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CN114993281A - 基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法 - Google Patents

基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法 Download PDF

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CN114993281A CN202210724576.7A CN202210724576A CN114993281A CN 114993281 A CN114993281 A CN 114993281A CN 202210724576 A CN202210724576 A CN 202210724576A CN 114993281 A CN114993281 A CN 114993281A
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Abstract

本发明公开了一种基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法。本发明中利用谐振腔来实现多光束的干涉，通过检测顺、逆时针光束经过谐振腔后的干涉光强度的变化来实现角速度的检测，并利用锯齿波等效移频的手段来实现系统的闭环。本发明中采用全数字化的信号处理技术，信号处理系统包括数/模和模/数转化模块、调制解调模块、伺服控制模块、移频驱动模块以及低通滤波模块。锯齿波的频率由频率控制字决定，其大小等于谐振腔在顺、逆时针方向的谐振频率差的一半，频率控制字经过低通滤波模块后作为角速度检测系统的输出。闭环检测可以有效的提高系统输出的线性度以及角速度检测的动态范围。

Description

基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法。
背景技术
光学陀螺仪是一种利用光学Sagnac效应来实现角速度检测的一种高精度惯性传感器，主要包括干涉式光纤陀螺仪(Interferometric Fiber-optic Gyroscope,IFOG)和谐振式光学陀螺仪(Resonator Optic Gyroscope,ROG)。其中ROG又可以分为谐振式光纤陀螺仪(Resonator Fiber-optic Gyroscope,RFOG)和谐振式微光学陀螺仪(Resonator Micro-optic Gyroscope,RMOG)。IFOG以多圈光纤环作为其敏感元件，通过检测顺、逆时针光束的干涉光强度来检测角速度，对于一个给定直径的光纤环，其理论灵敏度与光纤环的长度成正相关。ROG是以一个高清晰度的光学环形谐振腔作为其敏感元件，利用光束在谐振腔内的多圈传输来增强光学Sagnac效应，并通过检测顺、逆时针光束的谐振频率差来检测旋转角速度，其理论灵敏度为谐振腔的长度与谐振腔清晰度乘积的一半。因此，在相同的直径和光纤长度下，ROG具有更高的检测灵敏度。
在传统ROG中，为了实现对旋转产生的谐振频率差的高精度检测，往往需要借助一个高相干性的光源，这无疑也会增强许多光学寄生效应，如背向散射、偏振波动、Kerr效应等。这些寄生效应的增强会增加系统信号处理的复杂性，同时也限制了系统精度的提升，因此不利于系统小型化的实现。
在基于低相干光的系统中，以低相干光源作为系统光源可以从源头上降低系统中与光源相干性有关的寄生效应，从而提高系统的稳定性。同时在基于低相干光的ROG系统中，角速度的检测是基于光强探测的原理，因此不需要复杂的频率锁定回路就能实现角速度的高精度检测，从而大大降低了角速度检测的复杂程度。然而在基于低相干光的角速度检测系统中，其所依据的是功率检测技术，因此其系统的开环输出的线性区范围要小于传统的开环ROG系统，且随着旋转角速度的增加，系统输出的非线性也在逐渐变大，这就严重限制了基于低相干光角速度检测系统的实际应用。因此为了降低系统输出的非线性以及提高系统的动态范围，在基于低相干光的角速度检测系统中进行闭环检测是至关重要的。
