CN121761856A - 一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，属于光纤陀螺技术领域，解决了现有技术中光纤陀螺光功率衰减带来的陀螺精度下降问题。该系统包括：光纤陀螺光路子系统，用于向信号处理与转换子系统实时输出光干涉信号；还用于实时接收调制解调子系统输出的模拟调制信号，对光纤陀螺进行实时相位调制；信号处理与转换子系统，用于对干涉信号进行信号处理，生成数字干涉信号，并输入调制解调子系统；调制解调子系统，用于根据数字干涉信号进行速率解调及附加干涉解调，对速率解调得到阶梯波信号、附加干涉解调得到的正常调制信号以及附加调制信号进行叠加得到数字调制信号；对数字调制信号进行信号处理，生成所述模拟调制信号。

Description

一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统。

背景技术

光纤陀螺按照其精度水平可以分为制导级、导航级、精密级和基准级。制导级光纤陀螺的动态相关性能在工程应用中更受关注；而导航级、精密级和基准级等高精度光纤陀螺，其精度性能更重要。目前，有较多技术手段可以提升光纤陀螺精度，例如采用包围面积更大的光纤环、匹配设计光路抑制噪声等。但这些技术手段所确定的光电参数在陀螺生产完成后均不可调节。所以，当光纤陀螺交付系统后，随着陀螺光电参数缓慢变化，尤其是光功率衰减，会导致陀螺精度性能下降，进而影响系统使用。目前，缺乏可实时在线进行陀螺光电参数调整、实现光纤陀螺精度保持的方法。

随机游走系数RWC是衡量光纤陀螺精度性能优劣的重要指标，RWC越大，其对应的白噪声就越大，陀螺精度越差。光纤陀螺中最主要的噪声包括散粒噪声σ_SI、相对强度噪声σ_RINI、热噪声σ_hI和前放噪声σ_eI。可以根据各种噪声的计算公式，推导出光纤陀螺RWC的表达式：

上式中，λ为光波长，c为光速，L为光纤环敏感光纤长度，D为光纤环平均直径，q为电子电量，η为光纤环的耦合效率，为光平均波长，Δλ为光源带宽，K_b为波尔兹曼常数，T为热力学温度，R_f为探测器跨阻，σ_V0为前放电压噪声，P₀为光功率，Φ₀为调制深度。对上述公式进行仿真计算可知，当各参数确定的情况下，存在最佳调制深度Φ₀，使陀螺RWC最小即精度最优。在光纤陀螺长期存放或使用过程中，变化最大的是光功率，其会随着光源老化、光源用胶蠕变等原因而缓慢降低。因此，若能够监测陀螺光功率变化情况，并根据光功率变化实时调整陀螺的调制深度，便可使光纤陀螺精度保持在当前光功率下的最优值，实现光纤陀螺精度保持。

综上所述，研究能够不增加光学器件和电子器件，仅进行调制解调方法设计以实现根据光纤陀螺光功率变化情况实时调整陀螺调制深度对于光纤陀螺精度保持具有重要意义，同时也有利于高精度光纤陀螺在系统应用中的长期可靠性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，用以解决现有技术中光纤陀螺光功率衰减带来的陀螺精度下降问题。

本发明公开了一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，所述系统包括：

光纤陀螺光路子系统，用于向信号处理与转换子系统实时输出光干涉信号；还用于实时接收调制解调子系统输出的模拟调制信号，对光纤陀螺进行实时相位调制；

信号处理与转换子系统，用于对所述干涉信号进行信号处理，生成数字干涉信号，并输入调制解调子系统；

调制解调子系统，用于根据数字干涉信号进行速率解调及附加干涉解调，对速率解调得到阶梯波信号、附加干涉解调得到的正常调制信号以及附加调制信号进行叠加得到数字调制信号；对数字调制信号进行信号处理，生成所述模拟调制信号。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，所述调制解调子系统包括：

