一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法

摘要

本发明公开了一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法。采用数字锯齿波信号对电光调制器进行调制；锯齿波信号在周期取值范围内按递增逐一遍历，对不同周期下锯齿波信号调制结果进行采样、处理后组成结果序列；结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出初次测量结果；由初次测量结果设定第二次周期取值范围，重复以上步骤得到第二次测量结果序列；由其最小值对应的锯齿波信号周期，计算出第二次测量结果，得到最终的光纤陀螺渡越时间。本发明能够在不添加任何测试设备或期间的前提下快速测试光纤陀螺渡越时间，解决光纤陀螺生产过程中由光学系统调整引起的渡越时间变化问题，灵活满足光纤陀螺的工程化、批量化生产。

权利要求

1.一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1）采用数字锯齿波信号对电光调制器进行调制，该锯齿波信号的峰峰值固定；

2）锯齿波信号在周期取值范围内按递增的顺序逐一遍历，直到锯齿波信号的周期取值范围内遍历完成，对不同周期下锯齿波信号调制结果进行采样、处理后组成结果序列，遍历步长为锯齿波信号的周期取值范围的十分之一；

3）根据结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出光纤陀螺渡越时间初次测量结果；

由结果序列D的最小值Dmin对应的锯齿波信号周期为Tmin，则光纤陀螺渡越时间初次测量结果τ初= Tmin/2；

4）由光纤陀螺渡越时间初次测量结果设定锯齿波信号的第二次周期取值范围，重复步骤2），得到第二次测量结果序列；

5）根据第二次测量结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出光纤陀螺渡越时间的第二次测量结果，得到最终的光纤陀螺渡越时间；

由第二次测量结果序列D’的最小值Dmin’对应的锯齿波信号周期为Tmin’，则最终的光纤陀螺渡越时间τ = Tmin’ / 2。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法，其特征在于：所述的步骤1）中的锯齿波信号的峰峰值固定为电光调制器半波电压的2倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法，其特征在于：所述的步骤2）中的锯齿波信号的周期Tn取值范围为1.8τ估≤ Tn≤2.2τ估，其中n为遍历周期序号，τ估为光纤陀螺渡越时间估计值，由总光纤环长度与光速相除计算得出。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法，其特征在于：所述的步骤2）对不同周期下锯齿波信号调制结果采样、处理的具体步骤包括：在

0～Tn/2的时间内取32个采样点累加得到前半周期累加和An，在Tn/2～Tn的时间内取32个采样点累加得到后半周期累加和Bn，前半周期累加和An与后半周期累加和Bn相减取绝对值后得到处理结果Dn = |An – Bn|；再由不同周期Tn对应解调结果组成结果序列D = {D1, D2, D3,…, D11}。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法，其特征在于：所述的步骤4）所述的第二次周期Tn’取值范围为1.98τ初≤Tn’≤2.02τ初，其中n为遍历周期序号，τ初是步骤3）得到的光纤陀螺渡越时间初次测量结果。

6.根据权利要求3或4任一所述的一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法，其特征在于：所述的遍历周期序号n的取值为n= 0, 1, 2,…, 11。

说明书

一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光纤陀螺信号的处理方法，尤其涉及一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法。

背景技术

[0002] 光在光纤陀螺具有互易性的光路中传播一周所需要的时间称为渡越时间。目前国内外在中高精度光纤陀螺研究领域大都采用数字闭环的技术手段，通过电光调制器对光纤陀螺进行调制，模数转换器将光纤陀螺的输出模拟电压信号转换为数字信号，通过数字信号处理器进行差分解调处理。电光调制器主要作用有二：时延差分调制，改变光纤陀螺的工作偏置点以提高灵敏度、线性度；对检测到的相位差进行反馈，实现光纤陀螺闭环方案。

[0003] 零偏稳定性是光纤陀螺的关键指标，提高零偏稳定性的方法在于降低集成光电相位调制器的调制误差。引起调制误差的主要原因包括调制信号半周期和渡越时间不相等、调制通道非线性以及电光调制器响应非线性等。调制信号半周期和渡越时间不相等是最主要的因素，该误差的存在会使得光纤陀螺产生相关偏移，相当于在光纤陀螺的输出信号上叠加一个误差分量，使得光纤陀螺精度与分辨率下降，零偏稳定性因此更易受环境变化影响。因此，准确测量光纤陀螺渡越时间并以此选取合适的调制周期是提高零偏稳定性的基本前提。

