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1、光纤陀螺原理,1,光纤陀螺捷联惯导课题组专题研讨,光纤陀螺信号处理原理、方案及实现,2,光纤陀螺原理,研讨内容,干涉式光纤陀螺基本原理简介； 信号的偏置调制与解调； 闭环工作方案与实现； 基于FPGA的信号处理及时序控制 ； 信号处理电路板介绍； FPGA程序介绍,3,光纤陀螺原理,干涉式光纤陀螺基本原理,等价的概念： 环形干涉仪光纤陀螺 光纤线圈 光纤环 相位调制器Y波导（Y分支） 群传输时间渡越时间 萨格奈克相位差Sagnac,4,光纤陀螺原理,干涉式光纤陀螺基本原理,光纤陀螺基于萨格奈克（Sagnac）效应，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差,5,光纤陀螺原理,干涉型光
2、纤陀螺（I-FOG）就是一个光纤Sagnac干涉仪，它利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光；把光相位的直接测量变为光强度的测量，从而较简单地测出Sagnac相位变化。 光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为S的余弦函数,干涉式光纤陀螺基本原理,6,光纤陀螺原理,干涉式光纤陀螺基本原理,光源发出的光经过耦合器后分为两束光，其中的一束光进入电光相位调制器（Y波导），经过Y波导的内部调节后输出的两束光为满足光的相干条件，这两束光在光纤环中相向传播，感应外部的角速度运动，在探测器处检测干涉信号光强变化，经过光电信号处理转换之后，形成闭环反馈电压信号来调节Y波导，使Y波导产生与外部Sag
3、nac相移大小相等方向相反的反馈相移，使数字闭环光纤陀螺始终工作在零点相移附近，在数据处理的同时即可以获取外部的角速度信息,7,光纤陀螺原理,信号的偏置调制与解调,b必须和预定的灵敏度一样稳定,8,光纤陀螺原理,互易性偏置调制解调,在光纤线圈的一端放置一个互易性相位调制器作为时延线，可完全克服相位 偏置的漂移问题。 由于互易性，两束干涉波受到完全相同的相位调制，但不同时，其时延等于 调制器和分束器之间的长、短光路的群传输时间之差,信号的偏置调制与解调,9,光纤陀螺原理,于是，干涉信号变为,这种方法可以用一个方波调制来实现，即 ，其中方波的半周期等于， 从而产生一个 的偏置调制,静止时，方波的两
4、种调制态给出相同的信号,旋转时，则有,两种调制态之差变为,信号的偏置调制与解调,10,光纤陀螺原理,0,I,t,0,t,偏置调制,光强响应,检测光强信号,静止,旋转,信号的偏置调制与解调,11,光纤陀螺原理,用锁定放大器对探测器信号进行解调，可以测量这个“偏置”信号，当,时有最大灵敏度，此时,由于这种调制解调方法能够产生一个具有稳定偏置的正弦响应(未加调制的余弦响应的导数)，目前已经作为最佳的偏置技术被广泛采纳,稳定的零点,信号的偏置调制与解调,12,光纤陀螺原理,0,t,V,信号的偏置调制与解调,13,光纤陀螺原理,偏置调制状态选择的依据： 最佳性能来自于最佳的信噪比；考虑理论光子噪声及探测
5、器热噪声，偏置工作点可以选在 之间，不会削弱信噪比,信号的偏置调制与解调,14,光纤陀螺原理,信号的偏置调制与解调,四状态,15,光纤陀螺原理,闭环工作方案与实现,前面描述的调制解调检测方案能够保持环形干涉仪的互易性，因而可以得到很好的零偏性能。 当然，倘若高性能光纤陀螺仪必须有一个稳定的和低噪声的零偏，它也同样需要在整个动态范围内而不仅仅在零点附近具有好的精度。 重要的测量参数是旋转的积分角位移而不只是速率，任何过去的误差都将影响未来的信息。这一约束意味着，在任何速率上都需要一个精确的测量值（也即要有一个精确的标度因数）。这就是说，干涉仪的固有响应是正弦 型的，而所需的陀螺仪速率响应信号应是
6、线性的。 这个问题可以采用闭环信号处理方法来解决,16,光纤陀螺原理,解调出的偏置信号（或开环信号）作为一个误差信号反馈回系统中，以产生一个附加的反馈相位差FB。 FB与旋转引起的相位差S大小相等、符号相反，总的相位差 T = S + FB被司服控制在零位上。 在这种闭环方案中，新的测量信号是反馈相位，它与反馈的光功率和检测通道的增益无关，这样就得到了一个稳定性好的线性响应,旋转速率的测量值变为,闭环工作方案与实现,17,光纤陀螺原理,闭环工作的原始方案之一：利用频移由声光调制器（AOM）也称为布喇格元件产生频移。事实上，萨格奈克效应可以用线圈分束器上的多普勒效应来解释，这样，位于线圈一端的频
