阅读说明：本技术 一种单dac光纤陀螺y波导半波电压补偿系统 (Y waveguide half-wave voltage compensation system of single DAC (digital-to-analog converter) fiber-optic gyroscope ) 是由 张宇飞 赵亚飞 李勇 滕飞 刘保林 刘奇 张沛勇 王晓玲 孙丽 崔斌 何泽民 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统,涉及光纤陀螺角速率测量技术领域；包括光电探测器、前放电路、A/D转换模块、闭环算法中央处理单元、D/A转换模块、驱动电路、光电调制器和光纤环；对外部光信号依次进行光电转换处理、隔直流、滤波、模数转换处理、闭环计算、数模转换、放大处理,生成Y波导调制信号；将Y波导调制信号发送至光电调制器；光电调制器根据Y波导调制信号对光纤环的光信号进行相位调制,使光信号产生相位差Φ<Sub>FB</Sub>；本发明采用了引入比例系数K进行Y波导半波电压的补偿方法,简单可靠地解决了光纤陀螺Y波导半波电压补偿问题。(A single DAC fiber-optic gyroscope Y waveguide half-wave voltage compensation system relates to the technical field of fiber-optic gyroscope angular rate measurement; the device comprises a photoelectric detector, a preamplifier circuit, an A/D conversion module, a closed-loop algorithm central processing unit, a D/A conversion module, a drive circuit, a photoelectric modulator and an optical fiber ring; carrying out photoelectric conversion processing, DC blocking, filtering, analog-to-digital conversion processing, closed-loop calculation, digital-to-analog conversion and amplification processing on an external optical signal in sequence to generate a Y waveguide modulation signal; sending the Y waveguide modulation signal to a photoelectric modulator; the photoelectric modulator modulates the phase of the optical signal of the optical fiber ring according to the Y waveguide modulation signal to enable the optical signal to generate a phase difference phi FB (ii) a The invention adopts the method of introducing the proportionality coefficient K to compensate the Y waveguide half-wave voltage, and simply and reliably solves the problem of Y waveguide half-wave voltage compensation of the fiber optic gyroscope.)

一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺角速率测量技术领域，特别是一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统。

背景技术

Y波导是光纤陀螺的重要光学元件，集成了分束器、偏振器和调制器的功能，其中调制器用于偏置调制和实现闭环的反馈调制。Y波导半波电压是Y波导的重要参数，也是影响闭环光纤陀螺性能的关键指标。

由于Y波导相位调制器的半波电压随温度发生变化，同时存在其他一些电气漂移，进而影响陀螺的标度因数性能。对于标度因数性能要求比较高的场合，需要设计Y波导半波电压补偿措施，用以补偿Y波导随温度等因素漂移对光纤陀螺标度因数性能的影响。

一般而言，会在光纤陀螺检测电路中增加一片辅助DA转换器，搭建闭环控制回路。但目前以上方法主要存在以下问题：对于小型化低成本光纤陀螺，由于检测电路布局空间限制以及成本要求，很难在硬件上实现基于辅助DAC控制回路的搭建，这将严重制约小型化低成本光纤陀螺在宽温度范围内的使用。

专利CN102253503A公开了一种集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法。通过使用热敏电阻构建调制电压温度补偿电路，输入电压为补偿前的调制电压，输出电压为补偿后的调制电压，加载到集成电光相位调制器的电极上，对它的半波电压的温度特性进行补偿，从而提高集成电光相位调制器的调制稳定度，减小相位漂移，当其应用在光纤陀螺中时，可以提高标度因数的稳定性。本发明在硬件上实现对于集成电光相位调制器半波电压温度特性的有效补偿，功能稳定可靠，有效地减小了集成电光相位调制器的相位漂移。然而该专利提出的补偿方案中使用热敏电阻构建调制电压温度补偿电路，与本专利提出的软件补偿方案差异较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，采用了引入比例系数K进行Y波导半波电压的补偿方法，简单可靠地解决了光纤陀螺Y波导半波电压补偿问题。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，包括光电探测器、前放电路、A/D转换模块、闭环算法中央处理单元、D/A转换模块、驱动电路、光电调制器和光纤环；

光纤环：获取外部光信号，并将光信号经广电调制器发送至光电探测器；

光电探测器：接收光纤环传来的光信号；对光信号进行光电转换处理，生成电信号，并将电信号发送至前放电路；

前放电路：接收光电探测器传来的电信号；对电信号依次进行隔直流、滤波处理；生成PIN电信号；将PIN电信号发送至A/D转换模块；

A/D转换模块：接收前放电路传来的PIN电信号；对PIN电信号进行模数转换处理，生成数字信号；将数字信号发送至闭环算法中央处理单元；

闭环算法中央处理单元：接收A/D转换模块传来的数字信号；对数字信号进行闭环计算，得到数字反馈量D_FB；将数字反馈量D_FB发送至D/A转换模块；

D/A转换模块：接收闭环算法中央处理单元传来的数字反馈量D_FB；对数字反馈量D_FB进行数模转换处理，生成反馈电信号；将反馈电信号发送至驱动电路；

驱动电路：接收D/A转换模块传来的反馈电信号，对反馈电信号进行放大处理，生成Y波导调制信号；将Y波导调制信号发送至光电调制器；

光电调制器：接收驱动电路传来的Y波导调制信号，根据Y波导调制信号对光纤环的光信号进行相位调制，使光信号产生相位差Φ_FB。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述的Y波导调制信号为阶梯波信号。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述闭环算法中央处理单元对数字信号进行闭环计算的具体方法包括如下步骤：

