[发明专利]一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法

权利要求书

1.一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置，其特征在于，包括光源(1)、耦合器(2)、相位调制器(3)、光纤环(4)、缓冲放大器(5)、数/模转换器(6)、二次数/模转换器(61)，FPGA(7)、模/数转换器(8)、前置放大器(9)以及光电探测器(10)；

所述光源(1)与耦合器(2)的输入端相连，耦合器(2)的输出端连接相位调制器(3)的输入端，相位调制器(3)的输出端分别连接光纤环(4)，所述光源(1)、耦合器(2)、相位调制器(3)和光纤环(4)构成Sagnac干涉仪；所述耦合器(2)的输出端连接光电探测器(10)的输入端，光电探测器(10)的输出端连接前置放大器(9)的输入端，前置放大器(9)的输出端连接模/数转换器(8)的输入端，模/数转换器(8)的输出端连接FPGA(7)的输入端，在FPGA(7)中经过调制与解调处理后，将其输出端连接数/模转换器(6)以及二次数/模转换器(61)的输入端，二次数/模转换器(61)的输出端连接FPGA(7)的输入端，形成二次闭环，同时数/模转换器(6)的输出端连接缓冲放大器(5)的输入端，将所得模拟信号经过相位调制器(3)输入到光纤环(4)中，耦合器(2)的最后输出端口做空载处理。

2.一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，采用权利要求1所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在FPGA(7)中产生调制信号；

步骤二：调制信号经过数/模转换器(6)转换为两路差分的调制电压信号，经缓冲放大器(5)放大后输入到相位调制器(3)中，当光纤环(4)旋转时，环路中相向传播的两束光波产生正比于旋转速率Ω的相位差，并通过光电探测器对该相位差进行检测；

步骤三：相位调制后的两束光路反向传播经过Sagnac干涉仪从而产生干涉，干涉信号经耦合器(2)输入到光电探测器(10)中，转换成包含调制信号频率偏离本征频率的误差量的电信号，将电信号输入到前置放大器(9)中放大后经模/数转换器(8)输入到FPGA(7)进行调制与解调，即实现调制频率偏离本征频率误差量的同步解调。

3.根据权利要求2所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，步骤一中所述调制信号为频率可调方波。

4.根据权利要求2所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，步骤二中产生的正比于旋转速率Ω的相位差φ_S计算如下：

式中，L为光纤长度，D为光纤环直径，λ为光波长，c为真空中的光速。

5.根据权利要求2所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，步骤三中调制与解调具体为在一个解调周期内利用四态方波调制的方式对干涉信号进行调制，由于光纤陀螺的干涉光强与相位差是余弦函数的关系，在四态调制相位下得到光强输出，采用如下公式的四种状态对光强进行调制：

其中，为调制信号，为调制深度，C₁、C₂为常数，τ为光波在光纤环中渡越时间。

6.根据权利要求5所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，由于调制序列是一个周期序列，当延迟一个τ之后光强错位处，会出现向下或者向上的光强，其调制序列如下公式所示：

其中，为延迟一个τ的调制信号。

7.根据权利要求6所述的一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，其特征在于，通过两者对应相减得到真正的调制信号，即只含有调制信号偏离本征频率的误差量Δτ，如下式所示：

误差量Δτ的大小反映了调制周期T与τ相差的大小，当调制信号偏离本征频率的误差量为零时，即调制信号频率等于本征频率时，其解调结果也为零，因此通过调制信号偏离本征频率的误差量Δτ的正负来确定本征频率的动向，根据此误差来补偿本征频率，从而实现第三次闭环反馈来对本征频率进行实时跟踪。