谐振式光纤陀螺谐振跟踪电路和数字调相装置及调相方法与流程

本发明属于谐振式光纤陀螺技术，涉及一种谐振式光纤陀螺谐振跟踪电路、数字调相装置及调相方法。

背景技术：

谐振式光纤陀螺集成了激光陀螺和干涉式光纤陀螺的优点，能够利用很短的光纤以及低成本实现导航级及更高级别的性能。其测量功能的实现通过将窄线宽激光器频率时刻锁定至敏感光纤环的谐振频率，而敏感光纤环的谐振频率由载体转速确定。谐振频率跟踪技术是谐振式光纤陀螺的核心技术之一，其跟踪精度直接关系到谐振式光纤陀螺的精度。

谐振频率跟踪技术的核心是相敏解调(又称作相干解调)电路，而相敏解调电路的重要调节步骤之一是实现解调参考信号与待解调信号之间的相位调节，用于完成相位调节的装置就称为调相装置。

谐振式光纤陀螺中光纤谐振环对环境敏感性高，光纤谐振环的谐振峰工作点具有随温度快速变化(典型参数下，每摄氏度谐振峰变化1000个光纤谐振环的自由谱宽)的特点，很难具有一个恒定的相位差。现有技术为了保证解调参考信号与待解调信号之间的相位差趋于零，一般采用模拟电路进行调相，但这种方式所获得的零相位差会随时间而变化，直接影响谐振跟踪电路的性能。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种能够在谐振式光纤陀螺的相敏解调电路中实现自适应相位调节的数字调相装置及调相方法。

另外还提供一种采用该谐振式光纤陀螺数字调相装置的谐振跟踪电路。

本发明的技术方案：一种谐振式光纤陀螺数字调相装置，其包括余弦函数查找表模块、第一乘法器、第二乘法器、正弦函数查找表模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、移相器、相位差计算模块，其中，所述第一乘法器的输入端同时与模数转换器和余弦函数查找表模块连接，其输出端经第一低通滤波器连接到相位差计算模块，第二乘法器输入端同时与模数转换器和正弦函数查找表模块连接，其输出端经第二低通滤波器分两路一路连接到相位差计算模块，另一路连接到第一数模转换器，同时正弦函数查找表模块输出端和相位差计算模块之间还连接有移相器，该移相器输出外接第二数模转换器。

所述余弦函数查找表模块、第一乘法器、第二乘法器、正弦函数查找表模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、移相器、相位差计算模块均集成在现场可编程门阵列上。

所述余弦函数查找表模块和正弦函数查找表模块均基于现场可编程门阵列内的存储资源。

所述第一低通滤波器、第二低通滤波器的截止频率的取值在由正弦函数查找表模块中所存储的正弦信号频率的1/20～1/10范围之内。

一种谐振跟踪电路，其包括前处理电路11、模数转换器12、第一数模转换器、第二数模转换器、以及权利要求1至4中任一项的谐振式光纤陀螺数字调相装置，其中，前处理电路经模数转换器后与谐振式光纤陀螺数字调相装置内的第一乘法器及第二乘法器连接，第一数模转换器和第二数模转换器分别连接在谐振式光纤陀螺数字调相装置的第二低通滤波器和移相器。

一种谐振式光纤陀螺数字调相方法，其模数转换器12的输出利用第一乘法器21和第二乘法器22，分别与余弦函数查找表模块20及正弦函数查找表模块23相乘，第一乘法器21和第二乘法器22的输出分别经第一低通滤波器24和第二低通滤波器25，输入到相位差计算模块27，相位差计算模块27的输出计算出解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差，通过移相器26对正弦函数查找表模块23的输出进行延时，从而改变调制信号D26与解调参考信号D23之间的相位差，因为待解调信号D12是由调制信号D26经过第二数模转换器15、相位调制器3、光纤谐振环6、第一光电探测器8所组成的物理链路而得到的，使得待解调信号D12与调制信号D26之间存在固定的相位差，所以通过调节调制信号D26与解调参考信号D23之间的相位差就能够改变解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差，使得解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差趋于零。

所述相位差计算模块27的输出结果根据所得到的第一低通滤波器和第二低通滤波器的输出，计算出解调参考信号与待解调信号之间的相位差

$D27=arctan\left(\frac{D24}{D25}\right)$

其中，D27是解调参考信号与待解调信号之间的相位差，D24是第一低通滤波器的输出，D25是第二低通滤波器的输出。

本发明的优点和有益效果是：本发明针对谐振式光纤陀螺中光纤谐振环对环境敏感性高，谐振峰工作点随温度快速变化(典型参数下，每摄氏度谐振峰变化1000个光纤谐振环的自由谱宽)的特点，提出了一种基于模数转换器+现场可编程门阵列+数模转换器的数字调相装置及调相方法。所述调相方法通过闭环反馈，可以消除光纤谐振环的蠕变效应所带来的解调参考信号与待解调信号间的相位差变化，能够在谐振式光纤陀螺的相敏解调电路中实现自适应相位差调节，从而提高谐振式光纤陀螺控制电路的工作可靠性。

