谐振式光纤陀螺频率跟踪失锁控制研究 
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1 引言
随着导航定位系统的广泛应用和航天、航空高新技术的快速发展,高精度、小型化光纤陀螺惯性器件已经成为我国重大科技计划中的重要研究方向。随着光纤陀螺技术逐渐取得突破性进展,其逐步向小型化、集成化和多元化方向发展[1-3]。基于谐振频差检测原理的谐振式光纤陀螺(RFOG)采用几米光纤甚至厘米级光波导,就能达到导航级精度,因此具有高精度、小型化的技术优势。此外,谐振式光纤陀螺采用的光纤很短,能够很好地解决由传感环圈温度特性引入的陀螺漂移问题,具有温度适应性好的特点[4-5]。综上所述,谐振式光纤陀螺具有广阔的应用前景,目前已经成为新一代惯性传感器的前沿研究热点。
为提升陀螺性能,目前各研究机构主要是对谐振式光纤陀螺的噪声问题进行研究,主要包括偏振噪声[6]、背散噪声[7]、Kerr噪声[8]以及激光器频率噪声[9]等。由于谐振式光纤陀螺的稳定工作是以激光器中心频率对谐振腔谐振频率的稳定跟踪锁定作为前提条件,激光器频率与谐振腔谐振频率无法同步稳定跟踪,会严重影响陀螺稳定输出,因此频率跟踪失锁问题是谐振式光纤陀螺研制过程中的重难点问题。
为实现谐振式光纤陀螺的小型化,需要采用小型化窄线宽半导体激光器作为系统光源,通过驱动电流调谐实现激光器中心频率对谐振腔谐振频率的跟踪锁定。驱动电流调谐将会引起激光器输出光强变化,在陀螺输出上产生伴幅强度调制。针对伴幅强度调制,Lei等[10]提出采用数字电路相减方式消除驱动电流引起的陀螺输出误差,但受限于信号检测电路的输出电压范围和激光器正常工作电流范围,需要进行驱动电流复位,复位过程中陀螺输出变化较复杂,通过简单的相减方式已经无法有效抑制伴幅强度调制效应。浙江大学的Ying等[11]在基于正弦波调制解调的陀螺信号检测中通过对正弦波频率的二次谐波进行解调,补偿陀螺输出,明显降低了调谐电流复位引起的陀螺输出跳变,取得了明显的陀螺失锁控制效果,但是该方案并不适用于基于三角波调制解调的谐振式光纤陀螺中。
本文针对目前谐振式光纤陀螺中存在的跟踪失锁问题开展研究,首先分析了频率跟踪失锁原因及机理;提出了基于半导体激光器温度闭环反馈的失锁控制方案,消除频率跟踪失锁引入的陀螺输出误差;对失锁控制总体技术方案、信号处理流程及实现方法进行了详细的叙述;最后搭建了陀螺原理样机,对采用频率跟踪失锁方案前后的陀螺静态性能进行了实验测试,测试表明该失锁控制方案可显著降低频率二次锁定过程中的零位变化,提升陀螺精度。
2 频率跟踪失锁现象及机理分析
谐振式光纤陀螺系统结构如
通过对激光器的中心频率进行调谐,实现激光器频率对FRR谐振频率的跟踪锁定是谐振式光纤陀螺稳定工作的前提条件。窄线宽半导体激光器的频率调谐方式有两种:驱动电流调谐方式和管芯温度调谐方式,FRR的温度系数在GHz/℃量级,而激光器驱动电流的调谐系数通常为几十MHz/mA,管芯温度的调谐系数在GHz/℃量级,由于激光器的温度调谐响应慢,在控制上严重滞后于因温度引起的谐振腔快速频率变化,而驱动电流的调谐带宽高达20 kHz,可以满足频率快速调谐需求,目前各研究机构通常采用激光器驱动电流调谐方式实现频率跟踪锁定[12-14],而采用驱动电流闭环反馈调谐时其调谐范围有限,驱动电流必然存在复位,复位过程中激光器输出光功率变化较大。
多个谐振信号存在显著差异,主要表现为光强的变化和对称度的差异。从对谐振传递函数和影响对称度的关键因素出发,得到了导致谐振峰信号差异的主要原因包括两个方面:1)驱动电流线性扫频过程中激光器输出光功率变化引起入腔光强变化,从而导致谐振信号峰峰值整体抬升;2)腔内的背向散射、偏振噪声,以及激光器在不同频率段的频率噪声不仅影响到谐振信号的高度,而且还会影响到谐振信号的对称性。上述两方面的影响均会使陀螺性能劣化,造成陀螺输出误差。