步骤一、建立光纤陀螺因数K_i的计算模型；

步骤二、在光纤陀螺因数计算模型中引入比例系数K；改变数字反馈量D_FB；

步骤三、建立光纤陀螺因数计算模型的联立方程；

步骤四、根据联立方程，对引入比例系数K的光纤陀螺因数计算模型进行解算；得到光纤陀螺因数K_i的解算模型；并根据光纤陀螺因数K_i的解算模型获取实现K_i稳定的方法；

步骤五、计算比例系数K；

步骤六、根据比例系数K的计算公式，获取比例系数K的调节方法。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述步骤一中，光纤陀螺因数K_i的计算模型为：

式中，D_out为光纤陀螺输出数字量；

Ω为输入角速率；

D_FB为光纤陀螺的数字反馈量；D_FB＝D_out；

Φ_FB为光信号的相位差。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述步骤二中，引入比例系数K后，公式(1)变为：

式中，引入比例系数K后，数字反馈量D_FB为KD_out；光纤陀螺输出数字量仍为D_out。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述步骤三中，联立方程为：

式中，π为光相位调制量；

L为光纤环环长；

D为光纤环直径；

λ为外部光源波长；

c为真空光速；

V_π为Y波导半波电压；

N为D/A转换模块位数；

V_f为D/A转换模块输出满量程对应的调制电压。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述步骤四中，对引入比例系数K的光纤陀螺因数计算模型进行解算的方法为：

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)，得到光纤陀螺因数K_i的解算模型：

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，根据公式(5)得到实现K_i稳定的方法为：当Y波导半波电压V_π发生变化时，保持V_f不变，对应调整比例系数K，即实现K_i的稳定。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述步骤五中，比例系数K的计算方法为：

式中，D_2π为阶梯波复位时数字量输出。

在上述的一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，所述步骤六中，比例系数K的调节方法为：

根据公式(6)，通过对阶梯波复位时数字量输出D_2π的调整，实现对比例系数K的调节。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明在不借助于辅助DAC硬件电路的前提下，充分利用非满码对应2π复位电压的使用方式，提出引入比例系数K进行Y波导半波电压的补偿方法；

(2)本发明采用纯编码实现，避免采用DAC等硬件资源，减小电路复杂程度，补偿算法易于实现，补偿结果重复性好，实现方便、新颖独特；

(3)本发明根据不同光纤陀螺的ADC和DAC位数进行计算可以很容易得到所需的Y波导补偿方案；适应性强。

附图说明

图1为本发明Y波导半波电压补偿系统示意图；

图2为实施例Y波导半波电压补偿模块详细设计图；

图3为实施例2π复位误差检测过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，该系统中光纤陀螺检测电路不需要增加基于辅助DAC的硬件电路，减小电路复杂程度，以数字反馈量D_FB乘以一个比例系数K，通过调节2π复位时对应的数字量D_2π实现K的调节，进而完成Y波导半波电压的补偿。

如图1所示为Y波导半波电压补偿系统示意图，由图可知，一种单DAC光纤陀螺Y波导半波电压补偿系统，包括光电探测器、前放电路、A/D转换模块、闭环算法中央处理单元、D/A转换模块、驱动电路、光电调制器和光纤环；

光纤环：获取外部光信号，并将光信号经广电调制器发送至光电探测器；

光电探测器：接收光纤环传来的光信号；对光信号进行光电转换处理，生成电信号，并将电信号发送至前放电路；

前放电路：接收光电探测器传来的电信号；对电信号依次进行隔直流、滤波处理；生成PIN电信号；将PIN电信号发送至A/D转换模块；

A/D转换模块：接收前放电路传来的PIN电信号；对PIN电信号进行模数转换处理，生成数字信号；将数字信号发送至闭环算法中央处理单元；

闭环算法中央处理单元：接收A/D转换模块传来的数字信号；对数字信号进行闭环计算，得到数字反馈量D_FB；将数字反馈量D_FB发送至D/A转换模块；

闭环算法中央处理单元对数字信号进行闭环计算的具体方法包括如下步骤：

步骤一、建立光纤陀螺因数K_i的计算模型；

光纤陀螺因数K_i的计算模型为：

式中，D_out为光纤陀螺输出数字量；

Ω为输入角速率；

D_FB为光纤陀螺的数字反馈量；D_FB＝D_out；

Φ_FB为光信号的相位差。

步骤二、在光纤陀螺因数计算模型中引入比例系数K；改变数字反馈量D_FB；

引入比例系数K后，公式(1)变为：

式中，通过引入一个比例系数K，使得阶梯波复位时数字量输出为K2^N，阶梯波峰峰值为KV_f，数字反馈量D_FB为KD_out；光纤陀螺输出数字量仍为D_out，当Y波导半波电压发生变化时，V_f不变，通过调整比例系数K，便可以保证标度因数的稳定性。

