基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法及光纤陀螺

1.一种基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法，其步骤包括：
步骤101：具有光功率反馈式调节功能的SLD光源发出的光信号经过耦合后分成功率相等的两束光；
步骤201：其中一束光经过光波导调制分光后，再经过光纤环产生具有相位差的两束分光；
步骤202：对另一束光进行光功率的检测，提取检测信号，对检测信号进行滤波、积分后，以调制频率为f＝m/2τ进行闭环反馈，对所述经过光纤环产生具有相位差的两束分光的相位差进行补偿；
其中，m为大于等于3的奇数、且m的最大值在电路承受范围内，τ为光纤陀螺的渡越周期；
步骤301：步骤202中经过相位差补偿的两束分光再发生干涉，干涉后的光信号反馈至具有光功率反馈式调节功能的SLD光源，使所述光源的输出光功率随着光纤陀螺的本征频率调整。
2.根据权利要求1所述基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法，其特征在于：所述步骤202中以调制频率为f＝3/2τ进行闭环反馈。
3.一种实现权利要求1所述闭环控制方法的功率反馈式SLD光纤陀螺，包括陀螺本体(1)和光电探测器(104)，所述陀螺本体(1)内设置有光源(101)，光源(101)依次连接耦合器(102)、集成光学调制器(103)、光纤环(110)形成反馈光路，光电探测器(104)的一端与耦合器(102)的一个端口相连，光电探测器(104)的另一端和前置放大器(105)电连接，前置放大器(105)和AD转换器(106)、数字信号处理单元(107)、DA转换器(108)、后置放大器(109)形成电路，后置放大器(109)与集成光学调制器(103)的控制端相连，其特征在于：所述光源(101)为功率反馈式超辐射发光二极管，所述耦合器(102)具有三个端口，布置在耦合器的两个端头，所述光电探测器(104)和集成光学调制器(103)分别与一端头的两个端口相连，所述光源(101)与另一端头的一个端口相连。

基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法及光纤陀螺\n技术领域\n[0001] 本发明涉及光纤陀螺仪技术领域，具体地指一种基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法及光纤陀螺。\n背景技术\n[0002] 近年来，光纤陀螺（FOG）由于其潜在的优势和应用前景而备受重视，已经成为新一代中高精度惯性测量系统中的首要选择。随着研究的深入，影响光纤陀螺精度的各种关键问题逐步得到解决，光纤陀螺的性能不断提高，创造了良好的经济效益。中低精度光纤陀螺主要应用于短距离战术武器、民用测井技术等领域，高精度光纤陀螺主要应用于远距离、高精度武器装备系统及舰艇导航、定位定向、大地测量等领域。目前，国外研制的高精度光纤陀螺零位漂移已达到0.001o/h以内，标度因数稳定性优于10ppm，测量精度达到了0.0003o/h。但由于该技术有较高的军事应用价值，国外对高精度光纤陀螺的生产技术进行了严格的技术封锁。\n[0003] 从已有的资料分析，提高探测器端的信噪比，是提高光纤陀螺精度的关键。在这个问题上，主要有两种主流的技术方案：\n[0004] （1）提高光源输出光功率；\n[0005] （2）采用双探测器噪声对消技术；\n[0006] 其中，第一种方案的光纤陀螺结构如图1所示，即提高光源输出光功率，是最容易实现的一种方案，但该方案在增大光源功率的同时，也放大了光路系统的噪声，如果处理不当，反而会劣化系统的信噪比；另一方面，即使提高了光源输出光功率，高达几百微瓦乃至毫瓦级的光信号在经过耦合器、Y波导和光纤环的层层衰减后，到达探测器测得的光功率只有几个或者几十微瓦，举例说明，如果从SLD光源输出的光功率约为200uW，到达探测器处的光功率通常情况下要衰减约18dB，即到达探测器处的光功率约为3uW，大部分有效光信号在光路熔接和分光环节进行了衰减，降低了信号检测的信噪比，严重限制了光纤陀螺信噪比的提高。