基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法，屬于光纖陀螺【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法采用數(shù)字雙閉環(huán)回路進(jìn)行強(qiáng)度噪聲的抑制和強(qiáng)度調(diào)制器工作點(diǎn)的穩(wěn)定；強(qiáng)度噪聲抑制時(shí)，對(duì)光電探測器輸出的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)字化、濾波和相位補(bǔ)償后，再模擬化反饋至強(qiáng)度調(diào)制器；穩(wěn)定強(qiáng)度調(diào)制器的偏置工作點(diǎn)時(shí)，通過掃描偏置電壓獲取強(qiáng)度調(diào)制器最大輸出光功率點(diǎn)和最小輸出光功率點(diǎn)時(shí)的偏置電壓，使用平均功率方法獲得工作點(diǎn)的偏置電壓，并通過實(shí)時(shí)采集光電探測器的輸出電壓獲得偏置電壓差值反饋給強(qiáng)度調(diào)制器。本發(fā)明解決了閉環(huán)精度不好，噪聲抑制效果差的問題，提高光纖陀螺光源的信噪比，使強(qiáng)度調(diào)制器的偏置工作點(diǎn)不再漂移，工作穩(wěn)定。
【專利說明】基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖陀螺【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及對(duì)光纖陀螺用超熒光光纖光源的強(qiáng)度噪 聲的抑制技術(shù)，具體涉及一種基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺作為發(fā)展極為迅速的一種新型慣性角速度傳感器，在越來越多的領(lǐng)域中 成為主選慣性器件，成為下一代慣性器件的主要研究方向。光纖陀螺除了具有無運(yùn)動(dòng)部件、 無加速度引起的誤差的優(yōu)點(diǎn)外，其與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺的一個(gè)重要區(qū)別是存在著較大的光學(xué)噪 聲，而其中主要的一種噪聲是寬譜光源所帶來的噪聲。
[0003] 光纖陀螺的噪聲直接影響光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)、零偏不穩(wěn)定性等性能指標(biāo)， 并直接決定著光纖陀螺的最小檢測靈敏度，所以對(duì)光纖陀螺的噪聲進(jìn)行抑制是非常重要 的。
[0004] 光纖陀螺的寬譜光源的噪聲主要包括熱噪聲、散粒噪聲和強(qiáng)度噪聲。強(qiáng)度噪聲是 由于寬譜光源的拍頻引起的，是由于寬譜光源的各種Fourier(傅里葉）分量之間的拍頻引 起的附加噪聲，它的大小隨著光源的光強(qiáng)的增大而增大。強(qiáng)度噪聲的大小與光源輸出功率 的大小成正比，當(dāng)光源功率超出一定值時(shí)，強(qiáng)度噪聲就超過散粒噪聲和熱噪聲，這時(shí)，信噪 比將不再隨著光功率的增加而提高，而是趨近于一個(gè)飽和值，強(qiáng)度噪聲就成為光源噪聲中 最主要的部分。
[0005] 抑制光纖陀螺光源中的強(qiáng)度噪聲，可以有效地提高光纖陀螺的信噪比，從而提高 光纖陀螺的檢測精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)光纖陀螺的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。目前，光纖陀螺強(qiáng)度噪聲 抑制技術(shù)方法主要有：強(qiáng)度噪聲對(duì)消技術(shù)方案、采用高速強(qiáng)度調(diào)制器方案和相減補(bǔ)償技術(shù) 方案等。
[0006] 在這些方法中，采用高速強(qiáng)度調(diào)制器的方案是近年來應(yīng)用比較多的一種方法，這 種方法提供的一種強(qiáng)度噪聲抑制的裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該抑制裝置主要包括：光線光 源、強(qiáng)度調(diào)制器、耦合器、光探測器和高寬帶的伺服控制器。該抑制裝置的工作原理如下：高 速的強(qiáng)度調(diào)制器置于光纖光源和耦合器之間，從光線光源發(fā)出的光信號(hào)到達(dá)強(qiáng)度調(diào)制器， 強(qiáng)度調(diào)制器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；強(qiáng)度調(diào)制器將經(jīng)過調(diào)制的光輸出給耦合器，耦合 器分出的一部分光被光探測器探測到，光探測器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行采樣得到電流信號(hào) 并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。光探測器將電壓信號(hào)輸出到高帶寬的伺服控制器上，該伺服控制器對(duì) 接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理后，提供一個(gè)負(fù)反饋控制信號(hào)給強(qiáng)度調(diào)制器。然后，強(qiáng)度調(diào)制器 利用上述負(fù)反饋控制信號(hào)來抑制后續(xù)接收到的光信號(hào)的強(qiáng)度噪聲。
