实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统与流程

本发明涉及光纤陀螺，尤其涉及实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统。

背景技术：

1、全数字闭环调制/解调处理电路构成了光纤陀螺的最核心部件，从光源发出的光经耦合器进入y波导，y波导的输出尾纤与光纤环圈的两端熔接，光在光纤环圈中沿相反方向传播，然后又回到y波导发生干涉，干涉光波再次经过耦合器，并经耦合器，然后到达光电探测器，经光电探测器组件转换为模拟电压信号并进行适滤波、放大，然后被a/d转换器采样和量化，转换为数字量，经过数字解调和一次数字积分，就可以得到相位误差信号，相位误差信号经过数字积分，一方面作为陀螺输出，另一方面反馈给y波导用于闭环反馈的相位补偿信号。

2、在光纤陀螺的调制解调时，前向通道和后向通道的增益都会随着温度、时间发生漂移。前向通道的增益误差主要包括光电探测器的光电转换系数和前置放大器的放大倍数等电路参数的变化。后向通道（反馈回路）的增益误差主要源自于y波导半波电压、后置放大器增益和d/a转换器参考电压等的变化，反馈回路增益误差的变化导致光纤陀螺的复位产生误差。

3、光纤陀螺的本征频率是导航级（中精度）、精密级（高精度）和基准级（甚高精度）光纤陀螺工作所需的重要参数，通过使偏置调制工作在本征频率上，可以有效消除各种误差，但是调制频率偏离本征频率将导致陀螺输出噪声和漂移增加，死区和标度因数误差增大，使光纤陀螺不能适合于高精度应用。

4、跟踪本征频率的简单方法是检测传感线圈的温度，本征频率的温度相关性通常是线性的和可预期的。利用这种温度相关性对陀螺的调制频率进行连续调节，直至调制频率与线圈温度预测的本征频率一致。但是这种非直接的跟踪频率方法具有很大的局限性，局限性体现在以下几个方面：

5、1）需要在陀螺运行之前精确标定本征频率与线圈温度的相关性；

6、2）标定的精度和重复性可能不足以确保所需的偏置性能；

7、3）除温度外还有一些参数如大气压力、恒定加速度或环境应力等也会改变本征频率，降低温度补偿的效果。

8、对于工作在宽温度范围的中精度（导航级）光纤陀螺来说，可以采用非直接测量本征频率的方法，也即由线圈的温度测量来估算本征频率，修正系数由修正查表获得。但是上述硬件或软件的温补方法精度有限，通常不能满足更高精度的要求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，通过施加方波调制信号，并对光纤陀螺的本征频率进行跟踪，既可以实现解调陀螺转速信号及增益变化误差，又可以实现陀螺本征频率的准确跟踪，从而使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。

2、本发明是通过以下技术方案予以实现：

3、一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其包括如下步骤：

4、s1：光源输出的光经耦合器到达y波导后，分为两束光在光纤环圈内相向传输，再返回到y波导形成干涉光，干涉光再经过耦合器进入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电压信号后并进行滤波放大，然后被a/d转换器采样和量化，转换为数字量，经数字解调与积分电路解调并一次数字积分，得到陀螺输出角速度，然后数字解调与积分电路再将陀螺输出角速度进行二次积分生成数字阶梯波；

5、s2：数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经d/a转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波施加到y波导，方波偏置调制信号为式（1）；

6、

7、其中：为调制深度，满足，为方波偏置调制波形的调制周期，为偏置相位；

8、s3：当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期小于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号减小，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率减小，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间，当数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号的调制周期大于光纤陀螺渡越时间时，数字解调与积分电路控制压控振荡器的电压信号增大，使数字解调与积分电路产生的方波偏置调制信号频率增大，直至方波偏置调制信号的调制周期等于光纤陀螺渡越时间。

9、进一步，步骤s2中数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经d/a转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波后，经过功放放大后再施加到y波导。

10、一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，用以执行上述任一项所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其包括光源、耦合器、y波导、光纤环圈、光电探测器、前置放大器、ad转换器、数字解调与积分电路、da转换器及压控振荡器，光源的输出端与耦合器的输入端耦合连接，耦合器的输出端与y波导的输入端耦合连接，y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光电探测器的输入端与耦合器的探测端耦合连接，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与ad转换器的输入端连接，ad转换器的输出端与数字解调与积分电路的输入端连接，数字解调与积分电路的输出端与da转换器的输入端连接，da转换器的输出端与y波导的反馈端连接，数字解调与积分电路的控制端与压控振荡器的输入端连接。

11、进一步，da转换器与y波导之间连接有后置放大器。

12、发明的有益效果：

13、本发明提供的实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，通过施加方波调制信号，并对光纤陀螺的本征频率进行跟踪，既可以实现解调陀螺转速信号及增益变化误差，又可以实现陀螺本征频率的准确跟踪，从而使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。

技术特征：

1.一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其特征在于：步骤s2中数字解调与积分电路产生方波偏置调制信号与数字阶梯波同步叠加，经d/a转换器转换为模拟电压信号形成阶梯调制波后，经过功放放大后再施加到y波导。

3.一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，用以执行如权利要求1至2任一项所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法，其特征在于：包括光源、耦合器、y波导、光纤环圈、光电探测器、前置放大器、ad转换器、数字解调与积分电路、da转换器及压控振荡器，光源的输出端与耦合器的输入端耦合连接，耦合器的输出端与y波导的输入端耦合连接，y波导的两个尾纤分别与光纤环圈的两个尾纤耦合连接，光电探测器的输入端与耦合器的探测端耦合连接，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与ad转换器的输入端连接，ad转换器的输出端与数字解调与积分电路的输入端连接，数字解调与积分电路的输出端与da转换器的输入端连接，da转换器的输出端与y波导的反馈端连接，数字解调与积分电路的控制端与压控振荡器的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调系统，其特征在于：所述da转换器与y波导之间连接有后置放大器。

技术总结
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及实现光纤陀螺频率跟踪的调制解调方法及系统，包括如下步骤：光源输出的光经耦合器到达Y波导后，分为两束光在光纤环圈内相向传输后，返回到Y波导形成干涉光，干涉光再经过耦合器进入光电探测器，经数字解调与积分电路解调得到陀螺输出，再生成数字阶梯波与方波偏置调制信号同步叠加施加到Y波导，同时数字解调与积分电路控制压控振荡器使方波偏置调制信号的调制周期始终等于光纤陀螺渡越时间。本发明提供的方法及系统使光纤陀螺一直工作在偏置相位附近的一个很小的线性范围内，提高了光纤陀螺的稳定性，保证了光纤陀螺的精度。

技术研发人员：颜苗,林毅,陈桂红,刘伯晗
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12