在传统ROG中旋转角速度的检测是基于频率检测的方式来实现的，因此可以直接通过锯齿波移频来改变某一束入腔光的中心频率的方式来实现闭环。但在基于低相干光的ROG系统中，其所应用的角速度检测手段为功率检测，且与传统的ROG相比，在基于低相干光的ROG中，光束会在入腔前后分别经历两次调制，而第二次调制会对第一次调制有一定的抵消作用，因此在该系统下实现闭环不能简单通过改变某一束单频光的中心频率来实现。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种采用低相干光源作为发射源，透射式光学谐振腔作为角速度敏感元件，利用锯齿波等效移频来实现闭环的全数字化闭环角速度检测系统及方法。光学谐振腔具有对输入光进行选频和滤波的作用，根据光学Sagnac效应，在不同旋转角速度下谐振腔对顺时针光路和逆时针光路具有不同的滤波特性，从而使得顺、逆时针光束经过谐振腔后的干涉光功率随转动而发生变化，基于此特性即可检测系统的旋转角速度。同时利用锯齿波等效移频来同时改变顺、逆时针入腔光的整体中心频率，使得谐振腔对于顺、逆时针光束的滤波特性保持一致，从而使得顺、逆时针光束的干涉光强度始终具有最大值，因此通过对这一锯齿波移频量的检测即可获得系统的旋转角速度，从而实现闭环。
本发明的技术方案如下：
本发明首先提供了一种基于低相干光全数字化闭环角速度检测系统，其包括由低相干光源、光电探测器、三端环形器、推挽式Y分支以及光学谐振腔所构成的光学系统以及由数/模转化(D/A)模块、模/数转化(A/D)模块、调制解调模块、伺服控制模块、移频驱动模块以及低通滤波模块所构成的全数字化信号处理系统；
所述低相干光源与三端环形器的第一端口相连，三端环形器的第二端口连接推挽式Y分支的输入端，推挽式Y分支的两个输出端分别与透射式光学谐振腔的两个耦合器的同侧端口相连；三端环形器的第三端口与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出信号经过A/D模块输入到调制解调模块；调制解调模块产生的调制信号经过D/A模块作用于推挽式Y分支，调制解调模块产生的解调信号依次通过伺服控制模块、移频驱动模块、D/A模块后作用于推挽式Y分支，伺服控制模块的输出经过低通滤波器后作为系统的输出信号输入到外部数据记录仪。
作为本发明的优选方案，所述调制解调模块产生与调制信号U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调得到解调信号。
作为本发明的优选方案，调制解调模块的解调信号经过伺服控制模块后产生频率控制字(Frequency control word，FCW)并发送给移频驱动模块，移频驱动模块依据FCW的值生成频率等于谐振腔在顺、逆时针方向的谐振频率差的一半且幅值等于推挽式Y分支全波电压的锯齿波信号，经过D/A模块后作用于推挽式Y分支，使得谐振腔对于顺、逆时针入腔的低相干光具有相同的滤波特性，从而使得光电探测器处所探测到的光强始终具有最大值。
作为本发明的优选方案，伺服控制模块的输出经过低通滤波器后作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪。
本发明还提供了一种应用所述检测系统的检测方法，其包括以下步骤：
(1)低相干光源发出的光经三端环形器的第一端口进入三端环形器、再由三端环形器的第二端口进入推挽式Y分支，并分别从顺、逆时针方向进入透射式光学谐振腔，并在透射式光学谐振腔内进行多圈传输，之后顺、逆时针光束再次经过推挽式Y分支并在推挽式Y分支处进行干涉，最后干涉所得的光束经过环形器后经三端环形器的第三端口进入光电探测器；
(2)信号的调制：
低相干光源发出的低相干光在推挽式Y分支处进行相位调制，其中，推挽式Y分支进行相位调制的驱动信号是调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(3)信号的解调：
在推挽式Y分支处所产生的干涉信号经过环形器进入光电探测器并转化为电信号，之后经过A/D模块后进入调制解调模块，调制解调模块产生与调制信号U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)闭环的实现：
调制解调模块的解调信号经过伺服控制模块后产生频率控制字(Frequencycontrol word，FCW)并发送给移频驱动模块，移频驱动模块依据FCW的值生成频率等于顺、逆时针光束谐振频率差的一半且幅值等于推挽式Y分支全波电压的锯齿波信号，经过D/A模块后作用于推挽式Y分支，使得谐振腔对于顺、逆时针入腔的低相干光具有相同的滤波特性，从而使得光电探测器处所探测到的光强始终具有最大值；
(5)系统信号输出：
