本发明公开了一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置，用于实现对光纤陀螺的闭环反馈控制。该方案是在传统的锯齿波相位调制方法基础上进行改进设计，可以解决锯齿波在复位时刻电压闪回所带来的问题。改进设计思路为：利用DAC和驱动电路的差分特性和对称性，使DAC及其驱动电路产生两路差分且关于0V对称的三角波；通过控制两路模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波；该方案产生的锯齿波作用于Y波导的两个电极，其效果等效于传统方案直接输出的锯齿波，叠加偏置调制后可以实现对光纤陀螺的闭环反馈控制。
1.一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，包括数字信号处理芯片、DAC芯片、DA驱动电路、两路模拟开关和Y波导；
数字信号处理芯片产生数字三角波，经过DAC芯片，产生两路差分且关于0V对称的三角波，通过控制两个模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波，锯齿波作用于Y波导的两个电极，叠加偏置调制后，输出至光纤陀螺，实现闭环反馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述数字信号处理芯片为数字信号处理器、可编程逻辑门阵列或ASIC专用集成芯片。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述DAC芯片是将数字信号处理芯片产生的数字量三角波转换成两路模拟电流信号IA和IB，且IA和IB具有差分特性，即IA+IB＝0。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述DA驱动电路为差分放大电路，将DAC产生的两路电流信号IA和IB转换成两路电压信号VA和VB，VA和VB即两路差分的模拟三角波，同样满足VA+VB＝0。
5.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述模拟开关为双刀双掷DPDT型模拟开关，实现连接两路模拟三角波至两个Y波导电极的通道的相互切换，模拟开关的输入控制信号由数字信号处理芯片进行控制，在三角波的最高点和最低点时进行开关切换。
6.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述Y波导将电压信号转化为光学相位信号的相位调制器，Y波导的两个电极均与模拟开关的两路输出相连，经过模拟开关的切换，到达Y波导两个电极的电压信号变为两路差分的锯齿波。
7.根据权利要求1所述的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，所述的将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波,需要将三角波与锯齿波的复位相位差控制为2π，具体方法为：(1)锯齿波复位相位差控制条件
获取锯齿波的幅值VPP+，VPP-和偏移量VB+，VB-：
VPP+＝(VP+)-(VN+)＝KDA+NP (1)
VPP-＝(VP-)-(VN-)＝KDA-NP (3)
其中：VP+，VN+，VP-，VN-分别为两个差分锯齿波的上下顶点，KDA+和KDA-为两路差分信号由数字量转换为模拟量的转换系数，理想情况下两路信号的转换系数相同，即KDA+＝KDA-；NP为数字信号处理芯片中数字锯齿波的幅值，在软件调整2π复位增益中，通过调整NP改变锯齿波的幅值；NB为数字信号处理芯片中对数字锯齿波叠加的直流偏移量，用来调整两路锯齿波的直流偏置；Δ+和Δ-为DA驱动电路对两路锯齿波额外引入的直流偏置；
光纤陀螺的相位调制需要满足波导在复位时刻产生的相位差为2π，即
Kfp(VPP++VPP-)＝Kfp(KDA++KDA-)NP＝2π (5)其中Kfp为Y波导的相位调制系数，Kfp、KDA+、KDA-未知且会随时间和温度变化，但是通过调整NP使得公式成立，当Kfp(KDA++KDA-)NP≠2π时，光纤陀螺检测系统会检测到误差信号，通过闭环控制实时调整NP的值，使公式(5)成立；
拼接后的锯齿波在相邻两次复位时刻的相位差不同，均要满足条件
