CN101071068A - 一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法，该同频干扰测试方法通过对光源驱动电路的光源驱动电压信号f₃进行干扰，干扰后的信号经光源、耦合器、Y波导、光纤环后，再经光电探测器转换输出光功率信号f₁，以Y波导的方波信号f₂作为信号参考输入，采用琐相放大原理对光功率信号f₁和Y波导的方波信号f₂解析获得噪声幅度信号f₄。实现了对干涉式光纤陀螺输出信息的优化。

Description

一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法

技术领域

本发明涉及一种对信号干扰处理的测试方法，更特别地说，是指一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺是一种测量角速度的仪器，其硬件包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、光电探测器5和信号处理装置6组成(请参见图1所示)。所述的信号处理装置6包括用于对光电探测器5输出的光功率信号f₁进行滤波放大的前放滤波电路61、A/D转换器62、中心处理器63、D/A转换器64和放大调理电路65组成(请参见图2所示)。其中心处理器63可以由DSP实现、也可以由FPGA实现、也可以由DSP+FPGA实现。干涉式光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环4中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性***的核心器件。可以应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

干涉式光纤陀螺环形干涉仪中，光波在Y波导3和耦合器2之间的两路光路的群传输时间之差倒数的二分之一称为光纤陀螺的本征频率(eigen frequency)。光纤陀螺最小互易性结构的光功率响应是一个***的余弦函数，为了获得较高的灵敏度，故给该信号施加一个偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。而Y波导3中的寄生非线性或振幅调制可能会削弱偏置的质量。在Y波导3非线性的情况下，一种简单的解决方法是使光纤陀螺环工作在本征频率(或其奇次谐波)上，因此，光纤陀螺的信号处理装置6通常都是基于其本征频率来设计其控制时序的。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法，该同频干扰测试方法通过对光源驱动电路的光源驱动电压信号f₃进行干扰，干扰后的信号经光源、耦合器、Y波导、光纤环后，再经光电探测器转换输出光功率信号f₁，以Y波导的方波信号f₂作为信号参考输入，采用琐相放大原理对光功率信号f₁和Y波导的方波信号f₂解析获得噪声幅度信号f₄。实现了对干涉式光纤陀螺输出信息的优化。

本发明是一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法，同频干扰解析模块7对所述信号处理装置6内部信息的解析步骤有：

第一步：由中心处理器63产生用于驱动Y波导3的方波信号f₂；

第二步：由中心处理器63产生用于驱动光源驱动电路11的电压信号f₃；

第三步：光电探测器5输出的光功率信号f₁经前放滤波电路61、A/D转换器62后进入中心处理器63；

第四步：同频干扰解析模块7对接收的光功率信号f₁和方波信号f₂进行同频干扰解析处理，获得噪声幅度信号f₄；

第五步：同频干扰解析模块7对噪声幅度信号f₄进行分析以后，对电压信号f₃进行补偿，从而优化光纤陀螺输出信息。

所述同频干扰解析模块7主要包括有信号通道、参考通道、噪声检测通道；光电探测器5输出的光功率信号f₁，经过A放大器71、滤波器72、B放大器73得到被检测信号f_1-1；方波信号f₂经触发器74、相移器75、C放大器76相移放大后得到第一参考信号f_2-1；方波信号f₂经触发器74、E放大器80后得到的第二参考信号f_2-2；第一参考信号f_2-1和第二参考信号f_2-2分别与被检测信号f_1-1经乘法器77后得到第一交流信号V_M1和第二交流信号V_M2；第一交流信号V_M1经滤波后，滤除掉其中的交流信号而得到直流滤波信号V_M1+FILT，第二交流信号V_M2经滤波后，滤除掉其中的交流信号而得到移相后的直流滤波信号V_M2+FILT；将直流滤波信号V_M1+FILT和移相直流滤波信号V_M2+FILT进行求模优化获得噪声幅度信号f₄。