当系统静止时，谐振腔对顺、逆时针方向的入腔光束具有相同的滤波特性，此时推挽式Y分支处的干涉光束的光强达到最大值；而当系统发生转动时，谐振腔对于顺、逆时针方向入腔光束的滤波特性产生差异，此时推挽式Y分支处的干涉光强会随转动速度而发生相应的改变，因此可以通过检测干涉后光信号的光功率的变化来实现角速度的检测；当系统实现闭环后，干涉光的强度将始终保持在最大值，而由转动所引起的顺、逆时针光束干涉光强度的变化信息将体现在伺服控制模块的输出中，经过低通滤波器后可作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪，最终经过标定后，即可得到系统的角速度检测值。
本发明具有的有益效果：
1、本发明提供的基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法，利用低相干光作为光源可以在很大程度上减小包括背向散射、偏振波动在内的光学寄生效应，从而在很大程度上提高了系统的稳定性。
2、本发明提供的基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法，系统中的光学谐振腔可以为光纤环形谐振腔也可以为光波导环形谐振腔，因此本发明中所提出的闭环方案既可以应用于谐振式光纤陀螺也可以应用于谐振式微光学陀螺，从而极大的扩大了本发明的应用范围，对实现角速度检测系统的小型化也具有极大的帮助。
3、本发明提供的基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法，采用全数字化的信号处理系统，利用数字锯齿波等效移频来实现闭环，提高了系统的稳定性，有利于系统小型化的实现。
4、本发明提供的基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法，利用锯齿波等效移频来分别改变顺、逆时针入腔光的整体中心频率，使得谐振腔对于顺、逆时针光束的滤波特性保持一致，从而使得顺、逆时针光束的干涉光强始终具有最大值，此时的系统将一直工作在谐振频率点处，从而在很大程度上提高了系统输出的线性度，以及增大了系统角速度检测的动态范围。
附图说明
图1是基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法的结构示意图；
图2是信号解调后输出的曲线示意图。
图3是锯齿波等效移频示意图，其中V2π为推挽式Y分支的全波电压，f0为光源的中心频率、fs为转动引起的顺、逆时针方向光束的谐振频率差的一半。
图4是当系统发生转动时，闭环前、后的顺时针和逆时针谐振频率之间的关系示意图，其中Δf为转动引起的顺、逆时针方向光束的谐振频率差，FSR为谐振腔的自由谱宽。
图5是基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法的具体实施案例示意图。
图中：1、低相干光源，2、光电探测器，3、环形器，4、推挽式Y分支，5、透射式光学谐振腔，包括透射式光纤环形谐振腔和透射式光波导环形谐振腔，6、A/D模块，7、调制解调模块，8、伺服控制模块，9、移频驱动模块，10、低通滤波模块，11、D/A模块，12、数据采集器。
具体实施方式
下面结合实例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统，包括由低相干光源、光电探测器、三端环形器、推挽式Y分支以及透射式光学谐振腔所构成的光学系统以及由数/模转化(D/A)模块、模/数转化(A/D)模块、调制解调模块、伺服控制模块、移频驱动模块以及低通滤波模块所构成的全数字化信号处理系统；
所述低相干光源与三端环形器的第一端口相连，三端环形器的第二端口连接推挽式Y分支的输入端，推挽式Y分支的两个输出端分别与透射式光学谐振腔的两个耦合器的同侧端口相连；三端环形器的第三端口与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出信号经过A/D模块输入到调制解调模块；调制解调模块产生的调制信号经过D/A模块作用于推挽式Y分支，调制解调模块产生的解调信号依次通过伺服控制模块、移频驱动模块、D/A模块后作用于推挽式Y分支，伺服控制模块的输出经过低通滤波器后作为系统的输出信号输入到外部数据记录仪。
应用上述系统进行全数字化闭环角速度检测方法包括以下步骤：
(1)低相干光源发出的光经三端环形器的第一端口进入三端环形器、再由三端环形器的第二端口进入推挽式Y分支，并分别从顺、逆时针方向进入透射式光学谐振腔，并在透射式光学谐振腔内进行多圈传输，之后顺、逆时针光束再次经过推挽式Y分支并在推挽式Y分支处进行干涉，最后干涉所得的光束经过环形器后经三端环形器的第三端口进入光电探测器；(2)信号的调制：