\n[0007] 现有技术中提供了一种功率反馈式超辐射发光二极管光源，即功率反馈式SLD，其主要应用于光纤通信领域，核心在于通过发光芯片内部检测由外界反射或导入的光功率值，进而调整芯片的输出光功率，如外界反馈的光功率值较大，则光源相应的减小输出光功率；反之，则增大输出光功率。目前，尚无将功率反馈式SLD应用于的闭环光纤陀螺的可行性设计方案。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的在于克服现有技术中光纤陀螺信噪比不高，从而导致其精度难以提高的问题，提供一种基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法及光纤陀螺。\n[0009] 为实现上述目的，本发明所设计的基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制方法，其步骤包括：\n[0010] 步骤101：功率反馈式超辐射发光光源发出的光信号经过耦合后分成功率相等的两束光；\n[0011] 步骤201：其中一束光经过光波导调制分光后，再经过光纤环产生具有相位差的两束分光；\n[0012] 步骤202：对另一束光进行光功率的检测，提取检测信号，对检测信号进行滤波、积分后，以调制频率为ƒ=m/2τ进行闭环反馈，对所述经过光纤环产生具有相位差的两束分光的相位差进行补偿；\n[0013] 其中，m为大于等于3的奇数、且m的最大值在电路承受范围内，τ为光纤陀螺的渡越周期；\n[0014] 步骤301：步骤202中经过补偿的两束分光再发生干涉，干涉后的光信号反馈至功率反馈式超辐射发光光源，使所述光源的输出光功率随着光纤陀螺的本征频率调整。\n[0015] 优选地，所述步骤202中以调制频率为ƒ=3/2τ进行闭环反馈。\n[0016] 实现上述闭环控制方法的功率反馈式SLD光纤陀螺，包括陀螺本体，所述陀螺本体内设置有光源和光电探测器，光源依次连接耦合器、集成光学调制器、光纤环形成反馈光路，光电探测器的一端与耦合器的一个端口相连，光电探测器的另一端和前置放大器电连接，前置放大器和AD转换器、数字信号处理单元、DA转换器、后置放大器形成电路，后置放大器与集成光学调制器的控制端相连，所述光源为功率反馈式超辐射发光二极管，所述耦合器具有三个端口，布置在耦合器的两个端头，所述光电探测器和集成光学调制器分别与一端头的两个端口相连，所述光源与另一端头的一个端口相连。\n[0017] 优选地，所述数字信号处理单元还与所述光源电连接。\n[0018] 本发明中采用的功率反馈式SLD是本身具有光功率反馈调节功能的，不同于传统的设计理念中，要求光源的光功率尽可能稳定，且不应受从耦合器反馈回来的光的影响，否则会引起额外的误差。功率反馈式SLD可以调整输出频率与光纤陀螺的本征频率同步，光功率调整表达式如下：\n[0019] Pn+1=k*(Pn-Pn-1)+P0          (1)\n[0020] 式中Pn、Pn+1和Pn-1分别代表当前渡越周期的光功率、下一个渡越周期要输出的光功率、和上一个渡越周期的光功率，k代表光放大的系数，一般情况下，此系数不小于10；P0为无光反馈时光源的输出光功率，通常情况下，P0不小于200uW；\n[0021] 在现光纤陀螺中，光源P0从耦合器的端口1进入，从端口2出光到Y波导（光纤陀螺中常用的集成光学调制器为Y波导），经Y波导分光后，两束光在光纤环内以各自的路径经过一个渡越时间的周期后，回到Y波导处发生干涉，干涉后的光信号进入耦合器，而后至耦合器另一侧的光电探测器进行信号检测。从上面的分析可知，在当前主流的设计中，进入光电探测器的光功率很低，约3uW。