解调信息分类模块，用于将数字干涉信号分解为待解调速率信号和待解调光功率信号；

光功率信息解调模块，用于对待解调光功率信号进行附加干涉解调，得到光功率的解调量；

调制深度调整模块，用于根据光功率的解调量确定当前光功率对应的最佳调制深度；

正常调制信号发生模块，用于根据最佳调制深度生成对应的正常调制信号。

进一步，所述调制解调子系统还包括：

附加调制信号发生模块，用于周期性地输出附加调制信号。

进一步，附加调制信号的周期为2Nτ，其中，τ为光纤陀螺的渡越时间，N为正整数；在附加调制信号的一个周期内，附加干涉信号的持续时间为2τ。

进一步，在所述光功率信息解调模块中，执行：

从待解调光功率信号中解调出有附加干涉信号时的数字信号幅值C1和无附加干涉信号时的数字信号幅值C2；

根据公式计算台阶高度ΔC＝C1-C2，将台阶高度ΔC作为光功率的解调量。

进一步，所述调制解调子系统还包括：

调制信号组合模块，用于对阶梯波信号、正常调制信号及附加调制信号进行叠加，生成数字调制信号。

进一步，所述调制解调子系统还包括：

速率信息解调模块，用于对待解调速率信号进行速率解调，生成待解调速率信号的速率信息对应的闭环反馈台阶信号；

阶梯波信号发生器，用于对闭环反馈台阶信号进行积分，生成阶梯波信号。

进一步，所述调制解调子系统还包括：

数模转换及后级放大电路，用于对数字调制信号进行数模转换及信号放大，生成对应的模拟调制信号。

进一步，所述信号处理与转换子系统采用前级放大及模数转换电路实现；

前级放大及模数转换电路，用于对干涉信号进行信号放大及模数转换，生成数字干涉信号。

进一步，在所述光纤陀螺光路子系统中，由光电探测器输出光干涉信号，模拟调制信号施加至集成光学调制器。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提供的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，具备如下有益效果：

一、显著提升光纤陀螺精度稳定性

本系统通过调制解调子系统中的光功率信息解调模块，能够精准地从数字干涉信号中分离出光功率相关信号，并依据特定公式计算出光功率的解调量。基于此解调量，调制深度调整模块可确定当前光功率对应的最佳调制深度。随后，正常调制信号发生模块根据最佳调制深度生成相应的正常调制信号。这一系列操作使得光纤陀螺在光功率发生变化时，能够及时调整调制深度，有效避免因光功率衰减导致的陀螺精度下降问题，从而实现对陀螺精度的在线保持，确保光纤陀螺在长期运行过程中精度始终维持在较高水平，对于导航级、精密级和基准级高精度光纤陀螺的长期稳定性至关重要。

二、增强光纤陀螺的长期可靠性

在不改变光纤陀螺光路结构、电路硬件等原有硬件配置的情况下，仅通过软件算法的优化，本系统实现了对光纤陀螺光功率变化的实时监测以及调制深度的在线调整。这种软件算法驱动的优化方式，减少了硬件改动可能引入的故障风险，降低了系统复杂度。同时，能够根据光纤陀螺的实际运行状态动态调整调制深度，使其始终处于最佳工作状态，减少了因光功率波动等不确定因素对陀螺性能的负面影响，从而延长了光纤陀螺的使用寿命，提高了其长期可靠性，对于保障高精度光纤陀螺在复杂环境和长时间任务中的可靠运行具有重要价值。

三、提高光纤陀螺的适应性和灵活性

本系统中的附加调制信号发生模块周期性地输出附加调制信号，且附加调制信号的周期和附加干涉信号的持续时间可根据光纤陀螺的渡越时间灵活设置。这种可调节的附加调制信号设计，使得光纤陀螺能够更好地适应不同工作环境和任务需求，增强了其在多种应用场景下的适应性。此外，整个调制解调过程基于软件算法实现，便于根据实际需求进行参数调整和优化，进一步提高了光纤陀螺的灵活性，使其能够快速响应不同的精度要求和工作条件变化。

四、简化光纤陀螺精度保持的实现过程

与传统需要对光纤陀螺光路、电路等硬件进行大规模改造以实现精度保持的方法相比，本系统仅依赖于软件算法的优化，无需更改陀螺光路、电路等硬件状态。这大大简化了精度保持的实现过程，降低了实现成本和难度。同时，采用前级放大及模数转换电路实现信号处理与转换子系统，以及数模转换及后级放大电路实现调制解调子系统中的数字调制信号到模拟调制信号的转换，这些成熟的技术电路模块的应用，进一步保证了系统的稳定性和可靠性，使得本发明易于在现有光纤陀螺系统中推广和应用，为光纤陀螺精度保持技术的普及提供了有力支持。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明实施例提供的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的阶梯波调制信号、正常调制信号和附加调制信号示意图；

图3为本发明实施例提供的待解调光功率信号的示意图；

附图标记：1-光纤陀螺光路子系统、2-前级放大及模数转换电路、3-解调信息分类模块、4-速率信息解调模块、5-阶梯波信号发生器、6-光功率信息解调模块、7-调制深度调整模块、8-正常调制信号发生模块、9-附加调制信号发生模块、10-调制信号组合模块以及11-数模转换及后级放大电路。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，该系统的结构示意图如图1所示。该调制解调系统包括光纤陀螺光路子系统、信号处理与转换子系统及调制解调子系统。下面，对各个子系统进行详细介绍。