[0004] 光纤陀螺的渡越时间由光纤环的长度和折射率决定。在生产过程中，光纤环的折射率可以认为近似常量，渡越时间主要由光纤环的长度决定，可以以此得到渡越时间的估计值，精度约为50ns量级，不能满足中高精度光纤陀螺的要求。另外，光纤陀螺生产过程中存在多个光电器件的相互熔接，光纤环长度会再次发生改变，当所有光电器件组装完毕后整个光纤环才得以确定。因此需要一种方法，能够在光纤陀螺组装完毕以后，不需额外器件、设备，仅依靠渡越时间估计值，通过信号处理实现光纤陀螺渡越时间的快速测量，满足测量精度，同时达到光纤陀螺工程化要求。

发明内容

[0005] 针对目前中高精度光纤陀螺工程化生产中对渡越时间的准确测量要求，解决生产过程中因光学系统调整引起的渡越时间变化问题，本发明的目的在于提供一种基于数字锯齿波的光纤陀螺渡越时间快速测量方法。

[0006] 本发明采用的技术方案包括步骤如下：

[0007] 1)采用数字锯齿波信号对电光调制器进行调制，该锯齿波信号的峰峰值固定；

[0008] 2)锯齿波信号在周期取值范围内按递增的顺序逐一遍历，直到锯齿波信号的周期取值范围内遍历完成，对不同周期下锯齿波信号调制结果进行采样、处理后组成结果序列，遍历步长为锯齿波信号的周期取值范围的十分之一；

[0009] 3)根据结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出光纤陀螺渡越时间初次测量结果；

[0010] 4)由光纤陀螺渡越时间初次测量结果设定锯齿波信号的第二次周期取值范围，重复步骤2)，得到第二次测量结果序列；

[0011] 5)根据第二次测量结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出光纤陀螺渡越时间的第二次测量结果，得到最终的光纤陀螺渡越时间。

[0012] 所述的步骤1)中的锯齿波信号的峰峰值固定为集成光电相位调制器半波电压的2倍。

[0013] 所述的步骤2)中的锯齿波信号的周期Tn取值范围为1.8τ估≤Tn≤2.2τ估，其中n为遍历周期序号，τ估为光纤陀螺渡越时间估计值，由总光纤环长度与光速相除计算得出。

[0014] 所述的步骤2)对不同周期下锯齿波信号调制结果采样、处理的具体步骤包括：在0～Tn/2的时间内取32个采样点累加得到前半周期累加和An，在Tn/2～Tn的时间内取32个采样点累加得到后半周期累加和Bn，前半周期累加和An与后半周期累加和Bn相减取绝对值后得到处理结果Dn＝|An–Bn|；再由不同周期Tn对应解调结果组成结果序列D＝{D1,D2,D3,…,D11}。

[0015] 所述的步骤3)具体包括：由结果序列D的最小值Dmin对应的锯齿波信号周期为Tmin，则光纤陀螺渡越时间初次测量结果τ初＝Tmin/2；

[0016] 所述的步骤4)所述的第二次周期Tn’取值范围为1.98τ初≤Tn’≤2.02τ初，其中n为遍历周期序号，τ初是步骤3)得到的光纤陀螺渡越时间初次测量结果。

[0017] 所述的步骤5)具体包括：由第二次测量结果序列D’的最小值Dmin’对应的锯齿波信号周期为Tmin’，则最终的光纤陀螺渡越时间τ＝Tmin’/2。

[0018] 所述的遍历周期序号n的取值为n＝0,1,2,…,11。

[0019] 本发明具有的有益效果是：

[0020] 本发明能够快速测量光纤陀螺的渡越时间，测量过程不需额外器件或设备；根据测量流程，测量过程用时小于5ms，其快速、高精度特性足以满足光纤陀螺工程化、批量生产要求。

