基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法，屬于光纖陀螺【技術領域】。本方法采用數字雙閉環(huán)回路進行強度噪聲的抑制和強度調制器工作點的穩(wěn)定；強度噪聲抑制時，對光電探測器輸出的光強信號進行預處理、數字化、濾波和相位補償后，再模擬化反饋至強度調制器；穩(wěn)定強度調制器的偏置工作點時，通過掃描偏置電壓獲取強度調制器最大輸出光功率點和最小輸出光功率點時的偏置電壓，使用平均功率方法獲得工作點的偏置電壓，并通過實時采集光電探測器的輸出電壓獲得偏置電壓差值反饋給強度調制器。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，使強度調制器的偏置工作點不再漂移，工作穩(wěn)定。
【專利說明】基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖陀螺【技術領域】，具體涉及對光纖陀螺用超熒光光纖光源的強度噪 聲的抑制技術，具體涉及一種基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法。
【背景技術】
[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動部件、 無加速度引起的誤差的優(yōu)點外，其與傳統(tǒng)機電陀螺的一個重要區(qū)別是存在著較大的光學噪 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游走系數、零偏不穩(wěn)定性等性能指標， 并直接決定著光纖陀螺的最小檢測靈敏度，所以對光纖陀螺的噪聲進行抑制是非常重要 的。
[0004] 光纖陀螺的寬譜光源的噪聲主要包括熱噪聲、散粒噪聲和強度噪聲。強度噪聲是 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的增大而增大。強度噪聲的大小與光源輸出功率 的大小成正比，當光源功率超出一定值時，強度噪聲就超過散粒噪聲和熱噪聲，這時，信噪 比將不再隨著光功率的增加而提高，而是趨近于一個飽和值，強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，對實現光纖陀螺的實際應用具有重要意義。目前，光纖陀螺強度噪聲 抑制技術方法主要有：強度噪聲對消技術方案、采用高速強度調制器方案和相減補償技術 方案等。
[0006] 在這些方法中，采用高速強度調制器的方案是近年來應用比較多的一種方法，這 種方法提供的一種強度噪聲抑制的裝置的結構如圖1所示，該抑制裝置主要包括：光線光 源、強度調制器、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 速的強度調制器置于光纖光源和耦合器之間，從光線光源發(fā)出的光信號到達強度調制器， 強度調制器對接收到的光信號進行調制；強度調制器將經過調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，光探測器對接收到的光信號進行采樣得到電流信號 并轉換為電壓信號。光探測器將電壓信號輸出到高帶寬的伺服控制器上，該伺服控制器對 接收到的電壓信號進行處理后，提供一個負反饋控制信號給強度調制器。然后，強度調制器 利用上述負反饋控制信號來抑制后續(xù)接收到的光信號的強度噪聲。
[0007] 基于強度調制器的數字強度噪聲抑制方案主要包括高速強度調制器、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：對強度調制器輸出的光信號進 行采樣得到電壓信號，對所述電壓信號進行解調，根據解調結果產生控制信號，所述控制信 號中包括對光信號功率進行調整的功率控制信號和對強度調制器的工作點進行調整的調 制方波信號。所述強度調制器根據接收到的控制信號中的控制功率信號對接收到的光信號 的功率進行調制，根據接收到的控制信號中的調制方波信號，對強度調制器的工作點進行 調整，使強度調制器的工作點保持穩(wěn)定。該方案存在如下缺點：
[0008] 1)對于強度調制器的工作點控制，使用了檢測調制方波的方案。該方案中，必須要 引入調制方波信號。該信號的引入，會影響強度調制器正常工作時對于強度噪聲的抑制效 果，同時該調制方波信號對于抑制噪聲的過程來說，也是一種噪聲的引入。對于噪聲抑制系 統(tǒng)來說，新引入噪聲對于系統(tǒng)有著很大的危害，甚至會導致整個抑制系統(tǒng)的失效。
[0009] 2)該方案中，強度噪聲抑制的閉環(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，同時閉環(huán)抑制算法中，并未考慮相位補償的環(huán)節(jié)，導致閉環(huán)抑制中產生相位漂 移，該相位漂移直接導致閉環(huán)過程中抑制噪聲的作用沒有得到很好的發(fā)揮。