本发明是一种测量光纤陀螺内部同频干扰的方法，其优点在于：(一)能够有效的测量光电转换后的探测器信号受到同频干扰的情况；(二)使用信号处理装置本身发出的方波信号作为参考信号，可以有效的测量噪声幅度；(三)信号处理过程经过滤波处理，测量精度较高。

附图说明

图1是背景技术中干涉式光纤陀螺的结构框图。

图2是背景技术中干涉式光纤陀螺的信号处理装置的结构框图。

图3是本发明中心处理器对信号的解析结构框图。

图4是本发明同频干扰解析单元的解析原理框图。

图中：1.光源11.光源驱动电路2.耦合器3.Y波导4.光纤环5.光电探测器6.信号处理装置61.前放滤波电路62.A/D转换器63.中心处理器64.D/A转换器65.放大调理电路7.同频干扰解析单元71.A放大器72.A滤波器73.B放大器74.触发器75.相移器76.C放大器77.乘法器78.B滤波器79.D放大器80.E放大器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法，此种测量方法可以有效地测量干涉式光纤陀螺内部的同频信号之间的干扰，并且可以有效地模拟干涉式光纤陀螺内部(信号处理装置6)的实际情况(参见图2所示)，即中心处理器63为光源1提供用于驱动光源驱动电路11的电压信号f₃，光源驱动电路11为光源1提供驱动电流，光源1发出的光信号经过光纤环4衰减进入光电探测器5；从光纤环4发出的光经过光电转换进入前放滤波电路61。中心处理器63通过方波信号f₂与光电探测器5信号的输入f₁(也是指光电探测器5输出的光功率信号)，以方波信号f₂为基准，测量光电探测器5输出信号被干扰的幅值大小。应用本发明的同频干扰测试方法实现了对干涉式光纤陀螺输出信息的优化。

本发明是一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法，是采用同频干扰解析模块7对所述信号处理装置6内部信息的解析，包括有下列步骤：

第一步：由中心处理器63产生用于驱动Y波导3的方波信号f₂；

第二步：由中心处理器63产生用于驱动光源驱动电路11的电压信号f₃；

第三步：光电探测器5输出的光功率信号f₁经前放滤波电路61、A/D转换器62后进入中心处理器63；

第四步：同频干扰解析模块7对接收的光功率信号f₁和方波信号f₂进行同频干扰解析处理，获得噪声幅度信号f₄；

第五步：同频干扰解析模块7对噪声幅度信号f₄进行分析以后，对电压信号f₃进行补偿，从而优化光纤陀螺输出信息。

请参见图2所示，在本发明中，同频干扰解析模块7输出的电压信号f₃作用到光源驱动电路11上后输出恒流信号，光源1输出的光信息经耦合器2、Y波导3、光纤环4后，由光电探测器5得到光功率信号f₁；光功率信号f₁与驱动Y波导的方波信号f₂在同频干扰解析模块7中进行同频干扰的解析；干扰信号是通过光源驱动，由电信号转换成光信号，经过探测器5再由光信号转换成电信号，电信号与陀螺信号处理电路6输出的参考信号分别输入到同频干扰解析模块7的两个输入端(参见图3所示)，通过琐相放大器测量噪声信号的幅度。测量信号的幅值变化大小反映了噪声信号的大小。同频干扰信号幅值的变化会引起测量结果幅值的变化，因此可以通过同频干扰解析模块7测量的结果可以看出同频干扰信号的变化。

请参见图4所示，同频干扰解析模块7主要包括有信号通道、参考通道、噪声检测通道。光电探测器5输出的光功率信号f₁，经过A放大器71、滤波器72、B放大器73得到被检测信号f_1-1；方波信号f₂经触发器74、相移器75、C放大器76相移放大后得到第一参考信号f_2-1；方波信号f₂经触发器74、E放大器80后得到的第二参考信号f_2-2；第一参考信号f_2-1和第二参考信号f_2-2分别与被检测信号f_1-1经乘法器77后得到第一交流信号V_M1和第二交流信号V_M2；第一交流信号V_M1经滤波后，滤除掉其中的交流信号而得到直流滤波信号V_M1+FILT，第二交流信号V_M2经滤波后，滤除掉其中的交流信号而得到移相后的直流滤波信号V_M2+FILT；将直流滤波信号V_M1+FILT和移相直流滤波信号V_M2+FILT进行求模优化获得噪声幅度信号f₄。