附图说明

[0021] 图1是光纤陀螺系统结构示意图。

[0022] 图2是Tn＝2τ时光纤陀螺输出信号示意图。

[0023] 图3是Tn>2τ时光纤陀螺输出信号示意图。

[0024] 图4是Tn<2τ时光纤陀螺输出信号示意图。

[0025] 图5是光纤陀螺输出信号峰峰值与调制锯齿波信号周期Tn关系示意图。

[0026] 图6是光纤陀螺渡越时间初次测量结果—信号周期曲线。

[0027] 图7是光纤陀螺渡越时间第二次测量结果—信号周期曲线。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0029] 本发明方法包括以下步骤：

[0030] 1)采用数字的锯齿波信号对电光调制器进行调制，该锯齿波信号的峰峰值固定；

[0031] 2)锯齿波信号在周期取值范围内按递增的顺序逐一遍历，直到锯齿波信号的周期取值范围内遍历完成，对不同周期下锯齿波信号调制结果进行采样、处理后组成结果序列，遍历步长为锯齿波信号的周期取值范围的十分之一；

[0032] 3)根据结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出光纤陀螺渡越时间初次测量结果，作为粗略值；

[0033] 4)由光纤陀螺渡越时间初次测量结果设定锯齿波信号的第二次周期取值范围，重复步骤2)，得到第二次测量结果序列；

[0034] 5)根据第二次测量结果序列中最小值对应的锯齿波信号周期，计算出光纤陀螺渡越时间的第二次测量结果，得到最终的光纤陀螺渡越时间，作为精确值。

[0035] 步骤1)中的锯齿波信号的峰峰值固定为集成光电相位调制器半波电压的2倍。

[0036] 步骤2)中的锯齿波信号的周期Tn取值范围为1.8τ估≤Tn≤2.2τ估，其中n为遍历周期序号，n＝0,1,2,…,11，τ估为光纤陀螺渡越时间估计值，由总光纤环长度与光速相除计算得出。

[0037] 步骤2)对不同周期下锯齿波信号调制结果采样、处理的具体步骤包括：在0～Tn/2的时间内取32个采样点累加得到前半周期累加和An，在Tn/2～Tn的时间内取32个采样点累加得到后半周期累加和Bn，前半周期累加和An与后半周期累加和Bn相减取绝对值后得到处理结果Dn＝|An–Bn|；再由不同周期Tn对应解调结果组成结果序列D＝{D1,D2,D3,…,D11}。

[0038] 步骤3)具体包括：由结果序列D的最小值Dmin对应的锯齿波信号周期为Tmin，Dmin＝min(D)，则光纤陀螺渡越时间初次测量结果τ初＝Tmin/2；

[0039] 步骤4)所述的第二次周期Tn’取值范围为1.98τ初≤Tn’≤2.02τ初，其中n为遍历周期序号，n＝0,1,2,…,11，τ初是步骤3)得到的光纤陀螺渡越时间初次测量结果。

[0040] 步骤5)具体包括：由第二次测量结果序列D’的最小值Dmin’对应的锯齿波信号周期为Tmin’，Dmin’＝min(D’)，则最终的光纤陀螺渡越时间τ＝Tmin’/2。

[0041] 本发明方法可在如图1所示的光纤陀螺系统结构中对光纤陀螺信号进行处理，通过模数转换器对光纤陀螺输出信号进行采样，由FPGA对采样结果进行处理形成结果序列。

[0042] 本发明的设计原理是：

[0043] 设锯齿波信号调制幅度为±π/2，可表示如下：

[0044]

[0045] 其中，φm(t)是电光调制器引入的调制相位，t是时间，Tn是锯齿波周期，k是调制周期序列编号。假设光纤陀螺渡越时间为τ，根据时延差分调制原理，光纤环中沿顺时针传播和逆时针传播的两束光经过电光调制器后的相位差Δφm(t)为：

[0046] Δφm(t)＝φm(t)-φm(t-τ)

[0047] 光纤陀螺的输出信号表示为：

[0048] I(t)＝I0{1+cos[Δφm(t)]}

[0049] 其中，I0是光纤陀螺输入光强，I(t)是光纤陀螺输出干涉光强。

[0050] 当Tn＝2τ时，由上式可得：

[0051]