驱动电流调谐过程中激光器的输出光强发生变化,引起的陀螺输出误差可表示为[15]
式中:Ilaser,σIlaser分别为激光器的光强和波动标准差;Ωbias为谐振式光纤陀螺的固定零偏;N为采样点个数。激光器光功率与驱动电流之间的功率-电流曲线如
图 3. 激光器光功率与电流间对应关系
Fig. 3. Corresponding relation between output optical power and driving current of laser
在驱动电流复位过程中,为了增大稳定工作范围,设计驱动电流的偏置电流为112 mA,而调谐范围为±5 mA,即陀螺工作于如
线性调谐区(107~117 mA)的光强和驱动电流i满足如下关系[16]:
根据(1)式和(2)式,当固定零偏Ωbias为500 (°)/h(目前实测值)时,在驱动电流从107 mA调谐到117 mA的过程中,光强变化引入的陀螺偏置变化为96 (°)/h。
实际在电流复位过程中,激光器的频率发生明显变化,导致无法对同一谐振峰信号实现不间断实时跟踪锁定,即二次锁定时会锁定于其他谐振信号之上,而从图中可见不同的谐振信号具有不同的电平电压和对称度,引起零位变化。
背向散射引入的陀螺输出偏置误差可表示为[17]
式中:c为真空中的光速;λ为输入光的中心波长;α为FRR的半径;L为FRR的长度;Rb为谐振腔的瑞利背向散射系数;M为载波抑制个数;ΔV/V为调制波峰峰值与最大载波电压之间的相对偏差。
偏振耦合引起的陀螺输出偏置误差为
式中:θ和ν分别为输入光本征偏振态相位和角度;r为分束比;tf为耦合器C1和C2的透射率;Δf1为激光器线宽;τ0为渡越时间。
复位过程中引入的陀螺零位变化会严重影响陀螺性能,该零位的变化与背向散射系数、光强大小、对轴角度等多个参量相关,而且容易受温度等环境因素的影响。
3 基于温度闭环的频率跟踪失锁控制方案
为了解决频率跟踪失锁引入的尖峰和台阶跳变,实现对同一个谐振峰信号的稳定同步锁定,设计基于温度闭环控制的失锁控制方案,具体结构如
通过在相位调制器上施加“三角波+锯齿波”的混合波形实现信号调制,有效抑制谐振式光纤陀螺中的背向散射噪声,提升陀螺信噪比。其中利用解调1模块对探测器PD2探测到的CW信号进行解调处理,得到激光器频率与CW谐振信号的频率偏差,随后对目前的工作区间进行判定以进行接下来的电流控制和温度控制。利用电流控制的快调谐、高动态特点实现激光器频率对谐振腔谐振频率的闭环控制,同时利用温度控制的大范围特点增大激光器的频率控制范围,最终实现激光器频率对谐振腔谐振频率的高精度跟踪同步。为了降低激光器和谐振腔相对频率噪声对陀螺性能的影响,采用CW信号和CCW信号的共模信号作为陀螺输出,进一步提升陀螺性能。
图 4. 基于温度闭环的跟踪失锁控制方案
Fig. 4. Out-of-lock frequency-tracking control scheme of RFOG based on temperature closed-loop feedback
在数字闭环处理电路DCP内部对信号处理电路的DAC(digital-to-analog converter)控制范围进行数字划分,如
图 5. 失锁控制方案中FPGA数字工作区间划分
Fig. 5. Division of FPGA digital working region in out-of-lock control scheme
电流只在线性扫频区实现扫频和控制,电流线性调谐区内激光器温度维持稳定。当接近谐振峰信号时,驱动电流闭环反馈控制激光器频率跟踪锁定于谐振腔中心频率。随着外界温度的变化,驱动电流开始接近温度反馈区,一旦进入温度上、下反馈区,激光器温度控制模块开始工作,通过调节反馈参数和控制方向,将激光器频率回拉到电流线性调谐区中,在此过程中,激光器频率调节连续,因此能够始终跟踪锁定于同一个谐振峰信号上,有效避免了二次锁定误差。在控制过程中,确保激光器温度调节满足正确的方向和合适的步长,否则会导致驱动电流越过电流线性反馈区,引起激光器光强突变和频率跟踪失锁。