低相干光源发出的低相干光在推挽式Y分支处进行相位调制，其中，推挽式Y分支进行相位调制的驱动信号是调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(3)信号的解调：
在推挽式Y分支处所产生的干涉信号经过环形器进入光电探测器并转化为电信号，之后经过A/D模块后进入调制解调模块，调制解调模块产生与调制信号U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)闭环的实现：
调制解调模块的解调信号经过伺服控制模块后产生频率控制字(Frequencycontrol word，FCW)并发送给移频驱动模块，移频驱动模块依据FCW的值生成频率等于顺、逆时针光束谐振频率差的一半且幅值等于推挽式Y分支全波电压的锯齿波信号，经过D/A模块后作用于推挽式Y分支，使得谐振腔对于顺、逆时针入腔的低相干光具有相同的滤波特性，从而使得光电探测器处所探测到的光强始终具有最大值；
(5)系统信号输出：
当系统静止时，谐振腔对顺、逆时针方向的入腔光束具有相同的滤波特性，此时推挽式Y分支处的干涉光束的光强达到最大值；而当系统发生转动时，谐振腔对于顺、逆时针方向入腔光束的滤波特性产生差异，此时推挽式Y分支处的干涉光强会随转动速度而发生相应的改变，因此可以通过检测干涉后光信号的光功率的变化来实现角速度的检测；当系统实现闭环后，干涉光的强度将始终保持在最大值，而由转动所引起的顺、逆时针光束干涉光强度的变化信息将体现在伺服控制模块的输出中，经过低通滤波器后可作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪，最终经过标定后，即可得到系统的角速度检测值。
如图2所示，本发明给出了基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法的输出解调曲线。从解调曲线上可以看出，当系统静止时，即谐振腔对顺、逆时针光束的滤波特性相同，此时的解调输出为0；当系统转动时，谐振腔对顺、逆时针光束的滤波特性产生差异，相应的解调输出不再等于0，通过对旋转角速度以及解调输出之间的关系进行标定，即可直接依据系统的输出值来获得系统的旋转角速度的大小。
如图3所示，本发明给出了锯齿波等效移频的示意图。其中数字锯齿波信号是由移频驱动模块的输出经过D/A模块后产生，其频率大小等于顺、逆时针方向光束谐振频率差的一半，同时其幅值等于推挽式Y分支的全波电压。在推挽式Y分支上施加锯齿波信号，来实现对顺、逆时针方向光束的相反方向的移频，从而使得顺、逆时针光束具有相同的谐振频率。
如图4所示，本发明给出了闭环前、后基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统及方法转动时顺时针与逆时针频率关系示意图，谐振腔在顺、逆时针方向的谐振频差的一半即为锯齿波等效移频信号的频率。由于本系统采用的是低相干光源，因此它的谱宽远大于谐振腔的一个FSR，故图中用顺、逆时针光束的谐振频率在一个FSR内的变化情况来表示整体的变化情况。当系统转动时，闭环前谐振腔对顺、逆时针光束的滤波特性产生差异，而当系统闭环后，谐振腔对顺、逆时针光束的滤波特性则保持一致。
如图5所示，是一种基于低相干光的全数字化闭环角速度检测系统的实施案例，角速度检测系统包括低相干光源1、光电探测器2、三端环形器3、推挽式Y分支4、透射式光学谐振腔5、A/D模块6、调制解调模块7、伺服控制模块8、移频驱动模块9、低通滤波模块10、两个D/A模块11、数据记录仪12。其中低相干光源与三端环形器的第一端口相连，三端环形器的第二端口连接推挽式Y分支的输入端、推挽式Y分支的输出端从顺、逆时针方向进入透射式光学谐振腔；三端环形器的第三端口与光电探测器的输入端相连；顺、逆时针方向光束在谐振腔内进行多圈传输后在推挽式Y分支处进行干涉，并经过环形器3的端口与光电探测器相连。光电探测器的输出信号依次经过A/D模块、调制解调模块、伺服控制模块、移频驱动模块、D/A模块后作用于推挽式Y分支实现闭环。系统的调制信号由调制解调模块产生，伺服控制器的输出信号经过低通滤波器后被数据记录仪采集，之后经过标定后可作为系统的角速度输出。本发明中采用低相干光作为光源，利用数字锯齿波等效移频的方式来实现闭环，有效的提高了系统的稳定性，同时也提高了系统输出的线性度以及系统角速度检测的动态范围。

Claims (5)

