[發(fā)明專利]一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110651085.X
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113310483B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊一鳳;徐金濤;劉尚波;石念寶;許慎諾
• 申請（專利權(quán)）人: 西安中科華芯測控有限公司
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

1.一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤裝置，其特征在于，包括光源(1)、耦合器(2)、相位調(diào)制器(3)、光纖環(huán)(4)、緩沖放大器(5)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(6)、二次數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(61)，F(xiàn)PGA(7)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)、前置放大器(9)以及光電探測器(10)；

所述光源(1)與耦合器(2)的輸入端相連，耦合器(2)的輸出端連接相位調(diào)制器(3)的輸入端，相位調(diào)制器(3)的輸出端分別連接光纖環(huán)(4)，所述光源(1)、耦合器(2)、相位調(diào)制器(3)和光纖環(huán)(4)構(gòu)成Sagnac干涉儀；所述耦合器(2)的輸出端連接光電探測器(10)的輸入端，光電探測器(10)的輸出端連接前置放大器(9)的輸入端，前置放大器(9)的輸出端連接模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)的輸入端，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)的輸出端連接FPGA(7)的輸入端，在FPGA(7)中經(jīng)過調(diào)制與解調(diào)處理后，將其輸出端連接數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(6)以及二次數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(61)的輸入端，二次數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(61)的輸出端連接FPGA(7)的輸入端，形成二次閉環(huán)，同時數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(6)的輸出端連接緩沖放大器(5)的輸入端，將所得模擬信號經(jīng)過相位調(diào)制器(3)輸入到光纖環(huán)(4)中，耦合器(2)的最后輸出端口做空載處理。

2.一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤方法，采用權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤裝置，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：在FPGA(7)中產(chǎn)生調(diào)制信號；

步驟二：調(diào)制信號經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(6)轉(zhuǎn)換為兩路差分的調(diào)制電壓信號，經(jīng)緩沖放大器(5)放大后輸入到相位調(diào)制器(3)中，當(dāng)光纖環(huán)(4)旋轉(zhuǎn)時，環(huán)路中相向傳播的兩束光波產(chǎn)生正比于旋轉(zhuǎn)速率Ω的相位差，并通過光電探測器對該相位差進行檢測；

步驟三：相位調(diào)制后的兩束光路反向傳播經(jīng)過Sagnac干涉儀從而產(chǎn)生干涉，干涉信號經(jīng)耦合器(2)輸入到光電探測器(10)中，轉(zhuǎn)換成包含調(diào)制信號頻率偏離本征頻率的誤差量的電信號，將電信號輸入到前置放大器(9)中放大后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)輸入到FPGA(7)進行調(diào)制與解調(diào)，即實現(xiàn)調(diào)制頻率偏離本征頻率誤差量的同步解調(diào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤方法，其特征在于，步驟一中所述調(diào)制信號為頻率可調(diào)方波。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤方法，其特征在于，步驟二中產(chǎn)生的正比于旋轉(zhuǎn)速率Ω的相位差φ_S計算如下：

式中，L為光纖長度，D為光纖環(huán)直徑，λ為光波長，c為真空中的光速。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤方法，其特征在于，步驟三中調(diào)制與解調(diào)具體為在一個解調(diào)周期內(nèi)利用四態(tài)方波調(diào)制的方式對干涉信號進行調(diào)制，由于光纖陀螺的干涉光強與相位差是余弦函數(shù)的關(guān)系，在四態(tài)調(diào)制相位下得到光強輸出，采用如下公式的四種狀態(tài)對光強進行調(diào)制：

其中，為調(diào)制信號，為調(diào)制深度，C₁、C₂為常數(shù)，τ為光波在光纖環(huán)中渡越時間。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤方法，其特征在于，由于調(diào)制序列是一個周期序列，當(dāng)延遲一個τ之后光強錯位處，會出現(xiàn)向下或者向上的光強，其調(diào)制序列如下公式所示：

其中，為延遲一個τ的調(diào)制信號。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺本征頻率實時跟蹤方法，其特征在于，通過兩者對應(yīng)相減得到真正的調(diào)制信號，即只含有調(diào)制信號偏離本征頻率的誤差量Δτ，如下式所示：

誤差量Δτ的大小反映了調(diào)制周期T與τ相差的大小，當(dāng)調(diào)制信號偏離本征頻率的誤差量為零時，即調(diào)制信號頻率等于本征頻率時，其解調(diào)結(jié)果也為零，因此通過調(diào)制信號偏離本征頻率的誤差量Δτ的正負來確定本征頻率的動向，根據(jù)此誤差來補償本征頻率，從而實現(xiàn)第三次閉環(huán)反饋來對本征頻率進行實時跟蹤。