[0052] 此时，由(3)式可得：I(t)＝I0

[0053] 图2是Tn＝2τ时光纤陀螺输出信号示意图，根据时延差分调制原理，两束反向传播光的相位差Δφm(t)取值为±Vπ/2，由干涉输出光强表达式(3)可以得到光纤陀螺输出信号为常值。

[0054] Tn>2τ时，由(1)、(2)式可得：

[0055]

[0056] 此时，由(3)式可知，干涉输出光强表现为占空比小于1、周期为Tn、均值约等于I0的方波。

[0057] 图3是Tn>2τ时光纤陀螺输出信号示意图，根据时延差分原理，两束反向传播光的相位差Δφm(t)均值不变，但是占空比发生变化。由干涉输出光强表达式可以得到光纤陀螺的输出信号表现为占空比小于1、周期为Tn、均值约等于I0的方波。电光调制器在±Vπ/2附近工作时线性较好，设Tn＝2.2τ，计算可得光纤陀螺输出方波信号的峰值为0.858I0、1.142I0。

[0058] Tn<2τ时，由(1)、(2)式可得：

[0059]

[0060] 此时，由(3)式可知，干涉输出光强表现为占空比大于1、周期为Tn、均值约等于I0的方波。

[0061] 图4是Tn<2τ时光纤陀螺输出信号示意图，根据时延差分原理，两束反向传播光的相位差Δφm(t)均值不变，但是占空比发生变化。由干涉输出光强表达式可以得到光纤陀螺的输出信号表现为占空比大于1、周期为Tn、均值约等于I0的方波。电光调制器在±Vπ/2附近工作时线性较好，设Tn＝1.8τ，计算可得光纤陀螺输出方波信号的峰值为0.826I0、1.174I0。

[0062] 由上述a)、b)、c)推导，Tn在2τ附近取不同的值，光纤陀螺输出信号I(t)随之变化：Tn＝2τ，I(t)＝I0为常值；Tn≠2τ，I(t)为一定占空比、周期为Tn，均值约为I0的方波，方波峰峰值可以近似表示为：

[0063]

[0064] 光纤陀螺输出信号峰峰值与调制锯齿波信号周期的关系曲线如图5所示，据此可以得到输出方波信号峰峰值最小的时候Tn＝2τ。

[0065] 根据上述原理，快光纤陀螺渡越时间的快速测量可采用本发明方法。

[0066] 本发明测量精度取决于测量结果Dn的精度，Dn精度取决于模数转换器的分辨率和得到An、Bn的累加次数，如使用16位分辨率模数转换器，本发明测量精度可以达到1/216+5，约为两百万分之一。

[0067] 本发明的实施例：

[0068] 本实施例中，根据光纤环长度和光速得出渡越时间估计值τ估＝6.782微秒。根据本发明步骤进行实际测试时，得到初次测量结果，绘制测量结果—信号周期曲线，见附图6；得到初次测量结果序列最小值对应的锯齿波信号周期Tmin＝1.96τ估，由此计算得出τ初＝Tmin/2＝0.98τ估＝6.646微秒。由光纤陀螺渡越时间初次测量结果设定锯齿波信号的第二次周期取值范围后，重复测量步骤2，得到第二次测量结果，绘制测量结果—信号周期曲线，见附图7；得到第二次测量结果序列最小值对应的锯齿波信号周期Tmin’＝1.996τ初，由此计算得出τ＝Tmin’/2＝0.998τ初＝6.632微秒。

[0069] 测量步骤中，计算每个锯齿波信号周期Tn对应处理结果Dn所需的时间约为渡越时间的2倍，整个测试流程对应22个不同的信号周期，用时约为渡越时间的45倍；以光纤环长度为300m的常见光纤陀螺为例，整个测试过程所需时间约为1ms，加上FPGA数据通信所需时间，测量过程用时小于5ms。本发明通过两次遍历并改变遍历步长的方法节省了测试时间。与单次遍历、步长为周期取值范围的百分之一相比，时间由约200倍渡越时间缩减为约45倍渡越时间。

[0070] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。