CN102506844A - 谐振式微光学陀螺调制解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式微光学陀螺调制解调方法及装置。所述方法采用方波电流调制和恒温控制方案，在信号解调方面，首先采集谐振式微光学陀螺中的顺时针光路(CW)探测器和逆时针光路(CCW)探测器输出的模拟电压信号；再通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振中心频率点，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。该方法调制频差大，很容易就能达到光学陀螺检测灵敏度最大点，同时能够确保光源功率和频率的高稳定性，减小了波动噪声，进一步提高了光学陀螺性能。

Description

谐振式微光学陀螺调制解调方法及装置

技术领域

本发明涉及光学陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振式微光学陀螺调制解调方法及装置。

背景技术

目前，光学陀螺由于其结构全固态、动态范围大、启动时间短、稳定性高、寿命长等优点而得到广泛的研究与应用，谐振式微光学陀螺是在微小型化和高精度的要求下发展起来的一种新型的惯性角速度传感器，因为其体积小、重量轻和性能优越而备受关注。通过检测Sagnac效应引起的谐振腔中相向传输两束光之间的频率差来得到旋转角速度信号，但由于Sagnac效应是一种非常微弱的效应，因此谐振式微光学陀螺输出信号具有强噪声、弱信号的特点，容易淹没在光源输出光强自身的波动或信号检测电路的低频干扰和长期漂移中；另一方面，相同频率偏移量对应的光强变化量还取决于激光初始频率对应谐振曲线的位置。因此，要通过检测到达探测器光强的大小来直接测量陀螺转动引起的频率偏移量基本不可能，必须采用适当的调制解调方法。

现有技术中，谐振式微光学陀螺光路结构大多采用相位调制器来进行相位外调制以实现对光频的调制，但相位调制器的技术方案所固有的调制非线性、附加强度噪声等因素对光学陀螺的性能产生负面影响，降低了光学陀螺的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种谐振式微光学陀螺调制解调方法及装置，该方法调制频差大，很容易就能达到光学陀螺检测灵敏度最大点，同时能够确保光源功率和频率的高稳定性，减小了波动噪声，进一步提高了光学陀螺性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种谐振式微光学陀螺调制解调方法，所述方法包括步骤：

将谐振式微光学陀螺中的CW探测器和CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号；

将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口；

所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端；

通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。

所述通过数字信号处理器调节驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，具体包括：

通过数字信号处理器中的PI控制器调节驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则CCW路数字信号的输出方波幅值反映了光学陀螺的旋转角速度；

将该CCW路数字信号经数字滤波、信号解调的数字处理后作为数据输出。

所述方法还包括：

在数字信号处理器中，通过设定温控单元中DA的数字输入量为常数使输出为恒定电压，经电压放大和电压-电流变换产生恒定电流作用在所述半导体激光器的温控端，实现对所述半导体激光器的恒温控制。

本发明实施例还提供了一种谐振式微光学陀螺调制解调装置，所述装置包括采样单元、调制解调和闭环控制单元和数字信号处理器，其中：

所述采样单元，用于将谐振式微光学陀螺中的CW探测器和CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号；

所述调制解调和闭环控制单元，用于将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口；

所述调制解调和闭环控制单元通过所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端；

所述调制解调和闭环控制单元通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。

所述装置还包括温控单元，

所述温控单元通过数字信号处理器将固定数字量经数模转换器转换成模拟量，经电压放大和电压-电流变换产生恒定电流作用在所述半导体激光器的温控端，实现对所述半导体激光器的恒温控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述方法首先采集谐振式微光学陀螺中的CW探测器和CCW探测器输出的CW路数字信号和CCW路数字信号；再通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。该方法调制频差大，很容易就能达到光学陀螺检测灵敏度最大点，同时能够确保光源功率和频率的高稳定性，减小了波动噪声，进一步提高了光学陀螺性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供谐振式微光学陀螺调制解调方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供装置的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供具体方案的结构示意图；

图4为本发明实施例所举出的实例中调制解调方案原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供谐振式微光学陀螺调制解调方法的流程示意图，所述方法包括：

步骤11：将谐振式微光学陀螺中的顺时针光路CW探测器和逆时针光路CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号。

步骤12：将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口。

步骤13：所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端。

步骤14：通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。

在该步骤中，通过数字信号处理器中的PI控制器调节驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，具体来说就是CCW路数字信号的输出方波幅值反映了光学陀螺的旋转角速度；再将该CCW路数字信号经数字滤波、信号解调的数字处理后作为数据输出。

另外，所述方法还可以实现对所述半导体激光器的恒温控制，具体来说：

在数字信号处理器中，通过设定温控单元中DA的数字输入量为常数使输出为恒定电压，经电压放大和电压-电流变换产生恒定电流作用在所述半导体激光器的温控端，实现对所述半导体激光器的恒温控制。

本发明实施例还提供了一种谐振式微光学陀螺调制解调装置，如图2所示为本发明实施例所提供装置的结构示意图，所述装置包括采样单元、调制解调和闭环控制单元和数字信号处理器，其中：

所述采样单元，用于将谐振式微光学陀螺中的顺时针光路CW探测器和逆时针光路CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号；

