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CN108168537B - 基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统和方法 - Google Patents

基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统和方法 Download PDF

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CN108168537B
CN108168537B CN201810119508.1A CN201810119508A CN108168537B CN 108168537 B CN108168537 B CN 108168537B CN 201810119508 A CN201810119508 A CN 201810119508A CN 108168537 B CN108168537 B CN 108168537B
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Abstract

本发明公开了一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统和方法。本发明首先对输入到光学环形谐振腔的激光进行相位调制，并对出腔的顺时针和逆时针输出信号进行同步正交解调，其中一路正交解调信号经信号处理后作为误差信号通过伺服回路去控制激光器频率，使得激光器输出光频率跟踪锁在这一路谐振频率上；另外一路正交解调信号经信号处理后作为陀螺信号输出。本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法有利于自动调节解调相位至灵敏度最大点；抑制了系统回路中的器件的相位噪声，提高了系统的信噪比。

Description

基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统和方法
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统和方法。谐振式陀螺包括以光纤环形谐振腔为敏感元件的谐振式光纤陀螺和以光波导谐振腔为核心敏感元件的谐振式集成光学陀螺。
背景技术
谐振式光学陀螺(Resonator Optic Gyro，ROG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的微型惯性传感器。无振动部件的谐振式光学陀螺具有小型化，精度高，抗震动等优点。相比微机械陀螺(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)和干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optical Gyroscope，IFOG)，ROG将具有更大的优势。
由于Sagnac效应是一种非常微弱的效应，并且谐振式光学陀螺的光学噪声又很强，因此在谐振式光学陀螺系统中，信号调制与检测以及噪声抑制技术占有非常重要的地位。系统信号解调时，需要手动调整相位使得系统的灵敏度最大，这不利于陀螺系统的产业化生产。且系统中的仪器存在相位噪声，这会给陀螺的输出造成影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括可调谐激光器、光学隔离器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块构成的信号处理系统；
可调谐激光器、光学隔离器和光学分路器依次相连，光学分路器分别与第一相位调制器、第二相位调制器相连，第一相位调制器与光学谐振腔相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号调制解调模块依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制模块相连，信号调制解调模块与第二相位调制模块相连，信号调制解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号调制解调模块与第二信号处理模块相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光经过光学隔离器后，通过光学分路器分成功率相同的两束，再分别通过第一相位调制器和第二相位调制器调制，具体来说：信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U1(t)和U2(t)分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器完成相位调制，这样就完成了对进入光学谐振腔的逆时针和顺时针光的相位调制和载波抑制；
(2)信号的正交解调：经过相位调制的两束光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号，信号调制解调模块产生同频正交信号分别对顺时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U3(t)和U4(t)；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对逆时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U5(t)和U6(t)；
(3)正交解调信号的信号处理：在第二信号处理模块中，顺时针方向的两路正交解调信号U3(t)和U4(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U7(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U7(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如U3(t)为正时，令U7(t)为正，U3(t)为负时，令U7(t)为负)，最终得到奇函数信号U8(t)；在第一信号处理模块中，逆时针方向的两路正交解调信号U5(t)和U6(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U9(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U9(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如U5(t)为正时，令U9(t)为正，U5(t)为负时，令U9(t)为负)，最终得到奇函数信号U10(t)；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经第一信号处理模块处理后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经第二信号处理模块处理后，作为谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。
一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统，其特征在于，它包括可调谐激光器、光学隔离器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、伺服移频模块构成的信号处理系统；
可调谐激光器、光学隔离器和光学分路器依次相连，光学分路器分别与第一相位调制器、第二相位调制器相连，第一相位调制器、第三相位调制器和光学谐振腔依次相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号调制解调模块依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，信号调制解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号调制解调模块、第二信号处理模块、伺服移频模块和第三相位调制器依次相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光经过光学隔离器后，通过光学分路器分成功率相同的两束，再分别通过第一相位调制器和第二相位调制器调制，具体来说：信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U1(t)和U2(t)分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器完成相位调制，这样就完成了对进入光学谐振腔的逆时针和顺时针光的相位调制和载波抑制；
(2)信号的正交解调：经过相位调制的两束光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对顺时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U3(t)和U4(t)；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对逆时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U5(t)和U6(t)；
(3)正交解调信号的信号处理：在第二信号处理模块中，顺时针方向的两路正交解调信号U3(t)和U4(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U7(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U7(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如U3(t)为正时，令U7(t)为正，U3(t)为负时，令U7(t)为负)，最终得到奇函数信号U8(t)；在第一信号处理模块中，逆时针方向的两路正交解调信号U5(t)和U6(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U9(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U9(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如U5(t)为正时，令U9(t)为正，U5(t)为负时，令U9(t)为负)，最终得到奇函数信号U10(t)。