步骤三、建立光纤陀螺因数计算模型的联立方程；

联立方程为：

式中，π为光相位调制量；

L为光纤环环长；

D为光纤环直径；

λ为外部光源波长；

c为真空光速；

V_π为Y波导半波电压；

N为D/A转换模块位数；

V_f为D/A转换模块输出满量程对应的调制电压。

步骤四、根据联立方程，对引入比例系数K的光纤陀螺因数计算模型进行解算；得到光纤陀螺因数K_i的解算模型；并根据光纤陀螺因数K_i的解算模型获取实现K_i稳定的方法；

对引入比例系数K的光纤陀螺因数计算模型进行解算的方法为：

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)，得到光纤陀螺因数K_i的解算模型：

根据公式(5)得到实现K_i稳定的方法为：当Y波导半波电压V_π发生变化时，保持V_f不变，对应调整比例系数K，即实现K_i的稳定。

步骤五、计算比例系数K；

比例系数K的计算方法为：

式中，D_2π为阶梯波复位时数字量输出。

步骤六、根据比例系数K的计算公式，获取比例系数K的调节方法。通过调节2π复位对应的数字量，便可以实现比例系数K的调整。

比例系数K的调节方法为：

根据公式(6)，通过对阶梯波复位时数字量输出D_2π的调整，实现对比例系数K的调节。

D/A转换模块：接收闭环算法中央处理单元传来的数字反馈量D_FB；对数字反馈量D_FB进行数模转换处理，生成反馈电信号；将反馈电信号发送至驱动电路；

驱动电路：接收D/A转换模块传来的反馈电信号，对反馈电信号进行放大处理，生成Y波导调制信号；Y波导调制信号为阶梯波信号。将Y波导调制信号发送至光电调制器。

光电调制器：接收驱动电路传来的Y波导调制信号，根据Y波导调制信号对光纤环的光信号进行相位调制，使光信号产生相位差Φ_FB。

实施例

以14位DAC举例说明。如图2所示，主要包括两个模块，单DAC半波电压补偿模块A主要实现Y波导半波电压误差检测与数字PI控制闭环计算，输入为半波电压误差，输出为一个14位的数字量Data2pi；单DAC半波电压补偿模块B计算比例系数K，调整DAC的数字量输入，实现Y波导半波电压的补偿。

(2)Y波导半波电压误差检测。Y波导半波电压误差检测是通过检测PIN信号中2π复位误差实现的，光纤陀螺阶梯波复位包括正复位和负复位两种，以负复位为例，2π复位误差检测过程如图3所示，此时Reset_direction＝1。图中包括PIN信号，调制方波Signal_fb和延迟方波Signal_fd以及ADC转换之前的PIN信号。

(3)单DAC半波电压补偿模块A。单DAC半波电压补偿模块A主要实现Y波导半波电压误差检测与数字PI控制闭环计算，根据2.1节得到的Dem_data_error(31:0)、Dem_data(31:0)、Reset_direction计算检测误差Error(31:0)：如果为负复位，Reset_direction＝1，此时Dem_data(31:0)减去Dem_data_error(31:0)，赋值给Error(31:0)；如果为正复位，Reset_direction＝0，此时Dem_data_error(31:0)减去Dem_data(31:0)，赋值给Error(31:0)。Error(31:0)进累加器做数字积分，得到Integ_error(31:0)，Integ_error(31:0)截取n+13到n位，叠加上Ini_value(13:0)初始值，赋值给Data2pi(13:0)。Integ_error(31:0)截位起始位置n控制数字比例参数，实现半波电压补偿跟踪速率的调节。Ini_value(13:0)初始值确定Data2pi(13:0)初始值。

(4)单DAC半波电压补偿模块B。Data2pi(13:0)进入到补偿模块B后，主要完成比例系数K的生成，数字量先乘以Data2pi(13:0)，再右移14位(实现除法)，如果Data2pi(13:0)初始值为9830(十进制数)，比例系数K的计算过程如下：

角速率输入Swt_data(13:0)乘以比例系数K后，得到DAC输入量DA_data(13:0)，经DAC转换成模拟量后生成阶梯波，加在Y波导的两极。角速率输入Swt_data(13:0)赋值给Data_out(13:0)，作为角速率数字量输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。