[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

说明书

本发明公开了一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法，包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环、缓冲放大器、数/模转换器、二次数/模转换器，FPGA、模/数转换器、前置放大器以及光电探测器，利用三次闭环，将本征频率出现的光强作为反馈，利用反馈量的大小来改变本征频率，消除由于存储时间、温度对本征频率产生的影响，从而实现对角速度的精准测量，提高准确性。

技术领域

本发明属于光纤陀螺领域，具体涉及一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度或角位移传感器，是惯性系统的核心敏感元件，其具有体积小、质量轻、动态范围大的、启动快和寿命长等一系列优点，被广泛应用与战略导弹系统、各种运载火箭的导航系统中。本征频率的大小与光纤环的长度、直径以及折射率有关。光纤环的主要成分为石英，当光纤陀螺工作时石英材料会受到温度的影响，在全温范围内光纤环的长度将变化几十ppm，从而会导致光纤陀螺的标度因数的改变，并对光纤陀螺的闭环控制精度产生一定的影响。准确的测量并实时跟踪光纤陀螺本征频率对提高数字闭环光纤陀螺的性能具有重要的意义。

光纤陀螺采用了二次闭环的控制方式来控制转速、相位增益的问题，实验表明，光纤陀螺在存储时间过长或者温度高低的情况下，会对本征频率产生影响，本征频率的大小反映了光纤环的长度。

目前现有的本征频率测量技术主要有：基于方波调制以及正弦波调制的本征频率离线测量，文献[1]中提出了一种基于锯齿波和方波分时复用调制测量方法，其调制信号为：前期离线测量所得本征频率的锯齿波信号叠加前期测量所得本征频率同频的方波信号，其缺点为：此方法需要测量输出信号相邻脉冲宽度，测量精度仅为0.1Hz并且当光纤陀螺贮存时间过长会导致设备不能测量光纤环长度，文献[2]中提出了正弦波调制的本征频率测量方法，利用二次谐波幅度与调制频率间的二次函数关系，通过计算抛物线顶点即可求得本征频率，其缺点为：不能实时在线跟踪本征频率大小变化，且需要数字合成以及极值搜索算法，测量精度仅为2Hz。以上方法都需要编写复杂的程序和算法，且测量精度低。

[1]代琪，宋凝芳.光纤陀螺本征频率高精度在线自动跟踪技术研究.激光杂志，2019，40(4)：31～35。

[2]陈宇中，宋章启，张学亮.正弦波调制的光纤环本征频率测量方法.国防科技大学学报，2017，39(6)：193～196。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置及方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明采用一种高效、实时、成本低以及操作的简单的方法去测量本征频率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪装置，包括光源、耦合器、相位调制器、光纤环、缓冲放大器、数/模转换器、二次数/模转换器(61)，FPGA、模/数转换器、前置放大器以及光电探测器；

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

一种数字闭环光纤陀螺本征频率实时跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一：在FPGA中产生调制信号；