根据公式(8)可得，相邻两次复位时刻的相位差均与三角波的幅值和直流偏移有关，当直流偏移为0时，公式(8)才能成立，即根据光纤陀螺的调制解调原理，若公式(9)不满足，则在相邻两次复位时刻检测到误差为：其中：ε1为前一时刻的误差，ε2为后一时刻的误差，εA为增益误差引起的检测误差，εO为直流偏移引起的检测误差，对两次误差求和，得到增益误差εA，以此进行闭环控制，调整NP以使公式(9)中第一个等式成立，对两次误差求差即可获得直流偏移误差εO，以此进行闭环控制调整NB以使公式(9)中第二个等式成立；通过闭环调整NP和NB使得三角波相位调制在复位时刻的相位差为2π。
一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置，属于光纤陀螺技术领域。
背景技术
[0002] 光纤陀螺作为一种基于Sagnac效应的惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，广泛应用于惯性测量领域。
[0003] 光纤陀螺的信号检测方法可分为开环检测方法和闭环检测方法。开环光纤陀螺通过增加方波相位调制，得到稳定的π/2相位偏置，实现测量的最大灵敏度，但是开环陀螺的标度因数稳定性和非线性特别差。为了实现精确而稳定的线性标度因数，在开环光纤陀螺的基础上引入反馈控制回路，实现光纤陀螺闭环检测装置。具体的闭环反馈控制方法是将解调出的开环信号作为一个误差信号进行积分，然后通过相位调制器反馈回系统中，产生一个附加的反馈相位差 与旋转引起的相位差 大小相等、符号相反，使得总的相位差 被伺服控制在零相位附近。闭环光纤陀螺的反馈相位是由开环信号不断积分得到的，由于不可能无限上升，需要进行2π复位，从而形成锯齿状相位调制波。总之，闭环光纤陀螺的相位调制驱动信号是方波偏置调制和锯齿波相位反馈调制的叠加。
[0004] 但是，在实际使用过程中，锯齿波相位反馈调制存在一些问题：(1)锯齿波复位时刻的电压闪回现象需要DAC(数模转换器)及其驱动电路(由运算放大器和阻容器件组成)具有很大的带宽和压摆率，而往往由于这些器件在带宽、建立时间和压摆率等性能上的限制，产生的调制波形在复位时刻具有较大的失真，在光纤陀螺的结算结果中引入误差；(2)锯齿波在复位时刻的电压闪回具有丰富的频谱分量，会引入更多的电磁干扰问题。
[0005] 若采用三角波代替锯齿波进行闭环反馈相位调制，可以解决电压快速复位带来的各种问题。1989年，R.A.Bergh提出了双斜波(Dual-ramp)相位技术，将光纤陀螺干涉信号的相位差控制在±π上，其调制信号波形为三角形，可通过计算三角形两条边的时间差获得角速率。但是这种调制方法需要引入非常大的相位幅度，对相位调制驱动电路和相位调制器的工作电压范围提出了很高的要求。此外，双斜波相位调制不适用于数字闭环方案，因为数字的量化效应使得时间差的测量存在较大误差，从而降低陀螺的检测精度。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题为：克服锯齿波相位调制和双斜波相位调制技术的不足，提供一种新型的三角波相位调制驱动装置，在不需要非常大的调制幅度的情况下，降低对驱动电路的带宽和压摆率等性能指标的要求，减小电磁干扰问题。同时，本发明适用于模拟和数字两种调制方式。
[0007] 本发明的一种用于光纤陀螺闭环反馈控制的三角形相位调制波驱动装置，电路结构由一个数字信号处理芯片、一个DAC芯片、DA驱动电路、两路模拟开关和一个Y波导构成，相较于传统的锯齿波相位调制方案，增加了两路模拟开关；设计软件程序，使数字信号处理芯片产生数字三角波；经过DAC及其驱动电路，产生两路差分且关于0V对称的三角波；通过控制两个模拟开关，使两路三角波在顶点处相互切换信号通道，将两路差分的三角波拼接为两路差分的锯齿波，锯齿波作用于Y波导的两个电极，其效果等效于传统方案直接输出的锯齿波，叠加偏置调制后可以实现对光纤陀螺的闭环反馈控制。
[0008] 所述数字信号处理芯片可以是DSP(数字信号处理器)、FPGA(可编程逻辑门阵列)或ASIC(专用集成芯片)，是光纤陀螺实现数字闭环检测的核心器件，不仅控制着光纤陀螺的调制与解调，而且将解调出的开环信号作为误差信号进行积分，通过时序控制与数据处理最终输出数字量的三角波。
[0009] 所述DAC芯片是将数字信号处理芯片产生的数字量三角波转换成两路模拟电流信号IA和IB，且IA和IB具有差分特性，即IA+IB＝0。
[0010] 所述DA驱动电路是一个差分放大电路，将DAC产生的两路电流信号IA和IB转换成两路电压信号VA和VB，VA和VB即两路差分的模拟三角波，同样满足VA+VB＝0。
