諧振式光子晶體光纖陀螺信號檢測及處理技術研究

雷　明，于懷勇，李建華，方　圓，馮　喆

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

0　引言

諧振式光纖陀螺采用光纖環形諧振腔作為核心敏感部件，通過對Sagnac效應引起的頻率偏差進行檢測實現陀螺轉速測試，光纖諧振腔性能直接決定陀螺極限精度，所需光纖長度遠遠短于同等檢測精度的干涉式光纖陀螺，大大降低了環圈長度和陀螺體積，因此諧振式光纖陀螺在實現高精度和小型化方面具有突出優勢[1-2]。

傳統諧振式光纖陀螺采用實芯保偏光纖構建環形諧振腔，由于光在石英介質中傳輸時不可避免產生各種光學寄生效應，光纖應力雙折射、傳輸損耗等容易受外界環境的影響，在陀螺系統中引入非線性克爾噪聲、偏振噪聲、背向散射噪聲等非互易噪聲[3]，導致陀螺輸出漂移和性能劣化，嚴重制約了諧振式光纖陀螺的技術發展。光子晶體光纖是一種新型的微結構光纖，由于光子帶隙效應使得光被限制在低折射率的空氣纖芯中傳播，可以從根本上抑制由導光介質缺陷引入的各種非互易噪聲。研究表明光子晶體光纖的溫度敏感度約為傳統光纖的1/10，磁場敏感度僅為傳統光纖的1/90，光學非線性效應僅為傳統光纖的1/250[4]。用光子晶體光纖替代實芯保偏光纖構建諧振式光纖陀螺，一方面能夠有效降低陀螺中的非互易噪聲，改善諧振式光纖陀螺性能；另一方面由于光子晶體光纖的彎曲半徑很小，能夠實現小尺寸環圈加工，因此能夠進一步降低光纖陀螺體積。上述技術特點使得諧振式光子晶體光纖陀螺逐漸成為未來光纖陀螺高精度、小型化發展的重要方向[5]。

Sagnac效應是一種極其微弱的效應[6-7]，1(°)/h的陀螺轉動引起的諧振頻率偏差低于1Hz，遠遠小于窄線寬激光器的輸出頻率漂移和光子晶體光纖諧振腔的諧振頻率漂移，因此信號檢測技術在諧振式光子晶體光纖陀螺中占有非常重要的地位。

本文對諧振式光子晶體光纖陀螺的結構和信號檢測原理進行了詳細的敘述，確定了基于FPGA的陀螺信號檢測總體方案，陀螺信號處理及控制模塊主要由頻差信號解調、復合拍頻檢測、閉環反饋控制、數據編碼輸出以及調制信號模塊組成；隨后重點介紹了窄線寬半導體激光器的驅動控制方案，在調制解調及頻率偏差檢測方案上采用數字相敏檢波器實現頻率偏差檢測，在諧振頻率閉環跟蹤鎖定方案上采用數字PI控制器實現環路光頻率控制；最后進行了諧振式光子晶體光纖陀螺實驗測試系統搭建，以及諧振曲線測試和諧振頻率閉環鎖定測試，上述研究成果為諧振式光子晶體光纖陀螺原理樣機的搭建奠定了技術基礎和實驗支撐。

1　諧振式光子晶體光纖陀螺原理

諧振式光子晶體光纖陀螺結構示意如圖1所示[8-9]，主要由光路單元、信號檢測及處理單元兩部分組成。光路單元包括1個主激光器(ML)和2個從激光器(SL1、SL2)提供多路輸入光信號；8個光纖耦合器(C1～C8)實現光路分光和耦合；2個集成光學相位調制器(PM1、PM2)實現順逆時針光信號調制；光子晶體光纖諧振腔由空心光子晶體光纖繞制而成，是陀螺核心敏感部件，實現單個軸向轉速敏感；4個光探測器(PD1～PD4)實現光電轉換。信號檢測及處理單元主要實現頻差及拍頻信號解調、諧振頻率閉環反饋控制、激光器的高精度驅動控制、調制信號發生以及陀螺轉速輸出等功能。

在諧振式光纖陀螺中設定主激光器ML作為拍頻基準信號，主要通過高精度恒溫恒流控制將主激光器控制在特定的溫度點和驅動電流點上實現基準頻率輸出，通過信號檢測及處理單元將2個從激光器SL1和SL2分別跟蹤鎖定在諧振腔相鄰的逆時針(CCW)和順時針(CW)諧振頻率上，使得CW和CCW光波存在一定的頻率偏差，從而抑制背向散射噪聲對陀螺性能的影響[10-11]。具體實現過程如下。