[0007] 基于強(qiáng)度調(diào)制器的數(shù)字強(qiáng)度噪聲抑制方案主要包括高速強(qiáng)度調(diào)制器、光纖耦合 器、光電探測器、濾波器和寬帶控制電路。該方案主要包括：對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器輸出的光信號(hào)進(jìn) 行采樣得到電壓信號(hào)，對(duì)所述電壓信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，根據(jù)解調(diào)結(jié)果產(chǎn)生控制信號(hào)，所述控制信 號(hào)中包括對(duì)光信號(hào)功率進(jìn)行調(diào)整的功率控制信號(hào)和對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整的調(diào) 制方波信號(hào)。所述強(qiáng)度調(diào)制器根據(jù)接收到的控制信號(hào)中的控制功率信號(hào)對(duì)接收到的光信號(hào) 的功率進(jìn)行調(diào)制，根據(jù)接收到的控制信號(hào)中的調(diào)制方波信號(hào)，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器的工作點(diǎn)進(jìn)行 調(diào)整，使強(qiáng)度調(diào)制器的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定。該方案存在如下缺點(diǎn)：
[0008] 1)對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制器的工作點(diǎn)控制，使用了檢測調(diào)制方波的方案。該方案中，必須要 引入調(diào)制方波信號(hào)。該信號(hào)的引入，會(huì)影響強(qiáng)度調(diào)制器正常工作時(shí)對(duì)于強(qiáng)度噪聲的抑制效 果，同時(shí)該調(diào)制方波信號(hào)對(duì)于抑制噪聲的過程來說，也是一種噪聲的引入。對(duì)于噪聲抑制系 統(tǒng)來說，新引入噪聲對(duì)于系統(tǒng)有著很大的危害，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)抑制系統(tǒng)的失效。
[0009] 2)該方案中，強(qiáng)度噪聲抑制的閉環(huán)抑制算法部分問題較多，閉環(huán)反饋控制的效果 并不明顯，同時(shí)閉環(huán)抑制算法中，并未考慮相位補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)，導(dǎo)致閉環(huán)抑制中產(chǎn)生相位漂 移，該相位漂移直接導(dǎo)致閉環(huán)過程中抑制噪聲的作用沒有得到很好的發(fā)揮。
[0010] 使用強(qiáng)度調(diào)制器的模擬反饋控制方案中，高帶寬伺服回路使用的模擬伺服電路， 該方案的結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看出，該閉環(huán)反饋方案和基于強(qiáng)度調(diào)制器的數(shù)字強(qiáng)度噪聲 抑制方案類似，但是該方案使用的是模擬伺服控制器，同時(shí)沒有對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行抑制。該 方案中的伺服回路的簡圖如圖3所示，301和302所標(biāo)示的是兩個(gè)運(yùn)算放大器。伺服控制回 路的第一級(jí)運(yùn)放電路為高通濾波放大，只對(duì)偏置調(diào)制頻率以上的頻率提供增益。在低于偏 置調(diào)制頻率的頻率上，第一級(jí)運(yùn)放電路的增益很小，由電容C1、電阻R1和電阻R3決定。增 益的峰值一般出現(xiàn)在偏置調(diào)制頻率附近，并由電阻R1和電容C2決定。為了使伺服回路穩(wěn) 定，當(dāng)總的開環(huán)增益超過1時(shí)，這一級(jí)的增益應(yīng)該保持為常數(shù)。伺服回路的第二級(jí)運(yùn)放電路 同樣為高通濾波放大，只對(duì)偏置調(diào)制頻率以上的頻率提供增益，在低于偏置調(diào)制頻率的頻 率上，信號(hào)增益很小。該方案存在兩個(gè)問題：
[0011] 1)該方案中使用的關(guān)鍵器件為強(qiáng)度調(diào)制器，其工作中存在的重要問題就是強(qiáng)度調(diào) 制器工作點(diǎn)的漂移問題，該器件的工作點(diǎn)極易受到環(huán)境溫度、濕度和電磁場等環(huán)境因素變 化的影響，工作點(diǎn)的漂移直接導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)于強(qiáng)度噪聲抑制效果下降，控制信號(hào)不穩(wěn)定，甚至 使整個(gè)抑制系統(tǒng)失效。但該方案中未使用任何技術(shù)來解決這個(gè)問題。
[0012] 2)該方案中模擬伺服回路的控制精度較低，對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制的效果較差，同時(shí)由 于使用的是模擬電路進(jìn)行控制，更改抑制頻段時(shí)相當(dāng)麻煩，需要對(duì)整個(gè)伺服控制回路進(jìn)行 更改。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明對(duì)基于強(qiáng)度調(diào)制器的強(qiáng)度噪聲抑制的數(shù)字閉環(huán)方案進(jìn)行改進(jìn)，目的是為了 解決目前同類方案中出現(xiàn)的閉環(huán)精度不好，噪聲抑制效果差的問題，同時(shí)，本發(fā)明還達(dá)到較 好的噪聲抑制效果，提高光纖陀螺光源的信噪比。