[0011] 所述模拟开关是一个双刀双掷(DPDT)型模拟开关，实现连接两路模拟三角波至两个Y波导电极的通道的相互切换，模拟开关的输入控制信号由数字信号处理芯片进行控制，在三角波的最高点和最低点时进行开关切换。
[0012] 所述Y波导也称为多功能集成光学芯片，是将电压信号转化为光学相位信号的相位调制器，Y波导的两个电极均与模拟开关的两路输出相连，经过模拟开关的切换，到达Y波导两个电极的电压信号变为两路差分的锯齿波。
[0013] 本发明的优点在于：
[0014] (1)本发明提供的三角形相位调制波驱动装置，通过数字信号处理芯片控制模拟开关进行切换，实现模拟三角波到锯齿波的转换，可以避免传统的直接使用锯齿波调制时由于快速复位引入的误差和电磁干扰问题，提高了测量精度；
[0015] (2)本发明提供的三角形相位调制波驱动装置，可以降低对驱动电路和器件性能指标的要求，增加器件的选择范围，进而可降低设计成本。
附图说明
[0016] 图1是为闭环光纤陀螺原理示意图；
[0017] 图2为本发明的总体装置示意图；
[0018] 图3为模拟三角波转锯齿波的信号转换过程；
[0019] 图4为非理想的锯齿波相位调制波形；
[0020] 图5为非理想的三角波相位调制波形；
[0021] 图6为相位反馈调制波与方波叠加后的波形。
[0022] 图中：
[0023] 1-FPGA 2-DAC 3-驱动电路
[0024] 4-模拟开关 5-Y波导 6-相位调制波
[0025] 7-相位调制波与方波叠加后的调制波
具体实施方式
[0026] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0027] 本发明是一种光纤陀螺闭环反馈控制三角形相位调制波驱动装置，闭环光纤陀螺的原理示意图如图1所示，为了提高测量精度以及克服开环光纤陀螺输出易受干扰噪声影响的问题，引入反馈控制回路，实现光纤陀螺的闭环控制。本发明的三角相位反馈调制设计技术的总体装置示意图如图2所示，以数字调制装置为例，该装置的总体思路为：(1)首先实现锯齿波到数字三角波的转换。在FPGA-1程序中对相位调制波第2N(N为正整数)个复位周期内的数据进行补码操作，即对本该为锯齿波的调制信号的所有偶数边进行反转，变为数字三角波输出给DAC-2；(2)实现模拟三角波到锯齿波的转换。当DAC-2及其驱动电路-3输出两路差分的模拟三角波后，用FPGA-1内的程序控制模拟开关-4对三角波的第二个边进行切换，将一路模拟三角波的一边与差分电路中另一路的模拟三角波的另一条边拼接成锯齿波，之后再进行相位反馈调制。
[0028] 通过上述分析可知，调制信号共有两个转换过程：1，在FPGA-1中实现输出数字三角波至DAC-2；2，DAC-2输出的模拟三角波经模拟开关-4转换后拼接成锯齿波。详细的信号转换过程如图3所示。首先，在FPGA-1程序中控制输出至DAC-2的相位调制波为数字三角波，这个过程可以通过自动溢出和补码操作完成。实现过程举例如下：如当FPGA-1内的相位调制数据由FFFDh上升为10005h时，溢出变为0005h，补码操作变为10000h-0005h＝FFFBh；当相位调制数据由0001h下降2bit时，溢出变为FFFFh，补码操作变为10000h-FFFFh＝0001h。这个过程实现了三角形的两条边通过顶点处的过渡。此外通过对三角波的增益和偏移量控制，可使DAC-2及其驱动电路-3输出两路差分的模拟三角波且两路模拟三角波的幅值关于
0V对称，如图3中(a)所示，两路差分信号的幅值相等且VP+VN＝0。
[0029] 当FPGA-1中相位调制数据发生溢出时，FPGA-1控制模拟开关-4切换的SW信号发生翻转，如图3中(b)所示。模拟开关-4在复位时刻，即三角波的顶点处，对两路差分信号到Y波导-5电极的通道进行切换，使得到达Y波导-5每个电极的信号与另一个电极上一时刻的信号拼接为锯齿波，如图中(c)和(d)所示。只要两路差分信号的幅值相同且VP+VN＝0，则拼接的锯齿波与传统相位调制产生的锯齿波完全相同，Y波导-5及光纤陀螺其它光路和电路均按传统锯齿波相位调制进行工作。
[0030] 在传统的锯齿波相位调制中，需要对锯齿波的幅值进行闭环控制，以满足波导在复位时刻产生的相位差为2π。同理，本装置产生的三角波转换为锯齿波后同样要满足复位时刻的相位差为2π。
[0031] 本发明提供的由三角波转换为锯齿波控制复位时刻的相位差为2π的实现方法，结合图4和图5，作以下说明：
[0032] (1)锯齿波复位相位差控制条件
[0033] 由于DAC-2及其驱动电路-3的非理想特性，产生的两路锯齿波并非完全差分和对称，如图4所示，VP+，VN+，VP-，VN-分别为两个差分锯齿波的上下顶点。