所述信号通道对输入的幅度调制信号进行放大、滤波等处理。因为被检测信号微弱，而伴随的噪声相对较大，这就要求信号通道的前置放大器必须具备低噪声、高增益的特点，而且动态范围要大。

所述参考通道的功能是为乘法器提供与被检测信号相干的控制信号。参考输入是方波信号，其频率与希望检测的噪声信号一样。

在本发明中，同频干扰解析模块7的输入要求有一个参考频率，即方波信号f₂。同频干扰解析模块7通过参考频率测量被测信号；假设参考信号为方波信号，其频率为ω_R。同频干扰解析模块7的输出为正弦信号，假设正弦信号的响应为V_Isin(ω_It+θ_I)，其中V_I表示光电探测器5输出的幅值。

同频干扰解析模块7把测量信号与参考信号V_Rsin(ω_Rt+θ_R)相乘，乘法器77有两个输入端，一个输出端。

V_M1＝f_1-1×f_2-1    (1)

经转换得到： $V_{M1}=\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\cos ({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_I)+\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\sin (2{\mathrm{\ω}}_{R}t+{\mathrm{\θ}}_R+{\mathrm{\θ}}_I)---\left(2\right)$

由于同频干扰解析模块7的两个输入端具有相同的频率，乘法器77的输出第一项为直流量；第二项是频率为2ω_R的交流信号，这个信号可以通过低通滤波器滤除掉。得到直流滤波信号V_M1+FILT：

$V_{M1+\mathrm{FIL}T}=\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\cos ({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_I)---\left(3\right)$

为了测量光电探测器5输出的幅值V_I，我们利用公式3，这就是说输入信号与参考信号的相位差必须知道的情况下，我们才能测量输入信号的幅度V_I。同频干扰解析模块7解决这个问题采用了乘法器，参考信号输入到乘法器77的信号是经过相移以后的信号：

$V_{M2}=\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\cos ({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_I-\frac{\mathrm{\π}}{2})+\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\sin (2{\mathrm{\ω}}_{R}t+{\mathrm{\θ}}_R+{\mathrm{\θ}}_I-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(4\right)$

经过滤波以后：

$V_{M2+\mathrm{FILT}}=\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\cos ({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_I-\frac{\mathrm{\π}}{2})=\frac{1}{2}{V}_I{V}_R\sin ({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_I)---\left(5\right)$

因此通过以上公式的求模优化得到噪声幅度信号f₄：

$f_4=\left(\frac{2}{V_R}\right)\sqrt{{\left(V_{M1+\mathrm{FILT}}\right)}^2+{\left(V_{M2+\mathrm{FILT}}\right)}^2}---\left(6\right)$

本发明的同频干扰测试方法通过对光源驱动电路的光源驱动电压信号f₃进行干扰，干扰后的信号经光源、耦合器、Y波导、光纤环后，再经光电探测器转换输出光功率信号f₁，以Y波导的方波信号f₂作为信号参考输入，采用琐相放大原理对光功率信号f₁和Y波导的方波信号f₂解析获得噪声幅度信号f₄。实现了对干涉式光纤陀螺输出信息的优化。

