，角频率常值的计算公式为：。
31.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s40中，光纤陀螺3db带宽的表达式为：其中，为光纤陀螺总的环路增益；为光纤陀螺本征调制频率；为角频率意义的3db带宽；需要说明的是，上述公式中，对于光纤陀螺中确定纤长的光纤环圈，对于一倍频调制方式，光纤陀螺的本征调制频率可视为常数，因此，提升光纤陀螺总的环路增益，是一个改善3db频率带宽的有效途径。
32.根据本发明提供的一种提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，步骤s40中，调制因子包括光纤陀螺回路的光功率、跨阻抗、模数转换器的参考电压、模数转换器的位数以及数字滤波截断位数。
33.需要说明的是，工程上实际采用的模数转换器的位数通常为12位到14位，取决于硬件的能力，很难大幅提升；此外，限于硬件参考电压芯片，模数转换器的参考电压值通常为2v左右很难有成倍显著提升。探测器接收光功率的大小通常取决于光路损耗和实际的入射光源功率，即便光源功率没有大幅提升的话，通过提升跨阻抗方法是有效提升探测器接收光功率（也就是光纤陀螺回路的光功率）方法，当然要考虑到光源功率过高强度会导致探测器过饱和，需要结合调制深度以及探测器饱和光功率联合设计。
34.值得一提的是，本发明首次揭示适当降低数字滤波截断位数可以有效改善光纤陀螺3db带宽，而且能够成倍地改善。
35.下面结合附图3对本发明提供的实施例一、实施例二和实施例三进行解释说明。
36.实施例一本实施例给出了纤长l=1500米的光纤陀螺，其中，，，
，，，，，并获得闭环光纤陀螺回路的带宽与偏置点光功率的关系曲线。得出，偏置点光功率时，对于调制，闭环光纤陀螺回路的3db带宽约为400hz，当探测器接收光功率提高到35时，调制深度为时，3db带宽处于同等水平，可见，提高偏置点光功率，闭环光纤陀螺回路的带宽也相应地增加。
37.实施例二本实施例给出了纤长l=1500米的光纤陀螺，其中，，，，，，，，并获得闭环光纤陀螺回路的带宽与偏置点光功率的关系曲线。得出，偏置点光功率时，对于调制，闭环光纤陀螺回路的3db带宽约为400hz。
38.降低数字滤波截断位数，当时，时，对于调制，闭环光纤陀螺回路的3db带宽约为800hz。
39.实施例三本实施例中，由于光纤陀螺3db带宽还与位的位置选取有关，是可编程设计的，设定纤长l=1500米的光纤陀螺，其中，，，，，，，时，时，对于调制，闭环光纤陀螺回路的3db带宽约为400hz。将跨阻抗提升一倍，时，时，对于调制，闭环光纤陀螺回路的3db带宽约为800hz。
40.还需要说明的是，此外，除了提升光纤陀螺总的环路增益外，提高3db带宽的办法还可以采用提高环路反馈频率，特别适用于采用较长纤长的光纤陀螺，其本征频率通常较低，为此，采用奇次倍频技术可以提升反馈频率，进而可以将带宽成倍提升，比如采用三倍频或五倍频技术，可以将光纤陀螺的带宽对应提升3倍或者5倍。
41.图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，该方法包括如下步骤：s10、确定光纤陀螺的前向通道的传递函数；s20、确定光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，将数字截断位数纳入光纤陀螺
的反馈通道的z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数；s30、根据步骤s10和步骤s20，确定闭环光纤陀螺回路的传递函数；s40、将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子。
42.此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
43.另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，该方法包括如下步骤：s10、确定光纤陀螺的前向通道的传递函数；s20、确定光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，将数字截断位数纳入光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数；s30、根据步骤s10和步骤s20，确定闭环光纤陀螺回路的传递函数；s40、将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子。
44.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述提供的提高光纤陀螺3db带宽的调制方法，该方法包括如下步骤：s10、确定光纤陀螺的前向通道的传递函数；s20、确定光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，将数字截断位数纳入光纤陀螺的反馈通道的z变换传递函数，获得光纤陀螺的反馈通道的拉氏变换传递函数；s30、根据步骤s10和步骤s20，确定闭环光纤陀螺回路的传递函数；s40、将光纤陀螺的动态特性等效为光纤陀螺3db带宽，获得光纤陀螺3db带宽的表达式，确定调制因子。
45.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
46.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该
计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
47.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。