(1)光纤陀螺光路子系统

光纤陀螺光路子系统，用于向信号处理与转换子系统实时输出光干涉信号；还用于实时接收调制解调子系统输出的模拟调制信号，对光纤陀螺进行实时相位调制。

在本实施例中，光纤陀螺光路子系统由光源、耦合器、光纤环、集成光学调制器和光电探测器组成，能够实现光纤陀螺的Sagnac效应。

具体工作过程中，光源产生稳定的光信号，作为后续干涉和调制的基础。耦合器将光信号分成两束，分别沿光纤环的顺时针和逆时针方向传播。当光纤环旋转时，两束光信号因旋转产生光程差，形成Sagnac相位差，这是Sagnac效应的核心体现。集成光学调制器根据接收到的模拟调制信号，对两束光信号进行实时相位调制，调制信号与Sagnac相位差叠加，便于后续信号处理。两束经过调制的光信号在耦合器处发生干涉，干涉信号的强度变化反映了Sagnac相位差和调制相位的综合影响。光电探测器将干涉光信号转换为电信号，输出与干涉强度相关的光功率信号(即干涉信号)，该信号包含了Sagnac效应的信息，用于后续解调和计算旋转角速度。由上可知，光干涉信号由光电探测器输出，模拟调制信号施加至集成光学调制器。

(2)信号处理与转换子系统

信号处理与转换子系统，用于对所述干涉信号进行信号处理，生成数字干涉信号，并输入调制解调子系统。

具体地，在本实施例中，信号处理与转换子系统可以采用前级放大及模数转换电路2实现。

前级放大及模数转换电路2，用于对光干涉信号(即光电探测器转换后的电信号)进行信号放大及模数转换，生成数字干涉信号，并输入调制解调子系统中的解调信息分类模块。

(3)调制解调子系统

调制解调子系统，用于根据数字干涉信号进行速率解调及附加干涉解调，对速率解调得到阶梯波信号、附加干涉解调得到的正常调制信号以及附加调制信号进行叠加得到数字调制信号；对数字调制信号进行信号处理，生成所述模拟调制信号。

调制解调子系统包括解调信息分类模块3、速率信息解调模块4、阶梯波信号发生器5、光功率信息解调模块6、调制深度调整模块7、正常调制信号发生模块8、附加调制信号发生模块9、调制信号组合模块10及数模转换及后级放大电路11。各组成部分的功能具体说明如下。

1)解调信息分类模块3

解调信息分类模块3，用于将数字干涉信号分解为待解调速率信号和待解调光功率信号，并将待解调速率信号、待解调光功率信号分别输入速率信息解调模块4、光功率信息解调模块6。

具体实施过程中，解调信息分类模块3可以按照预设的控制时序，对数字干涉信号进行分解。

2)速率信息解调模块4

速率信息解调模块4，用于对待解调速率信号进行速率解调，生成待解调速率信号的速率信息对应的闭环反馈台阶信号；将闭环反馈台阶信号输入阶梯波信号发生模块5。

具体实施过程中，可以按照解调时序对待解调速率信号进行解调。

3)阶梯波信号发生模块5

阶梯波信号发生模块5，用于对闭环反馈台阶信号进行积分，生成阶梯波信号。

4)光功率信息解调模块6

光功率信息解调模块6，用于对待解调光功率信号进行附加干涉解调，得到光功率的解调量；并将光功率的解调量输入调制深度调整模块7。

具体地，光功率信息解调模块6对待解调光功率信号进行解调，执行：从待解调光功率信号中解调出有附加干涉信号时的数字信号幅值C1和无附加干涉信号时的数字信号幅值C2，根据公式计算台阶高度ΔC＝C1-C2，将台阶高度ΔC作为光功率的解调量。后续将会参照图2和图3，对此处的处理方式进行进一步说明。

具体实施过程中，解调信息分类模块3按照附加调制信号的施加时序，提取出待解调光功率信号送入光功率信息解调模块6。

5)调制深度调整模块7

调制深度调整模块7，用于根据光功率的解调量确定当前光功率对应的最佳调制深度；并将最佳调制深度输入正常调制信号发生模块8。

具体实施过程中，本实施例根据预先建立的台阶高度ΔC(即待解调光功率信号的解调量)与最佳调制深度(数字量)之间的关系，根据待解调光功率信号的解调量，即可得到当前光功率对应的最佳调制深度，即待施加的调制信号对应的最佳调制深度，使光纤陀螺的精度最优。