主激光器ML發出的激光經耦合器C2分成兩束作為拍頻基準光，從激光器SL1發出的激光經耦合器C1分成兩束，其中一束光與ML進行拍頻，得到SL1與ML之間的頻差后進入PD1；另一束光經PM1調制后，再經耦合器C6和耦合器C8后進入光子晶體光纖諧振腔，形成CCW光束，經腔內多圈傳輸后從耦合器C7輸出至PD4，信號檢測及處理單元根據PD4解調得到SL1與CCW諧振頻差。同理，信號檢測及處理單元根據PD2得到SL2與ML之間的拍頻頻差，根據PD3解調得到SL2與CW諧振頻差。靜止時，2個拍頻信號恒定，而當陀螺發生轉動時，CW和CCW諧振頻率發生偏移，頻率偏差大小受轉速大小影響，2個拍頻頻率發生同等程度的偏移，因此通過拍頻頻率的變化得到陀螺的轉動方向和轉速大小。

2　諧振式光子晶體光纖陀螺信號檢測電路設計及實現

2.1　信號檢測總體方案

諧振式光子晶體陀螺的信號檢測原理如圖2所示，分別根據SL1、SL2與ML之間的拍頻信號fm_s1和fm_s2反饋控制2個從激光器的中心頻率，使二者頻差為FSR左右。然后根據頻差解調信號鎖定SL1的中心頻率到CW光路諧振頻率點fR_CW，同時鎖定SL2的中心頻率到CCW光路諧振頻率點fR_CCW。當陀螺靜止時，fR_CW-fR_CCW=fm_s1-fm_s2=FSR；而當陀螺發生轉動后，根據Sagnac效應，順逆時針光路諧振頻率發生相向變化而使得Δf=fR_CW-fR_CCW≠FSR，此時滿足fm_s1-fm_s2=FSR-Δf。由于FSR為常數，因此根據fm_s1和

fm_s2即可求得Δf，而Δf與陀螺轉速成線性關系。因此通過檢測頻差Δf即可實現陀螺轉速測試。陀螺長時間測試過程中，外界環境的緩慢變化會引起ML的中心頻率發生漂移，而此時的拍頻信號fm_s1和fm_s2均發生同方向、等大小的改變，拍頻之差并不隨外界環境的變化而變化，因此采用檢測方案不影響對頻差Δf的檢測。

設計采用單片FPGA實現陀螺信號的處理及控制，信號處理及控制模塊的結構如圖3所示，主要包括：頻差信號解調、復合拍頻檢測、閉環反饋控制、數據編碼輸出以及調制信號模塊。

調制信號模塊產生調制信號經D/A轉換后，作用于相位調制器上實現光波信號調制。CW和CCW光路信號分別由PD3和PD4轉換為電信號，經A/D轉換器轉換為數字信號，隨后進入FPGA進行信號處理及控制。頻差信號解調模塊分別實現SL1中心頻率與CW光路諧振頻率、SL2中心頻率與CCW光路諧振頻率之間的偏差檢測，產生頻差信號；復合拍頻檢測模塊分別實現SL1、SL2與ML之間的頻率偏差檢測，產生拍頻信號。根據頻差信號和拍頻信號，經閉環反饋控制模塊分別產生2個從激光器的閉環反饋信號，經D/A轉換器轉換成模擬信號，經驅動控制模塊作用于2個從激光器的驅動電流端，實現SL1、SL2中心頻率對CW、CCW諧振頻率的跟蹤鎖定。而主激光器作為2個從激光器的頻率參考基準也需要閉環反饋控制模塊提供高精度的驅動控制，最后根據復合拍頻檢測模塊求得的2個拍頻信號頻率偏差，經數據編碼輸出模塊將陀螺數據以串行方式輸出，實現陀螺轉速測試。

2.2　窄線寬半導體激光器驅動控制方案

采用3只窄線寬半導體激光器作為諧振式光子晶體光纖陀螺用光源，激光器頻率特性不僅受管芯輸出光譜線寬、頻率噪聲等參數指標的影響，同時還受限于激光器的驅動控制方案，最終影響陀螺性能。圖4所示為窄線寬半導體激光器驅動控制方案，采用凌特公司電流源LT3092作為驅動電流控制芯片，內部10μA電流源精度為1%。輸出恒流大小由R3和R4電阻的比值確定，最大輸出電流可達200mA， 控制電流由控制電壓與電阻R5阻值決定，通過設定R5阻值實現驅動電流控制范圍和控制精度的調諧。

2.3　調制解調及頻率偏差檢測方案

采用三角波作為相位調制信號，當激光器中心頻率與諧振腔諧振頻率存在Δf的偏差時，輸出方波的幅值ΔID可表示為：

ΔID=IA-IB

(1)

Q=Q′e-Δωτ

(2)

(3)

Δω=2πδf

(4)