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经第一信号处理模块后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，顺时针路信号，经第二信号处理模块后，传输至伺服移频模块，最后作用在第三相位调制器，使得顺时针路也工作在谐振频率点上，移频量即为陀螺的转动输出信号。
本发明具有的有益效果：
1.本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法有利于自动调节解调相位至灵敏度最大点。
2.本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法抑制了谐振式光学陀螺的系统器件的相位噪声，提高了系统的信噪比。
3.本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法能在抑制相位噪声的同时，抑制背散噪声，提高了系统的稳定度。
附图说明
图1是本发明的第一种正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统的结构示意图。
图2是本发明的第二种正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统的结构示意图。
图3是正交解调经信号处理后输出的曲线示意图。
图4是谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图。
图5是基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统的具体实施案例示意图。
图中：1、可调谐激光器，2、隔离器，3、光学分路器，4、第一相位调制器5、第二相位调制器，6、第一环形器，7、第二环形器，8、光学谐振腔，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、信号调制解调模块，12、第一信号处理模块，13、反馈锁定模块，14、第二信号处理模块，15、数据记录仪。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
如图1所示，一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统，其特征在于，它包括可调谐激光器、光学隔离器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块构成的信号处理系统；
可调谐激光器、光学隔离器和光学分路器依次相连，光学分路器分别与第一相位调制器、第二相位调制器相连，第一相位调制器与光学谐振腔相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号调制解调模块依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制模块相连，信号调制解调模块与第二相位调制模块相连，信号调制解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号调制解调模块与第二信号处理模块相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光经过光学隔离器后，通过光学分路器分成功率相同的两束，再分别通过第一相位调制器和第二相位调制器调制，具体来说：信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U1(t)和U2(t)分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器完成相位调制，这样就完成了对进入光学谐振腔的逆时针和顺时针光的相位调制和载波抑制；
(2)信号的正交解调：经过相位调制的两束光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号，信号调制解调模块产生同频正交信号分别对顺时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U3(t)和U4(t)；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对逆时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U5(t)和U6(t)；
(3)正交解调信号的信号处理：在第二信号处理模块中，顺时针方向的两路正交解调信号U3(t)和U4(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U7(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U7(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如本实施例中，U3(t)为正时，令U7(t)为正，U3(t)为负时，令U7(t)为负)，最终得到奇函数信号U8(t)；在第一信号处理模块中，逆时针方向的两路正交解调信号U5(t)和U6(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U9(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U9(t)进行翻转，(可根据系统的参数设定判断，如本实施例中，U5(t)为正时，令U9(t)为正，U5(t)为负时，令U9(t)为负)，最终得到奇函数信号U10(t)；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经第一信号处理模块处理后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经第二信号处理模块处理后，作为谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。
如图2所示，一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统，其特征在于，它包括可调谐激光器、光学隔离器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、伺服移频模块构成的信号处理系统；
可调谐激光器、光学隔离器和光学分路器依次相连，光学分路器分别与第一相位调制器、第二相位调制器相连，第一相位调制器、第三相位调制器和光学谐振腔依次相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号调制解调模块依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，信号调制解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号调制解调模块、第二信号处理模块、伺服移频模块和第三相位调制器依次相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光经过光学隔离器后，通过光学分路器分成功率相同的两束，再分别通过第一相位调制器和第二相位调制器调制，具体来说：信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U1(t)和U2(t)分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器完成相位调制，这样就完成了对进入光学谐振腔的逆时针和顺时针光的相位调制和载波抑制；
(2)信号的正交解调：经过相位调制的两束光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对顺时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U3(t)和U4(t)；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对逆时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U5(t)和U6(t)；
(3)正交解调信号的信号处理：在第二信号处理模块中，顺时针方向的两路正交解调信号U3(t)和U4(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U7(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U7(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如本实施例中，U3(t)为正时，令U7(t)为正，U3(t)为负时，令U7(t)为负)，，最终得到奇函数信号U8(t)；在第一信号处理模块中，逆时针方向的两路正交解调信号U5(t)和U6(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U9(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U9(t)进行翻转(可根据系统的参数设定判断，如本实施例中，U5(t)为正时，令U9(t)为正，U5(t)为负时，令U9(t)为负)，，最终得到奇函数信号U10(t)。
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经第一信号处理模块后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，顺时针路信号，经第二信号处理模块后，传输至伺服移频模块，最后作用在第三相位调制器，使得顺时针路也工作在谐振频率点上，移频量即为陀螺的转动输出信号。
如图3所示，给出了基于正交解调的谐振式光学陀螺的输出解调曲线。解调曲线反应了谐振频率差与解调幅度的关系。中间的线性区为陀螺的工作范围，当陀螺发生转动时，会产生谐振频率差，解调值也就不为0。通过标定系数，即可计算出陀螺的转动角速度。
如图4所示，给出了谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图。激光器频率始终稳定在逆时针光束的谐振频率，顺时针和逆时针光束的谐振频率差即为谐振式光学陀螺的转动信号。
如图5所示，是一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的实时案例，本发明使用半导体可调谐激光器作为可调谐激光器，Y分支作光学分路器，光学相位调制器作为调制器，光电探测器作为光电转换模块，在基于FPGA的开发平台上进行代码编写实现信号调制解调模块，信号处理模块，反馈锁定模块，使用数字万用表或者个人电脑作为数据记录仪。