在本发明中引用符号的物理意义见下表：

f1	表示由光电探测器5输出的光功率信号。f1＝VISin(ωRt+θI)
		f1-1	表示光功率信号f1经滤波放大后的用于乘法器77输入的被检测信号。
f2	表示由中心处理器63产生的用于驱动Y波导3的方波信号。f2＝VRSin(ωRt+θR)
		f2-1	表示方波信号f2经相移放大后的用于乘法器77输入的第一参考信号。
f2-2	表示方波信号f2经放大后的用于乘法器77输入的第二参考信号。
		f3	表示由中心处理器63产生的用于驱动光源驱动电路11的电压信号。
f4	表示中心处理器63对接收的光功率信号f1和方波信号f2进行同频干扰解析处理后获得的噪声幅度信号。
		VM1	表示被检测信号f1-1与第一参考信号f2-1在乘法器77中相乘后输出的第一交流信号。
VM2	表示被检测信号f1-1与第二参考信号f2-2在乘法器77中相乘后输出的第二交流信号。
		t	表示光电探测器5输出的时间，单位：秒S。
VI	表示光电探测器5输出的幅值。
		VR	表示方波信号f2输入的幅值。
θI	表示光电探测器5输出的相位，单位：弧度rad。
		θR	表示方波信号f2输入的的相位，单位：弧度rad。
ωI	表示光电探测器5输出的频率，单位：赫兹Hz。
		ωR	表示方波信号f2的频率，单位：赫兹Hz。ωI＝ωR
VM1+FILT	表示直流滤波信号。
		VM2+FILT	表示经移相的直流滤波信号。

Claims (5)

1、一种适用于干涉式光纤陀螺的信号处理装置的同频干扰测试方法，所述信号处理装置(6)至少包括有前放滤波电路(61)、A/D转换器(62)、中心处理器(63)、D/A转换器(64)和放大调理电路(65)，其特征在于：同频干扰解析模块(7)对所述信号处理装置(6)内部信息的解析步骤有：

第一步：由中心处理器(63)产生用于驱动Y波导(3)的方波信号f₂；

第二步：由中心处理器(63)产生用于驱动光源驱动电路(11)的电压信号f₃；

第三步：光电探测器(5)输出的光功率信号f₁经前放滤波电路(61)、A/D转换器(62)后进入中心处理器(63)；

第四步：同频干扰解析模块(7)对接收的光功率信号f₁和方波信号f₂进行同频干扰解析处理，获得噪声幅度信号f₄；

第五步：同频干扰解析模块(7)对噪声幅度信号f₄进行分析以后，对电压信号f₃进行补偿，从而优化光纤陀螺输出信息。

2、根据权利要求1所述的信号处理装置的同频干扰测试方法，其特征在于：同频干扰解析模块(7)主要包括有信号通道、参考通道、噪声检测通道；光电探测器(5)输出的光功率信号f₁，经过A放大器(71)、滤波器(72)、B放大器(73)得到被检测信号f_1-1；方波信号f₂经触发器(74)、相移器(75)、C放大器(76)相移放大后得到第一参考信号f_2-1；方波信号f₂经触发器(74)、E放大器(80)后得到的第二参考信号f_2-2；第一参考信号f_2-1和第二参考信号f_2-2分别与被检测信号f_1-1经乘法器(77)后得到第一交流信号V_M1和第二交流信号V_M2；第一交流信号V_M1经滤波后，滤除掉其中的交流信号而得到直流滤波信号V_M1+FILT，第二交流信号V_M2经滤波后，滤除掉其中的交流信号而得到移相后的直流滤波信号V_M2+FILT；将直流滤波信号V_M1+FILT和移相直流滤波信号V_M2+FILT进行求模优化获得噪声幅度信号f₄。

3、根据权利要求2所述的信号处理装置的同频干扰测试方法，其特征在于：求模优化噪声幅度信号f₄满足

式中，V_R表示方波信号f₂输入的幅值，V_M1+FILT表示直流滤波信号，V_M2+FILT表示移相直流滤波信号。

4、根据权利要求1所述的信号处理装置的同频干扰测试方法，其特征在于：B滤波器(78)所滤除掉的频率为2ω_R信号。

5、根据权利要求1所述的信号处理装置的同频干扰测试方法，其特征在于：相移器(75)的相位移动为π/2。

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