其中，IA和IB分別為兩側調制光強，I0為光子晶體諧振腔的入腔光強，Q為光場在諧振腔中傳輸一周的傳輸系數，αc和κ分別為諧振腔耦合器的插入損耗和耦合系數，αL為諧振腔的總傳輸損耗，δf為激光器的譜線寬度，τ=nL/c為渡越時間，n是諧振腔的折射率，fFM為相位調制產生的偏置頻率。

給定三角波頻率為50kHz，單方向頻率偏置為fFM=100kHz，那么零頻差附近輸出光強方波幅值ΔID與輸入諧振腔光強I0之比隨頻率偏差量Δf變化的關系仿真曲線如圖5所示，其中輸出光強比值的正負符號表示頻率偏移的方向。可見，在諧振頻率點(Δf=0)附近存在很好的近似線性單調變化區間，作為諧振式光子晶體光纖陀螺的工作區間，如圖5中陰影區域所示。

采用數字相敏檢波器實現頻率偏差檢測(相敏檢波器結構示意圖如圖6所示)，通過在相關檢測器的參考信號端施加方波信號，將方波信號與混有噪聲的輸入信號進行互相關運算，通過精確測量參考信號和輸入信號的延時，在FPGA內部數字延時補償相位使得兩路信號同相，以達到最高的檢測信噪比。

2.4　諧振頻率閉環跟蹤鎖定方案

實現陀螺轉動輸出是以2個從激光器中心頻率對CW和CCW諧振頻率的跟蹤鎖定為前提條件的，在FPGA內部采用數字PI控制器實現環路的光頻率控制，控制環路的跟蹤鎖定模型如圖7所示。順逆時針光路信號首先經探測器轉換成電信號，隨后經鎖相放大器實現相敏檢波轉換成直流信號，經低通濾波模塊輸出；再通過2個伺服控制器調節泵浦驅動電流實現2個從激光器的頻率控制，采用PI控制環節實現頻率的快速跟蹤鎖定，此時2個從激光器的拍頻偏差即為陀螺轉動輸出。

3　實驗測試系統搭建及性能測試

3.1　實驗測試系統搭建

設計并完成諧振式光子晶體陀螺信號檢測電路(如圖8所示)，主控制器采用Altera公司生產的Cyclone系列FPGA：EP2C20F484I8，該芯片集成18752個邏輯單元、234kbits RAM、52個Embedded Multiplier、以及4個pll，Maximum user I/O pins高達315個。信號檢測電路板主要實現2個從激光器分別與CW、CCW光路的頻差信號解調，2路拍頻信號的頻差探測、主激光器的恒溫恒流控制2個從激光器的閉環反饋控制，以及調制信號發生和陀螺數字編碼輸出等功能。

3.2　諧振曲線測試

對光子晶體光纖諧振腔進行了諧振曲線測試，具體通過FPGA控制DA實現驅動電流線性掃頻，測得諧振曲線如圖9所示。從圖9中可以看出：當激光器中心頻率位于諧振腔諧振頻率附近時，從探測器上可以觀測到明顯的諧振谷信號，諧振式光子晶體光纖陀螺正是根據諧振谷上的光強變化實現頻差檢測，從而實現陀螺轉速測試。

光子晶體光纖諧振腔清晰度表示如下

(5)

計算得到諧振腔的清晰度約為5。

3.3　諧振頻率閉環鎖定測試

通過采用本文提出的諧振頻率閉環反饋控制方案，實現光源中心頻率對諧振腔諧振頻率的快速跟蹤鎖定，實驗測試得到的頻率跟蹤鎖定過程如圖10所示。從圖10中可以看出：在頻率跟蹤鎖定前，探測器輸出電壓輸出為直流電平，進入諧振谷后根據諧振頻率偏差閉環反饋控制窄線寬半導體激光器的驅動控制電流，使激光器的中心頻率逐漸接近諧振頻率。在這一過程中探測器輸出電壓逐漸降低，最終穩定地降低到諧振谷底，完成了激光頻率對諧振腔諧振頻率的閉環鎖定控制。

4　結論

本文對諧振式光子晶體光纖陀螺的結構和信號檢測原理進行了詳細的敘述，確定了基于FPGA的陀螺信號檢測總體方案，陀螺信號處理及控制模塊主要由頻差信號解調、復合拍頻檢測、閉環反饋控制、數據編碼輸出以及調制信號模塊組成；隨后重點介紹了窄線寬半導體激光器的驅動控制方案，在調制解調及頻率偏差檢測方案上采用數字相敏檢波器實現頻率偏差檢測，在諧振頻率閉環跟蹤鎖定方案上采用數字PI控制器實現環路光頻率控制；最后進行了諧振式光子晶體光纖陀螺實驗測試系統搭建，以及諧振曲線測試和諧振頻率閉環鎖定測試，上述研究成果為諧振式光子晶體光纖陀螺原理樣機的搭建奠定了技術基礎和實驗支撐。

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