所述调制解调和闭环控制单元，用于将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口；

所述调制解调和闭环控制单元还可以通过所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端；

所述调制解调和闭环控制单元还可以通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。

另外，所述装置还包括温控单元，

所述温控单元通过数字信号处理器设定温控单元中DA的数字输入量为常数，使输出为恒定电压，经电压放大和电压-电流变换产生恒定电流作用在所述半导体激光器的温控端，实现对所述半导体激光器的恒温控制。

下面以具体的实例来对本发明的方案进行说明，如图3所示为本发明实施例所提供具体方案的结构示意图，图中包括：光电混合模块、采样单元1和2、数字信号处理器、调制解调和闭环控制单元、温控单元，其中：

光电混合模块在谐振式微光学陀螺中，包括CW探测器、CCW探测器和半导体激光器；采样单元1和2均包括前置放大器和模数转换器；调制解调和闭环控制单元包括数模转换器DA2、模拟放大器2、数模转换器DA3、模拟放大器3、加法器和压控电流源2，具体方案为：

将CW探测器和CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经采样单元1和2的前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号；

将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口1，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口2；

所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源2转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端；

通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。具体来说，一方面，在提供半导体激光器驱动电流的同时也实现了半导体激光器的频率调制；另一方面，激光器出射光频率不在CW路谐振谷中心，数字信号处理器中的PI控制器就会不断地调节驱动电流使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，此时的CCW路数字信号反映的是陀螺旋转角速度信号，经数字滤波、信号解调等数字处理后作为数据输出。

如图4所示为本发明实施例所举出的实例中谐振式微光学陀螺调制解调方案原理图，通过在驱动电流端施加一个如图4左下所示的电流扫频方波信号实现了半导体激光器输出光频率方波形地增长，具体来说其原理为：

当位于谐振谷左侧时，探测器输出为一幅值较大的方波信号，方波幅值反映了光频率偏离谐振谷中心的大小；而位于谐振谷右侧时，探测器输出一相位相反的方波信号，幅值同样反映频差大小；恰恰是位于谐振谷中心时，探测器输出一直流信号，信号解调正是利用输出方波幅值实现对频差大小的测量。

具体到本***中，首先根据CW路光输出方波幅值解调出频偏大小，然后通过PI控制器不断调节驱动电流使该路光频率位于谐振谷中心，而此时的CCW路光输出方波幅值则反映了陀螺旋转角速度。

由此可见，由于在谐振式微光学陀螺中采用了半导体激光器作为光源，驱动电流与光源输出频率在一定温度范围内成线性关系，因此通过该调制解调方法，使得调制频差大，很容易就能达到光学陀螺检测灵敏度最大点，同时能够确保光源功率和频率的高稳定性，减小了波动噪声，进一步提高了光学陀螺性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种谐振式微光学陀螺调制解调方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

将谐振式微光学陀螺中的顺时针光路CW探测器和逆时针光路CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号；

将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口；

所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端；

通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的谐振式微光学陀螺调制解调方法，其特征在于，所述通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，具体包括：

通过数字信号处理器中的PI控制器调节驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则CCW路数字信号的输出方波幅值反映了光学陀螺的旋转角速度；

将该CCW路数字信号经数字滤波、信号解调的数字处理后作为数据输出。

3.根据权利要求1所述的谐振式微光学陀螺调制解调方法，其特征在于，所述方法还包括：

在数字信号处理器中，通过设定温控单元中DA的数字输入量为常数，使输出为恒定电压，经电压放大和电压-电流变换产生恒定电流作用在所述半导体激光器的温控端，实现对所述半导体激光器的恒温控制。

4.一种谐振式微光学陀螺调制解调装置，其特征在于，所述装置包括采样单元、调制解调和闭环控制单元、数字信号处理器，其中：

所述采样单元，用于将谐振式微光学陀螺中的顺时针光路CW探测器和逆时针光路CCW探测器输出的光强信号转换成电信号后，分别经前置放大器放大、模数转换器转换成CW路数字信号和CCW路数字信号；

所述调制解调和闭环控制单元，用于将所述CW路数字信号经数字滤波、信号解调和PI控制器数字处理后经数模转换成模拟量，并经电压放大后进入加法器第一输入端口，同时在数字信号处理器内部通过分频处理产生方波信号，经数模转换成模拟量并经电压放大后进入加法器第二输入端口；

所述调制解调和闭环控制单元通过所述加法器对两个输入信号进行信号相加，并经压控电流源转换成电流信号作用在所述谐振式微光学陀螺中的半导体激光器的驱动电流端；

所述调制解调和闭环控制单元通过数字信号处理器调节半导体激光器驱动电流的大小使激光器出射光频率位于CW路谐振谷中心，则此时CCW路数字信号反映了光学陀螺的旋转角速度，实现了半导体激光器驱动电流的闭环控制。

5.根据权利要求4所述的谐振式微光学陀螺调制解调装置，其特征在于，所述装置还包括温控单元，

所述温控单元通过数字信号处理器设定温控单元中DA的数字输入量为常数，使输出为恒定电压，经电压放大和电压-电流变换产生恒定电流作用在所述半导体激光器的温控端，实现对所述半导体激光器的恒温控制。

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