6)正常调制信号发生模块8

正常调制信号发生模块8，用于根据最佳调制深度生成对应的正常调制信号。

在一些实施例中，正常调制信号发生模块8产生的陀螺正常调制方式可以为四态调制、方波调制或是混合调制方式。将最佳调制深度作为正常调制信号的调制相位，根据陀螺正常调制方式生成对应的正常调制信号。

正常调制信号发生模块8通过接收调制深度调整模块7输出的最佳调制深度，并将当前的陀螺调制深度更改为最佳调制深度，从而实现对光纤陀螺的调制相位调整，使陀螺的精度最优。

7)附加调制信号发生模块9

附加调制信号发生模块9，用于周期性地输出附加调制信号。

在本实施例中，附加调制信号的周期为2Nτ，其中，τ为光纤陀螺的渡越时间，N为正整数。由于光功率的变化是非常缓慢的过程，故N取值可以很大。

在附加调制信号的一个周期内，附加干涉信号的持续时间为2τ，在第一个τ内的附加干涉信号的幅值为π/M，第二个τ内的附加干涉信号的幅值为-π/M，M为正整数。

8)调制信号组合模块10

调制信号组合模块10，用于对阶梯波信号、正常调制信号及附加调制信号进行叠加，生成数字调制信号。

具体实施过程中，阶梯波信号发生模块5输出的阶梯波信号、正常调制信号发生模块8输出的正常调制信号及附加调制信号发生模块9产生的附加调制信号以渡越时间τ为周期在调制信号组合模块10中同步叠加。

这种调制方式的优势是结合了光纤陀螺正常工作所需的调制信号即正常调制信号和阶梯波信号，又能够兼顾用于精度保持的附加调制信号。该调制方式可以不影响光纤陀螺正常工作，同时在解调端产生由附加调制信号带来的待解调光功率，用于实现对光功率的解调。

周期性的附加调制信号能够使集成光学调制器产生周期性的附加相位调制，该调制相位会作用于光纤陀螺光路子系统的光干涉信号，并通过前级放大及模数转换电路2生成周期性的附加台阶数字信号(即待解调光功率信号)。

9)后级放大及数模转换电路11

后级放大及数模转换电路11，用于对数字调制信号进行数模转换及信号放大，生成对应的模拟调制信号。

将模拟调制信号输入至光纤陀螺光路子系统中的集成光学调制器，用以实现对光纤陀螺的相位调制。

本实施例通过上述调制解调方式，最终实现实时监测陀螺光功率变化情况，并根据光功率变化在线调整陀螺的调制深度，使光纤陀螺精度保持在当前光功率下的最优值，实现光纤陀螺的精度保持。

在本实施例中，生成的数字调制信号能够实现速率信息解调输出和调制相位反馈生成。

图2为阶梯波调制信号、正常调制信号和附加调制信号的示意图。

图3为待解调光功率信号的示意图。

需要说明的是，在本实施例中，光功率的解调量即为图3中的台阶高度ΔC。附加调制信号带有周期性的附加干涉信号(即附加台阶数字信息)，台阶高度ΔC正比于当前光功率幅值。无附加干涉信号时，数字信号幅值为C1；有附加干涉信号时，数字信号幅值为C2。参照图3，B1部分为由于施加了图2所示的附加调制信号而产生的响应信号，B1和A的组合为待解调光功率信号，B和A的组合为待解调速率信号。当施加了图2所示的附加调制信号后，必然会产生图3中的A1、B1信号，也即产生了待解调光功率信号。在光功率信息解调模块6的解调过程中，采用相邻两个解调周期中信号对应相减的方法，无附加干涉信号时的数字信号幅值为C1，有附加干涉信号时的数字信号幅值为C2，两信号相减得到台阶高度ΔC。

此外，在调制深度调整模块7中，可以基于最佳调制深度与台阶高度之间的关系，根据待解调光功率信号的解调量确定当前光功率对应的最佳调制深度。具体实施过程中，可以采用如下方式构建最佳调制深度与台阶高度之间的关系。

首先，构建光纤陀螺的光功率与最佳调制深度之间的曲线关系。

按照固定功率间隔设置多个光功率点；在每个光功率点下，以固定调制深度间隔设置多个调制深度。例如，对于某一光功率点，调制深度依次设置为π/2,…,π。具体实施过程中，调制深度间隔与数模转换器的分辨率对应，示例性地，若数模转换器位数为M，则调制深度的最小间隔ΔΦ₀由公式(2)决定：