\n[0022] 考虑耦合器的分光比为1:1，即从一侧端口进入耦合器的光功率为P0，算上3dB的插入损耗，到达对侧端口的光功率均为0.25P0。若在该对侧端口上进行光功率的检测，则可探测的光功率至少为100uW，将极大的提高光信号的信噪比。\n[0023] 此外，功率反馈式SLD的闭环检测方法和传统检测方法不同：传统的闭环检测方法中，调制频率ƒ=1/2τ，式中τ为光纤陀螺的渡越时间。进行数据解算时，处理器在方波的正周期和负周期分别采样N个点，滤波后对正、负周期的采样值求差，并以此作为输出和反馈的依据。\n[0024] 而在本发明中，由于每个渡越周期中所敏感到的输出光功率是随着反馈光功率进行调整的，因此，为保证解调后的值不引入光源功率波动引起的误差，将调制频率提高为ƒ=m/2τ，m为大于等于3的奇数、且m的最大值在电路承受范围内，每个渡越周期进行一次信号解调，当前周期的解调时所用到的光功率不依赖于前一周期，有效的避免了由于光功率波动带来的稳定性误差。\n[0025] 本发明的有益效果：\n[0026] （1）选用功率反馈式超辐射发光二极管（SLD）光源进行干涉式闭环光纤陀螺设计，在不增加器件、不影响光路互易性的条件下，通过重新设计光路结构，对微弱的干涉光信号进行反馈式放大，利用光源自身的反馈功能，从另一种思路来改进光纤陀螺的设计；较传统的简单增大光功率更容易提高光纤陀螺的精度。\n[0027] （2）将探测器从耦合器的前端转移到耦合器空头的位置，增强了可探测的光功率，提高了干涉信号检测的信噪比。\n[0028] （3）改进的闭环检测算法，能有效降低光源功率调整带来的长期累积误差。\n附图说明\n[0029] 图1为现有基于SLD光源的光纤陀螺控制框图；\n[0030] 图2为本发明基于功率反馈式SLD的光纤陀螺闭环控制框图；\n[0031] 图3为本发明光纤陀螺闭环控制方法的具体实施方式中所述三倍频调制示意图。\n具体实施方式\n[0032] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。\n[0033] 图1所示基于SLD光源的光纤陀螺控制框图，在背景技术中已作说明，于此不再赘述。\n[0034] 如图2、3所示，功率反馈式SLD光纤陀螺，包括陀螺本体1，陀螺本体1内设置有光源\n101和光电探测器104，光源101依次连接耦合器102、集成光学调制器103、光纤环110形成反馈光路，光电探测器104的一端与耦合器102的一个端口相连，光电探测器104的另一端和前置放大器105电连接，前置放大器105和AD转换器106、数字信号处理单元107、DA转换器108、后置放大器109形成电路，后置放大器109与集成光学调制器103的控制端相连。\n[0035] 光源101为功率反馈式超辐射发光二极管，耦合器102具有三个端口，布置在耦合器的两个端头，光电探测器104和集成光学调制器103分别与一端头的两个端口相连，光源\n102与另一端头的一个端口相连。\n[0036] 上述光纤陀螺闭环控制方法，步骤包括：\n[0037] 步骤101：功率反馈式超辐射发光光源发出的光信号经过耦合后分成功率相等的两束光；\n[0038] 步骤201：其中一束光经过光波导调制分光后，再经过光纤环产生具有相位差的两束分光；\n[0039] 步骤202：对另一束光进行光功率的检测，提取检测信号，对检测信号进行滤波、积分后，以调制频率为ƒ=3/2τ进行闭环反馈，对经过光纤环产生具有相位差的两束分光的相位差进行补偿；\n[0040] 其中，τ为光纤陀螺的渡越周期；\n[0041] 三倍频调制如图3所示，在每一个渡越周期τ中，至少有一对正周期和负周期存在两个正周期一个负周期或者两个负周期一个正周期，因此，在闭环检测算法中，每个τ周期中解调一次，分别在正周期和负周期中采样N个点，滤波后正、负周期求差，并以此作为本渡越周期的输出值。\n[0042] 步骤301：步骤202中经过补偿的两束分光再发生干涉，干涉后的光信号反馈至功率反馈式超辐射发光光源，使光源的输出光功率随着光纤陀螺的本征频率调整。