附图说明

图1是光纤谐振环频率跟踪系统示意图；

其中，1-激光器，2-光纤耦合器，3-相位调制器，4-光纤，5-光纤耦合器，6-光纤谐振环，7-光纤耦合器，8-第一光电探测器，9-第二光电探测器，10-谐振跟踪电路。

图2是谐振跟踪电路的原理框图，

其中，11-前处理电路，12-模数转换器，13-现场可编程门阵列，14-第一数模转换器，15-第二数模转换器，20-余弦函数查找表模块，21-第一乘法器，22-第二乘法器，23-正弦函数查找表模块，24-第一低通滤波器，25-第二低通滤波器，26-移相器，27-相位差计算模块，28-比例-积分-微分控制环节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

请参阅图2，本发明谐振式光纤陀螺数字调相装置主要由前处理电路11，模数转换器12，现场可编程门阵列13、第一数模转换器14和第二数模转换器15组成。

在现场可编程门阵列13内部，从模数转换器12中所采集的信号与余弦函数查找表模块20及正弦函数查找表模块23分别相乘(利用第一乘法器21和第二乘法器22)，第一乘法器21和第二乘法器22的输出分别经过第一低通滤波器24和第二低通滤波器25，进入相位差计算模块27。相位差计算模块27的输出根据所得到的第一低通滤波器24和第二低通滤波器25的输出计算出解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差，从而通过移相器26改变正弦函数查找表模块的相位移动量，进而改变调制信号D26的相位差，因为待解调信号D12是由调制信号D26经过第二数模转换器15、相位调制器3、光纤谐振环6、第一光电探测器8所组成的物理链路而得到的，使得待解调信号D12与调制信号D26之间存在固定的相位差，使得解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差趋于零。

所述余弦函数查找表模块20及正弦函数查找表模块23，由现场可编程门阵列13中的存储器资源实现，余弦函数查找表模块20中以数组形式存储着在0～2π的范围内等间距分布的数据点的余弦函数值，正弦函数查找表模块23中以数组形式存储着在0～2π的范围内等间距分布的数据点的正弦函数值。

所述第一乘法器21和第二乘法器22，可由现场可编程门阵列13内的硬件乘法器资源实现，或者通过硬件描述语言对现场可编程门阵列13进行硬件编程，由现场可编程门阵列13内的逻辑资源实现。

所述第一低通滤波器24和第二低通滤波器25的截止频率的取值应当在由正弦函数查找表模块23中所存储的正弦信号频率的1/20～1/10内，以在保证相位检测精度的前提下，避免引入过大的延时。

所述相位差计算模块27，根据第一低通滤波器24和第二低通滤波器25的输出先进行除法运算后，进行反正切运算得出，其中除法及反正切运算在现场可编程门阵列13通过硬件描述语言采用CORDIC算法(Coordinate Rotation Digital Computer，坐标旋转数字计算方法)实现，其公式为：

$D27=arctan\left(\frac{D24}{D25}\right)---\left(0.1\right)$

谐振跟踪电路的核心是相敏解调(又称作相干解调)电路，而相敏解调电路的重要调节步骤之一是实现解调参考信号与待解调信号之间的相位调节，用于实现所述相位调节的软硬件就称为调相装置。在谐振跟踪电路实际工作时，所述数字调相电路保证解调参考信号D23与待解调信号D12的相位差趋于零，从而使得相敏解调电路的效率最高，进而提高谐振式光纤陀螺控制电路的工作可靠性。

本发明谐振式光纤陀螺数字调相方法实际工作时，当解调参考信号D23与待解调信号D12之间存在固定且不为零的相位差时，相位差计算模块27所计算得到的相位差不为零，从而驱动移相器26，改变调制信号D26与解调参考信号D23之间的相位差。因待解调信号D12是由调制信号D26经过第二数模转换器15、相位调制器3、光纤谐振环6、第一光电探测器8所组成的物理链路而得到的，所以待解调信号D12与调制信号D26之间存在固定的相位差。通过调节调制信号D26和解调参考信号D23之间的相位差就能够改变D12和D23之间的相位差，使得解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差趋于零。

所述数字调相方法不仅能够在系统初始化时将相敏解调电路的相位调节正确，同时，也能够在谐振式光纤陀螺的整个工作过程中，在后台实时地跟踪解调参考信号D23与待解调信号D12之间的相位差的变化，并进行实时的反馈调节。

相比于传统的调相手段，本发明所介绍的数字调相方法简便易用、精度高，可以实现实时的在线相位调节。

另外，本发明谐振跟踪电路包括前处理电路11、模数转换器12、第一数模转换器14、第二数模转换器15、以及上面所提供的谐振式光纤陀螺数字调相装置。其中，前处理电路11经模数转换器12后与谐振式光纤陀螺数字调相装置内的第一乘法器21和第二乘法器22连接，第一数模转换器14和第二数模转换器15分别连接在谐振式光纤陀螺数字调相装置的第二低通滤波器25和移相器26。本发明所介绍的谐振跟踪电路由于采用了闭环反馈的数字调相方法，能够保证相敏解调电路的效率达到最大，从而提高谐振式光纤陀螺控制电路的工作可靠性。