7、移器可以使萨格奈克效应的多普勒频移置零,稳定性,闭环工作方案与实现,18,光纤陀螺原理,原始方案二：模拟相位斜波锯齿波调制 通过采用一个线性相位斜波，可以克服声光频移器的稳定性问题。 频率是相位的导数，运用一个相位调制器来代替频移器施加相位斜波调制 （其中 是斜率），等价于一个频移。 这种处理方案允许在零点附近正向或负向工作（与斜波斜率的符号关）。 实际上，锯齿波调制波形在复位时必须具有很快的回扫时间。它要求相位 调制器在很大的带宽内具有平坦的调制效率,闭环工作方案与实现,19,光纤陀螺原理,设想，当处理回路为闭环时，通过调节斜率 补偿旋转引起的相位差 ，使总的相位差 为零,锯齿波复位高度 必
8、须等于干涉仪的响应周期2rad，否则这种复位会引起误差,也即,复位后， 由零变为,闭环工作方案与实现,20,光纤陀螺原理,复位误差 为简单起见，考虑干涉仪施加偏置后的正弦响应。 当 时信号为零，但在每个复位后的时间内，信号变为 。 这种寄生信号可以作为一个方便的误差信号，用于在每个复位触发第二个 反馈回路，以检验相位调制器的调制效率,闭环工作方案与实现,21,光纤陀螺原理,采用第二个处理回路，复位被精确地控制在2上，因此正、负复位的计数提供了旋转角的精确测量。 由于 ，斜率 与旋转速率成正比,这种模拟相位斜波反馈方案看起来很有吸引力，但它需要很短的和非常稳定的回扫时间，才能得到很高的标度因数稳
9、定性和线性度。 一般地，10ppm的标度因数稳定性要求回扫时间小于光纤环传输时间的1%（也即小于几十纳秒,闭环工作方案与实现,22,光纤陀螺原理,现用方案数字相位斜波 利用数字方法很容易解决模拟相位斜波反馈的回扫问题。 “数字相位斜波”产生一个持续时间等于的相位台阶 ， 取代连续斜波。由于光纤环圈的延迟，数字相位斜波引起的相位差 为常数，且等于台阶高度。 这些相位台阶和复位可以与方波偏置调制同步：方波半周期等于。 相位台阶的幅值 通过相位置零反馈回路来设置，与旋转引起的萨格奈克相位差 大小相等、符号相反： 这个 值给出的是旋转速率的线性读出值,闭环工作方案与实现,23,光纤陀螺原理,闭环工作方
10、案与实现,24,光纤陀螺原理,数字相位斜波的产生： 数字寄存器容纳相位台阶的数字值DJ,其动态范围可以很大 （大于25位）。数字积分器产生阶梯斜波的数字值DR。一个 D/A转换器和一个缓冲放大器产生相位调制器的模拟驱动电压。 对于N位的D/A，可以在 的动态范围内把数字 量D转化为一个模拟电压，其中VLSB是与最低有效位（LSB）对应 的驱动电压。 当DR大于 时，自动溢出产生的电压等于 。 如果调节调制通道的增益，使满足： 其中V是产生rad相移的电压，此时溢出自动地产生一个复位， 它等效于模拟斜波的2复位，因而不会产生任何标度因数误差。 这种自动溢出可以采用一个相位斜波，也可以采用相位斜波
11、 和方波调制的数字和。这允许Y分支的两个调制器采用推挽连接， 减少他们的整体非线性误差,数字相位斜波的真正“魅力”，是运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值，都能通过转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位。这样可以非常容易地实现这项有效的技术,闭环工作方案与实现,25,光纤陀螺原理,数字相位斜波技术优势： 在数字方案中，复位和台阶都与时钟时间同步。这样，通过在每次回扫时触发第二个反馈回路，放宽了将 的值精确控制为2的要求。由于第二个反馈回路也与同步，因此不受方波调制的瞬态过程的干扰。 2. 尽管从2rad到0.1rad的分辨率之间实际的动态范围高达26位，但数字相位斜波不需要位数很大的
12、D/A转换器！（对D/A转换器的一般性能要求是线性度误差小于一个LSB。） 3. 实时速率测量值是相位台阶 的数字值DJ，存储在数字逻辑电路的寄存器中。用来驱动电路的时钟必须与光纤线圈的传输时间近似匹配，以便于限制瞬时脉冲的宽度，但台阶值与没有直接关系。当变化时，会轻微地改变选通的瞬时脉冲的宽度，而反馈台阶的值 保持不变。利用数字斜波和一个稳定的电子时钟，标度因数基本上只与线圈几何长度上的萨格奈克效应有关，而与折射率没有关系。 4. 数字斜波方法允许将动态范围很容易地扩展到几个条纹。存储在寄存器中的相位台阶幅值可以对应着大于rad的相位，D/A转换器的溢出自动把实际的相位调制范围限制在小于2,闭环工作方案与实现,26,光纤陀螺原理,闭环工作方案与实现,27,光纤陀螺原理,闭环工作方案与实现,采用第二个反馈回路控制调制幅值的全数字闭环方案原理图