[0010] 使用強度調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， 該方案的結構如圖2所示?？梢钥闯?，該閉環(huán)反饋方案和基于強度調制器的數字強度噪聲 抑制方案類似，但是該方案使用的是模擬伺服控制器，同時沒有對強度調制器進行抑制。該 方案中的伺服回路的簡圖如圖3所示，301和302所標示的是兩個運算放大器。伺服控制回 路的第一級運放電路為高通濾波放大，只對偏置調制頻率以上的頻率提供增益。在低于偏 置調制頻率的頻率上，第一級運放電路的增益很小，由電容C1、電阻R1和電阻R3決定。增 益的峰值一般出現在偏置調制頻率附近，并由電阻R1和電容C2決定。為了使伺服回路穩(wěn) 定，當總的開環(huán)增益超過1時，這一級的增益應該保持為常數。伺服回路的第二級運放電路 同樣為高通濾波放大，只對偏置調制頻率以上的頻率提供增益，在低于偏置調制頻率的頻 率上，信號增益很小。該方案存在兩個問題：
[0011] 1)該方案中使用的關鍵器件為強度調制器，其工作中存在的重要問題就是強度調 制器工作點的漂移問題，該器件的工作點極易受到環(huán)境溫度、濕度和電磁場等環(huán)境因素變 化的影響，工作點的漂移直接導致系統(tǒng)對于強度噪聲抑制效果下降，控制信號不穩(wěn)定，甚至 使整個抑制系統(tǒng)失效。但該方案中未使用任何技術來解決這個問題。
[0012] 2)該方案中模擬伺服回路的控制精度較低，對強度噪聲抑制的效果較差，同時由 于使用的是模擬電路進行控制，更改抑制頻段時相當麻煩，需要對整個伺服控制回路進行 更改。
【發(fā)明內容】
[0013] 本發(fā)明對基于強度調制器的強度噪聲抑制的數字閉環(huán)方案進行改進，目的是為了 解決目前同類方案中出現的閉環(huán)精度不好，噪聲抑制效果差的問題，同時，本發(fā)明還達到較 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度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法，基于現 有強度調制器的光源強度噪聲抑制方案，采用數字雙閉環(huán)的方案，使用兩個閉環(huán)回路，分別 用來進行強度噪聲的抑制和強度調制器工作點的穩(wěn)定，第一閉環(huán)回路使用強度調制器進行 強度噪聲的抑制，第二閉環(huán)回路用于穩(wěn)定強度調制器工作點的偏置電壓，或稱為穩(wěn)定強度 調制器的偏置工作點，使強度調制器的偏置工作點不再漂移，工作穩(wěn)定。
[0015] 本發(fā)明中第二閉環(huán)穩(wěn)定強度調制器工作點的偏置電壓，包括開機尋找工作點和工 作時進行控制兩個部分。
[0016] 開機尋找工作點具體是：對強度調制器的偏置電壓進行掃描，從-vn掃描到vn， 為強度調制器的半波電壓，記錄每個掃描值時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，對應找到強度調制器最大輸出光功率點時的偏置電壓vb(taax 和最小輸出光功率點時的偏置電壓Vb(tain，則開機設置強度調制器的偏置電壓vb(l為：
[0017]
【權利要求】
1. 一種基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法，采用兩個閉環(huán)回路，第 一閉環(huán)回路使用強度調制器進行強度噪聲的抑制；其特征在于：第二閉環(huán)回路用于穩(wěn)定強 度調制器工作點的偏置電壓；穩(wěn)定強度調制器工作點的偏置電壓包括開機尋找工作點和工 作時進行控制兩部分； 所述的開機尋找工作點，具體是：對強度調制器的偏置電壓進行掃描，從掃描到 νπ，νπ為強度調制器的半波電壓，記錄每個掃描值時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，對應找到強度調制器最大輸出光功率點時的偏置電壓 VM_和最小輸出光功率點時的偏置電壓vMmin;則開機設置強度調制器的偏置電壓VM為 ： Vb(1所對應的光電探測器的輸出電壓為工作點時光電探測器的理想輸出電壓； 所述的工作時進行控制，具體是：實時監(jiān)測光電探測器的輸出電壓，比較光電探測器的 實際輸出電壓與工作點時光電探測器的理想輸出電壓，獲取相應的偏置電壓差值，將偏置 電壓差值反饋到強度調制器，控制強度調制器的偏置電壓在[V b(|-a，VM+b]內，其中參數a和 b取值均在[0, 0.5]之內。
2. 根據權利要求1所述的一種基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方法， 其特征在于，所述的使用強度調制器進行強度噪聲的抑制，具體步驟如下： 第1步，對光電探測器輸出的光強信號進行預處理，去除光強信號中的低頻成分并將 光強信號數字化； 第2步，將得到的數字光強信號進行濾波，保持信號的相位穩(wěn)定； 第3步，對濾波后的數字光強信號進行相位補償，具體是：根據中心頻率處的時間延 遲，在全頻段對濾波后的信號進行時間補償； 第4步，將經過相位補償后的數字光強信號轉換為模擬光強信號，反饋至強度調制器 的射頻控制端。
3. 根據權利要求1或2所述的一種基于強度調制器的光源強度噪聲抑制數字雙閉環(huán)方 法，其特征在于，所述的對強度調制器的偏置電壓進行掃描，設置掃描間隔為0. 01V。
【文檔編號】G02F1/01GK104236537SQ201410462716
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】許文淵, 魏超, 楊德偉, 李立京, 張春熹 申請人:北京航空航天大學