对于每一光功率点，分别计算当前光功率点下的每个调制深度对应的RWC(利用公式(1)中的光纤陀螺RWC计算公式)，将RWC取最小值时的调制深度作为当前光功率点对应的最佳调制深度。

根据各个光功率点及其对应的最佳调制深度，对光功率和最佳调制深度之间的关系进行拟合，建立光功率和最佳调制深度之间的的曲线关系。

示例性地，在本实施例中，选用二元一次方程对二者的关系进行拟合，在拟合过程中，确定二次拟合参数a₀、a₁、a₂，从而建立起光功率和最佳调制深度之间的二次拟合曲线关系，表示为：

Φ_0i＝a₀+a₁P_0i+a₂P_0i ² (3)

其中，P_0i表示光功率，Φ_0i表示当前光功率对应的最佳调制深度。

本实施例通过建立光功率和最佳调制深度之间的二次拟合曲线关系，能够实现最佳调制深度的实时调整，进而实现精度保持。

之后，根据光纤陀螺的光功率与最佳调制深度之间的曲线关系，即可构建最佳调制深度与台阶高度之间的关系。需要说明的是，由于台阶高度正比于光功率的幅值，因此，最佳调制深度与台阶高度之间的关系表示为：

Φ_0i＝b₀+b₁ΔC_i+b₂ΔC_i ² (4)

其中，ΔC_i表示台阶高度；b₀＝a₀，b₁＝a₁/K，b₂＝a₂/K，K＝P_0i/ΔC_i。

需要说明的是，上述实施例中所示的功能算法实现方式可以为硬件、软件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述系统包括：

光纤陀螺光路子系统，用于向信号处理与转换子系统实时输出光干涉信号；还用于实时接收调制解调子系统输出的模拟调制信号，对光纤陀螺进行实时相位调制；

信号处理与转换子系统，用于对所述干涉信号进行信号处理，生成数字干涉信号，并输入调制解调子系统；

调制解调子系统，用于根据数字干涉信号进行速率解调及附加干涉解调，对速率解调得到阶梯波信号、附加干涉解调得到的正常调制信号以及附加调制信号进行叠加得到数字调制信号；对数字调制信号进行信号处理，生成所述模拟调制信号。

2.根据权利要求1所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述调制解调子系统包括：

解调信息分类模块，用于将数字干涉信号分解为待解调速率信号和待解调光功率信号；

光功率信息解调模块，用于对待解调光功率信号进行附加干涉解调，得到光功率的解调量；

调制深度调整模块，用于根据光功率的解调量确定当前光功率对应的最佳调制深度；

正常调制信号发生模块，用于根据最佳调制深度生成对应的正常调制信号。

3.根据权利要求2所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述调制解调子系统还包括：

附加调制信号发生模块，用于周期性地输出附加调制信号。

4.根据权利要求3所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，附加调制信号的周期为2Nτ，其中，τ为光纤陀螺的渡越时间，N为正整数；在附加调制信号的一个周期内，附加干涉信号的持续时间为2τ。

5.根据权利要求4所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，在所述光功率信息解调模块中，执行：

从待解调光功率信号中解调出有附加干涉信号时的数字信号幅值C1和无附加干涉信号时的数字信号幅值C2；

根据公式计算台阶高度ΔC＝C1-C2，将台阶高度ΔC作为光功率的解调量。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述调制解调子系统还包括：

调制信号组合模块，用于对阶梯波信号、正常调制信号及附加调制信号进行叠加，生成数字调制信号。

7.根据权利要求6所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述调制解调子系统还包括：

速率信息解调模块，用于对待解调速率信号进行速率解调，生成待解调速率信号的速率信息对应的闭环反馈台阶信号；

阶梯波信号发生器，用于对闭环反馈台阶信号进行积分，生成阶梯波信号。

8.根据权利要求7所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述调制解调子系统还包括：

数模转换及后级放大电路，用于对数字调制信号进行数模转换及信号放大，生成对应的模拟调制信号。

9.根据权利要求8所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，所述信号处理与转换子系统采用前级放大及模数转换电路实现；

前级放大及模数转换电路，用于对干涉信号进行信号放大及模数转换，生成数字干涉信号。

10.根据权利要求9所述的用于实现光纤陀螺精度保持的调制解调系统，其特征在于，在所述光纤陀螺光路子系统中，由光电探测器输出光干涉信号，模拟调制信号施加至集成光学调制器。