具体的控制过程如下:首先根据激光器自身特性对初始温度和电流进行复位设置以获得最佳的激光器性能;随后激光器线性扫频并通过电压比较器对是否接近谐振峰信号进行正确判定,若接近谐振峰则启动驱动电流闭环控制,实现激光器频率对FRR频率的跟踪闭环。在此过程中对激光器温度是否超限进行判定,超限值由激光器的工作范围所决定。若温度超限则实现激光器复位,重置温度和电流,若温度不超限则根据驱动电流值对是否进入温度反馈区进行判定,若进入温度下反馈区则启动温度上反馈,若进入温度上反馈区则启动温度下反馈,最终实现激光器的温度闭环控制。
4 实验结果及分析
搭建了谐振式光纤陀螺原理样机,样机实物如
对谐振式光纤陀螺原理样机进行室温条件下的零偏稳定性测试。设定测试时间为10 min,第一次测试不采用频率跟踪失锁控制方案,第二次测试采用频率跟踪失锁控制方案,重点比较采用频率跟踪失锁控制方案前后的陀螺输出。在两次测试期间受环境因素的影响,谐振腔温度分别改变了0.23 ℃和0.25 ℃(测试结果如
对采用失锁控制方案前后的陀螺长期性能进行验证,将陀螺置于实验室桌面并进行常温条件下的陀螺静态性能测试,样机测试状态如
图 8. 陀螺常温条件下输出对比。(a)采用失锁控制方案前; (b)采用失锁控制方案后
Fig. 8. Output comparison of RFOG at room temperature. (a) Before out-of-lock control; (b) after out-of-lock control
图 9. 陀螺室温性能测试。(a)测试照片;(b) 1 h静态测试结果
Fig. 9. Performance test of RFOG at room temperature. (a) Photograph of testing; (b) result of 1-h static test
5 结论
本文提出了一种基于半导体激光器温度闭环反馈的失锁控制方案,解决了谐振式光纤陀螺中普遍存在的频率跟踪失锁问题。分析表明激光器频率跟踪同步过程中的电流变化、背向散射、偏振耦合等非互易性噪声是导致陀螺尖峰脉冲和零位变化的主要原因;对失锁控制总体技术方案、信号处理流程以及FPGA实现方法进行了详细叙述;进行了光路和电路的总体装配,成功搭建谐振式光纤陀螺小型化原理样机。完成了常温条件下的陀螺静态性能测试,对采用频率跟踪失锁方案前后的陀螺输出进行了对比测试,采用频率跟踪失锁控制方案使陀螺输出脉冲幅值突变量从3000 (°)/h降低到200 (°)/h,陀螺零偏变化从600 (°)/h降低到陀螺噪声水平以下,最终陀螺1 h静态测试精度显著提升到4.9 (°)/h(100 s平滑),上述研究成果为谐振式光纤陀螺的实用化提供了理论和实验方法支撑。
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雷明, 于怀勇, 方圆, 吴衍记, 冯喆, 张丽哲. 谐振式光纤陀螺频率跟踪失锁控制研究[J]. 中国激光, 2020, 47(1): 0106002. Ming Lei, Huaiyong Yu, Yuan Fang, Yanji Wu, Zhe Feng, Lizhe Zhang. Out-of-Lock Frequency-Tracking Control of Resonant Fiber-Optic Gyro[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(1): 0106002.
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