[0014] 本發(fā)明提供了一種基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法，基于現(xiàn) 有強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制方案，采用數(shù)字雙閉環(huán)的方案，使用兩個(gè)閉環(huán)回路，分別 用來進(jìn)行強(qiáng)度噪聲的抑制和強(qiáng)度調(diào)制器工作點(diǎn)的穩(wěn)定，第一閉環(huán)回路使用強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行 強(qiáng)度噪聲的抑制，第二閉環(huán)回路用于穩(wěn)定強(qiáng)度調(diào)制器工作點(diǎn)的偏置電壓，或稱為穩(wěn)定強(qiáng)度 調(diào)制器的偏置工作點(diǎn)，使強(qiáng)度調(diào)制器的偏置工作點(diǎn)不再漂移，工作穩(wěn)定。
[0015] 本發(fā)明中第二閉環(huán)穩(wěn)定強(qiáng)度調(diào)制器工作點(diǎn)的偏置電壓，包括開機(jī)尋找工作點(diǎn)和工 作時(shí)進(jìn)行控制兩個(gè)部分。
[0016] 開機(jī)尋找工作點(diǎn)具體是：對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器的偏置電壓進(jìn)行掃描，從-vn掃描到vn， 為強(qiáng)度調(diào)制器的半波電壓，記錄每個(gè)掃描值時(shí)光電探測器的輸出電壓，找到光電探測器 的輸出電壓的最大值和最小值，對(duì)應(yīng)找到強(qiáng)度調(diào)制器最大輸出光功率點(diǎn)時(shí)的偏置電壓vb(taax 和最小輸出光功率點(diǎn)時(shí)的偏置電壓Vb(tain，則開機(jī)設(shè)置強(qiáng)度調(diào)制器的偏置電壓vb(l為：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法，采用兩個(gè)閉環(huán)回路，第 一閉環(huán)回路使用強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度噪聲的抑制；其特征在于：第二閉環(huán)回路用于穩(wěn)定強(qiáng) 度調(diào)制器工作點(diǎn)的偏置電壓；穩(wěn)定強(qiáng)度調(diào)制器工作點(diǎn)的偏置電壓包括開機(jī)尋找工作點(diǎn)和工 作時(shí)進(jìn)行控制兩部分； 所述的開機(jī)尋找工作點(diǎn)，具體是：對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器的偏置電壓進(jìn)行掃描，從掃描到 νπ，νπ為強(qiáng)度調(diào)制器的半波電壓，記錄每個(gè)掃描值時(shí)光電探測器的輸出電壓，找到光電探 測器的輸出電壓的最大值和最小值，對(duì)應(yīng)找到強(qiáng)度調(diào)制器最大輸出光功率點(diǎn)時(shí)的偏置電壓 VM_和最小輸出光功率點(diǎn)時(shí)的偏置電壓vMmin;則開機(jī)設(shè)置強(qiáng)度調(diào)制器的偏置電壓VM為 ： Vb(1所對(duì)應(yīng)的光電探測器的輸出電壓為工作點(diǎn)時(shí)光電探測器的理想輸出電壓； 所述的工作時(shí)進(jìn)行控制，具體是：實(shí)時(shí)監(jiān)測光電探測器的輸出電壓，比較光電探測器的 實(shí)際輸出電壓與工作點(diǎn)時(shí)光電探測器的理想輸出電壓，獲取相應(yīng)的偏置電壓差值，將偏置 電壓差值反饋到強(qiáng)度調(diào)制器，控制強(qiáng)度調(diào)制器的偏置電壓在[V b(|-a，VM+b]內(nèi)，其中參數(shù)a和 b取值均在[0, 0.5]之內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方法， 其特征在于，所述的使用強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度噪聲的抑制，具體步驟如下： 第1步，對(duì)光電探測器輸出的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除光強(qiáng)信號(hào)中的低頻成分并將 光強(qiáng)信號(hào)數(shù)字化； 第2步，將得到的數(shù)字光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行濾波，保持信號(hào)的相位穩(wěn)定； 第3步，對(duì)濾波后的數(shù)字光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，具體是：根據(jù)中心頻率處的時(shí)間延 遲，在全頻段對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償； 第4步，將經(jīng)過相位補(bǔ)償后的數(shù)字光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬光強(qiáng)信號(hào)，反饋至強(qiáng)度調(diào)制器 的射頻控制端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于強(qiáng)度調(diào)制器的光源強(qiáng)度噪聲抑制數(shù)字雙閉環(huán)方 法，其特征在于，所述的對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器的偏置電壓進(jìn)行掃描，設(shè)置掃描間隔為0. 01V。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK104236537SQ201410462716
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】許文淵, 魏超, 楊德偉, 李立京, 張春熹 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)