[0034] 根据DAC-2及其驱动电路-3的电路模型，可得到图4中两个锯齿波的幅值VPP+，VPP-和偏移量VB+，VB-：
[0035] VPP+＝(VP+)-(VN+)＝KDA+NP (1)
[0036]
[0037] VPP-＝(VP-)-(VN-)＝KDA-NP (3)
[0038]
[0039] 其中KDA+和KDA-为两路差分信号由数字量转换为模拟量的转换系数，理想情况下两路信号的转换系数相同，即KDA+＝KDA-；NP为FPGA-1中数字锯齿波的幅值，在软件调整2π复位增益中，通过调整NP改变锯齿波的幅值；NB为FPGA-1中对数字锯齿波叠加的直流偏移量，可以用来调整两路锯齿波的直流偏置；Δ+和Δ-为DAC-2驱动电路-3对两路锯齿波额外引入的直流偏置。
[0040] 光纤陀螺的相位调制需要满足波导在复位时刻产生的相位差为2π，即[0041] Kfp(VPP++VPP-)＝Kfp(KDA++KDA-)NP＝2π (5)
[0042] 其中Kfp为Y波导-5的相位调制系数。式中Kfp、KDA+、KDA-未知且会随时间和温度变化，但是总可以通过调整NP使得公式成立。当Kfp(KDA++KDA-)NP≠2π时，光纤陀螺检测系统会检测到误差信号，通过闭环控制实时调整NP的值，使公式(5)成立。可以看出传统的锯齿波相位调制技术，对调制波形的偏移量没有要求。
[0043] (2)三角波复位相位差控制条件
[0044] 由三角波拼接成的锯齿波同样要满足复位时刻的相位差为2π。由于拼接的锯齿波包含了两个差分三角波的信息，因此对三角波的增益和偏移量均提出了要求。如图5所示为产生的非理想差分三角波及拼接成的锯齿波。
[0045] 根据图示可得，拼接后的锯齿波在相邻两次复位时刻的相位差不同，均要满足条件
[0046]
[0047] 由公式(1)-(4)可得
[0048]
[0049] 代入式(6)可得
[0050]
[0051] 根据公式(8)可得，相邻两次复位时刻的相位差均与三角波的幅值和直流偏移有关，只有当直流偏移为0时，公式(8)才能成立，即
[0052]
[0053] 根据光纤陀螺的调制解调原理，若公式(9)不满足，则在相邻两次复位时刻检测到误差为：
[0054]
[0055] εA为增益误差引起的检测误差，εO为直流偏移引起的检测误差。对两次误差求和即可得到增益误差εA，以此进行闭环控制，调整NP以使公式(9)中第一个等式成立。对两次误差求差即可获得直流偏移误差εO，以此进行闭环控制调整NB以使公式(9)中第二个等式成立。
[0056] 综上所述，可以通过软件闭环调整NP和NB使得三角波相位调制在复位时刻的相位差为2π。结合上述提到的利用DAC-2及其驱动电路-3的差分和对称特性、FPGA-1的程序控制以及模拟开关-4的切换实现由锯齿波转换为数字三角波，再由模拟三角波切换回锯齿波的方法可以实现对全数字闭环光纤陀螺的闭环反馈控制，用以引入反馈回路产生反馈相移来补偿萨格奈克相移，使光纤陀螺工作在“零相位”点附近，以获得更大的动态范围和线性度。
[0057] 为解决光纤陀螺的检测灵敏度和旋转方向问题，采用给萨格奈克干涉仪施加一个偏置相位的方法，使干涉仪工作在响应灵敏度最大或不为零的点上。这种方法可以用一个方波调制来实现，也可以采用四态调制。相位反馈调制波和偏置调制波(方波或四态调制波)叠加在一起完成光纤陀螺的闭环反馈控制。以偏置调制波为方波为例，在模拟开关-4切换前，DAC-2输出两路差分的模拟三角波，其中一路模拟三角波与方波叠加在一起的调制波形如图6中(a)所示，在本发明中，FPGA-1程序控制模拟开关-4分别对输出的两路模拟三角波的第2N个复位周期的所有波形进行切换，与另一路的三角波进行拼接，得到用于相位反馈的锯齿波，该锯齿波与方波叠加在一起完整光纤陀螺的闭环工作。模拟开关-4切换后的得到的锯齿波与方波叠加后的波形如图6中(b)所示。
[0058] 从上述实施例可以看出，本发明提供的利用数字处理芯片控制模拟开关实现锯齿波到三角波再到锯齿波的转换方法，实现了光纤陀螺的闭环相位反馈控制，提高了测量精度，减小了干扰噪声。此外，本发明还补充了相位调制过程中2π复位相位差控制条件，描述了相位反馈调制波与偏置调制波叠加在一起完成光纤陀螺闭环反馈控制的全过程。
[0059] 本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
[0060] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