1.一种基于低相干光全数字化闭环角速度检测系统，其特征在于，它包括由低相干光源、光电探测器、三端环形器、推挽式Y分支以及透射式光学谐振腔所构成的光学系统以及由数/模转化(D/A)模块、模/数转化(A/D)模块、调制解调模块、伺服控制模块、移频驱动模块以及低通滤波模块所构成的全数字化信号处理系统；
所述低相干光源与三端环形器的第一端口相连，三端环形器的第二端口连接推挽式Y分支的输入端，推挽式Y分支的两个输出端分别与透射式光学谐振腔的两个耦合器的同侧端口相连；三端环形器的第三端口与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出信号经过A/D模块输入到调制解调模块；调制解调模块产生的调制信号经过D/A模块作用于推挽式Y分支，调制解调模块产生的解调信号依次通过伺服控制模块、移频驱动模块、D/A模块后作用于推挽式Y分支，伺服控制模块的输出经过低通滤波器后作为系统的输出信号输入到外部数据记录仪。
2.根据权利要求1所述的基于低相干光全数字化闭环角速度检测系统，其特征在于，所述调制解调模块产生与调制信号U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调得到解调信号。
3.根据权利要求1所述的基于低相干光全数字化闭环角速度检测系统，其特征在于，调制解调模块的解调信号经过伺服控制模块后产生频率控制字(Frequency control word，FCW)并发送给移频驱动模块，移频驱动模块依据FCW的值生成频率等于谐振腔在顺、逆时针方向的谐振频率差的一半且幅值等于推挽式Y分支全波电压的锯齿波信号，经过D/A模块后作用于推挽式Y分支，使得谐振腔对于顺、逆时针入腔的低相干光具有相同的滤波特性，从而使得光电探测器处所探测到的光强始终具有最大值。
4.根据权利要求1所述的基于低相干光全数字化闭环角速度检测系统，其特征在于，伺服控制模块的输出经过低通滤波器后作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪。
5.一种应用权利要求1-4任一项所述检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)低相干光源发出的光经三端环形器的第一端口进入三端环形器、再由三端环形器的第二端口进入推挽式Y分支，并分别从顺、逆时针方向进入透射式光学谐振腔，并在透射式光学谐振腔内进行多圈传输，之后顺、逆时针光束再次经过推挽式Y分支并在推挽式Y分支处进行干涉，最后干涉所得的光束经过环形器后经三端环形器的第三端口进入光电探测器；
(2)信号的调制：
低相干光源发出的低相干光在推挽式Y分支处进行相位调制，其中，推挽式Y分支进行相位调制的驱动信号是调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(3)信号的解调：
在推挽式Y分支处所产生的干涉信号经过环形器进入光电探测器并转化为电信号，之后经过A/D模块后进入调制解调模块，调制解调模块产生与调制信号U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)闭环的实现：
调制解调模块的解调信号经过伺服控制模块后产生频率控制字(Frequency controlword，FCW)并发送给移频驱动模块，移频驱动模块依据FCW的值生成频率等于顺、逆时针光束谐振频率差的一半且幅值等于推挽式Y分支全波电压的锯齿波信号，经过D/A模块后作用于推挽式Y分支，使得谐振腔对于顺、逆时针入腔的低相干光具有相同的滤波特性，从而使得光电探测器处所探测到的光强始终具有最大值；
(5)系统信号输出：
当系统静止时，谐振腔对顺、逆时针方向的入腔光束具有相同的滤波特性，此时推挽式Y分支处的干涉光束的光强达到最大值；而当系统发生转动时，谐振腔对于顺、逆时针方向入腔光束的滤波特性产生差异，此时推挽式Y分支处的干涉光强会随转动速度而发生相应的改变，因此可以通过检测干涉后光信号的光功率的变化来实现角速度的检测；当系统实现闭环后，干涉光的强度将始终保持在最大值，而由转动所引起的顺、逆时针光束干涉光强度的变化信息将体现在伺服控制模块的输出中，经过低通滤波器后可作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪，最终经过标定后，即可得到系统的角速度检测值。
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