Claims (2)

1.一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统的检测方法，所述检测系统包括可调谐激光器、光学隔离器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块构成的信号处理系统；
可调谐激光器、光学隔离器和光学分路器依次相连，光学分路器分别与第一相位调制器、第二相位调制器相连，第一相位调制器与光学谐振腔相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号调制解调模块依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制模块相连，信号调制解调模块与第二相位调制模块相连，信号调制解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号调制解调模块与第二信号处理模块相连；
其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
(1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光经过光学隔离器后，通过光学分路器分成功率相同的两束，再分别通过第一相位调制器和第二相位调制器调制，具体来说：信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U1(t)和U2(t)分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器完成相位调制，这样就完成了对进入光学谐振腔的逆时针和顺时针光的相位调制和载波抑制；
(2)信号的正交解调：经过相位调制的两束光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号，信号调制解调模块产生同频正交信号分别对顺时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U3(t)和U4(t)；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对逆时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U5(t)和U6(t)；
(3)正交解调信号的信号处理：在第二信号处理模块中，顺时针方向的两路正交解调信号U3(t)和U4(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U7(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U7(t)进行翻转，最终得到奇函数信号U8(t)；在第一信号处理模块中，逆时针方向的两路正交解调信号U5(t)和U6(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U9(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U9(t)进行翻转，最终得到奇函数信号U10(t)；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经第一信号处理模块处理后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经第二信号处理模块处理后，作为谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。
2.一种基于正交解调的谐振式光学陀螺的检测系统的检测方法，所述检测系统包括可调谐激光器、光学隔离器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、伺服移频模块构成的信号处理系统；
可调谐激光器、光学隔离器和光学分路器依次相连，光学分路器分别与第一相位调制器、第二相位调制器相连，第一相位调制器、第三相位调制器和光学谐振腔依次相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号调制解调模块依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，信号调制解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号调制解调模块、第二信号处理模块、伺服移频模块和第三相位调制器依次相连；
其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
(1)相位调制：由可调谐激光器发出的激光经过光学隔离器后，通过光学分路器分成功率相同的两束，再分别通过第一相位调制器和第二相位调制器调制，具体来说：信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U1(t)和U2(t)分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器完成相位调制，这样就完成了对进入光学谐振腔的逆时针和顺时针光的相位调制和载波抑制；
(2)信号的正交解调：经过相位调制的两束光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对顺时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U3(t)和U4(t)；信号调制解调模块产生同频正交信号分别对逆时针光束转换成的电信号进行解调，产生解调信号U5(t)和U6(t)；
(3)正交解调信号的信号处理：在第二信号处理模块中，顺时针方向的两路正交解调信号U3(t)和U4(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U7(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U7(t)进行翻转，最终得到奇函数信号U8(t)；在第一信号处理模块中，逆时针方向的两路正交解调信号U5(t)和U6(t)，分别平方后相加，然后开根号得到非负偶函数信号U9(t)，根据其中的一路正交解调信号的正负性来对U9(t)进行翻转，最终得到奇函数信号U10(t)；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经第一信号处理模块后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，顺时针路信号，经第二信号处理模块后，传输至伺服移频模块，最后作用在第三相位调制器，使得顺时针路也工作在谐振频率点上，移频量即为陀螺的转动输出信号。
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