基于四分頻四態(tài)調(diào)制的光纖陀螺光路功率監(jiān)測方法

趙亞飛，李 勇，張宇飛，滕 飛，劉保林

(1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

光纖陀螺光路功率是指到達(dá)探測器的有效功率，受光源出纖功率、耦合器、Y 波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器等多器件影響，決定了光纖陀螺信噪比，對零偏穩(wěn)定性等性能影響較大?？臻g飛行器用光纖陀螺一般面臨著嚴(yán)苛的空間輻照環(huán)境，從而帶來光源等器件性能的惡化[1,2]。工程上一般采用主備份光源方式增加可靠性[3]，即當(dāng)光源出纖功率下降到一定程度后切換為備份光源；還可采用光源自動控制方式對光路功率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以上兩種方式都需要對光路功率進(jìn)行監(jiān)測，作為故障診斷和備份措施實(shí)施的依據(jù)。

目前常用的光路功率監(jiān)測方法有兩類。一是在光電探測器后端并聯(lián)一條檢測支路或者在光源連接的耦合器空頭端熔接另一個(gè)光電探測器，然后通過運(yùn)算放大器及A/D 轉(zhuǎn)換器間接獲取光功率；二是采用SLD兩端電壓監(jiān)測來獲取器件的出纖功率[4]，其中方案一應(yīng)用最為成熟，但是需要增加一系列硬件甚至是光學(xué)器件，因此不利于光纖陀螺小型化發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種基于四分頻四態(tài)方波調(diào)制的光路功率監(jiān)測技術(shù)，通過一種獨(dú)特的調(diào)制、解調(diào)方式在完成正常閉環(huán)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)光功率監(jiān)測。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單、無需增加硬件、占用資源少、不引入干擾。

1 四分頻四態(tài)調(diào)制獲取光功率原理

1.1 傳統(tǒng)二態(tài)方波調(diào)制解調(diào)原理

目前廣泛采用的光纖陀螺是基于Sagnac 效應(yīng)的干涉型角速率測量裝置，即將光纖陀螺繞輸入軸的轉(zhuǎn)速最終轉(zhuǎn)化為干涉光的強(qiáng)度，通過對光強(qiáng)信號的檢測感知轉(zhuǎn)速，光強(qiáng)與角速率Ω之間的關(guān)系如下式所示。

其中，I0為入射光光強(qiáng)，L為光纖環(huán)長度，D為光纖環(huán)等效直徑，λ為光的波長，c為光在真空中的傳播速度，Ω為輸入角速率。

(1)傳統(tǒng)二態(tài)方波調(diào)制

光纖陀螺目前多采用全數(shù)字閉環(huán)方案，基于二態(tài)方波調(diào)制解調(diào)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微弱信號的檢測[5]。為了獲取最大靈敏度一般采用±π /2，在高精度光纖陀螺中也采用 ±3 π /4或 ±7 π /8等深度調(diào)制方式以獲得更高的信噪比。二態(tài)方波調(diào)制波形（以±π /2為例）如圖1(a)所示，其中Dn為施加的數(shù)字調(diào)制量，ΦBCW為順時(shí)針方向傳播的光受到的偏置調(diào)制相位波形，ΦBCCW為逆時(shí)針方向傳播的光受到的偏置調(diào)制相位波形，ΦB為經(jīng)過偏置調(diào)制后兩束相向傳播光之間的調(diào)制相位差。

圖1 (a)二態(tài)方波調(diào)制(b)探測器輸出Fig.1 (a)Two-state square wave modulation (b)Detector output

(2)傳統(tǒng)二態(tài)方波調(diào)制下解調(diào)過程

±π /2二態(tài)方波調(diào)制下無角速率輸入時(shí)調(diào)制波形及探測器輸出波形對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。兩個(gè)二態(tài)調(diào)制半周期τ（渡越時(shí)間）對應(yīng)光功率分別如下式所示。

由于全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺在PINFET 輸出端一般采用隔直方案，即將直流量進(jìn)行剔除，到達(dá)AD 轉(zhuǎn)換器的信號為交流信號，則解調(diào)后對應(yīng)光功率數(shù)字量為:

其中K為光路功率、前向通道增益、AD 轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積。

如圖1(b)所示D(x1)-D(x2)為對應(yīng)光纖陀螺的角速率誤差值，即解調(diào)數(shù)字量。積分后為對應(yīng)輸入角速率值，即二態(tài)方波調(diào)制解調(diào)結(jié)果耦合了光路功率和角速率，是一個(gè)綜合性結(jié)果。由于在正常閉環(huán)工作狀態(tài)下，輸入相位差是反饋相位和輸入角速率帶來的非互易相位的代數(shù)和，接近于0，因此即閉環(huán)情況下解調(diào)結(jié)果不受光功率與前向通道增益的影響。因此傳統(tǒng)二態(tài)方波調(diào)制方式閉環(huán)狀態(tài)下無法實(shí)時(shí)獲取光功率值。

1.2 傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制解調(diào)原理

(1)傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制

傳統(tǒng)的四態(tài)方波調(diào)制方式中調(diào)制信號的周期依然為2τ，每個(gè)τ中一般有兩個(gè)狀態(tài)，調(diào)制方波波形（以+π/4、+ 3π/4、-π/4、-3 π/4 為例）如下圖所示，該調(diào)制方式由于其特殊性，常被用于2π 電壓快速閉環(huán)[6]、干涉儀誤差量測量、抑制調(diào)制串?dāng)_等場合[7-10]。

圖2 (a)傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制(b)對應(yīng)探測器輸出Fig.2 (a)Traditional four-state square wave modulation(b)Corresponding detector output

(2)傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制下解調(diào)過程

傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制下無角速率輸入時(shí)調(diào)制波形及探測器輸出的波形對應(yīng)關(guān)系如圖2所示[11]。

通過傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制方式可以解調(diào)出轉(zhuǎn)速D(ω)和復(fù)位誤差D△2π。

由上式可知，傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制解調(diào)結(jié)果耦合了角速率值或2π 電壓，且閉環(huán)情況下不受光功率影響，因此無法獲取光功率值。

1.3 四分頻四態(tài)方波調(diào)制解調(diào)原理

(1)四分頻四態(tài)方波調(diào)制

本文設(shè)計(jì)了四分頻四態(tài)方波調(diào)制方式，調(diào)制方波頻率為光纖陀螺本征頻率的四分頻，即周期為8τ，分為四個(gè)調(diào)制相位狀態(tài)，依次為+π/4、+ 3 π/4、-π/4、-3 π/4，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為2τ。調(diào)制信號波形如圖3(a)所示。

圖3 (a)四分頻四態(tài)方波調(diào)制 (b)對應(yīng)探測器輸出Fig.3 (a)Quad-frequency and quad-state square wave modulation (b)Corresponding detector output

(2)四分頻四態(tài)方波調(diào)制下解調(diào)過程

采用四分頻四態(tài)調(diào)制方式的調(diào)制波形和探測器輸出波形在無角速率輸入的狀態(tài)下關(guān)系如圖3(b)所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)采用B 拍和F 拍效果為±π/2 調(diào)制，則根據(jù)光纖陀螺基本原理可知,D(B)-D(F)即可獲得陀螺的角速率誤差，通過積分即可獲取陀螺的角速率值；經(jīng)過歸一化后可以發(fā)現(xiàn)A 拍、C 拍、E 拍、G 拍均對應(yīng)光纖陀螺的光功率值，而D 拍、H 拍則對應(yīng)光纖陀螺的零功率值，因此通過公式D(A)+D(E)-D(D)-D(H)即可間接獲得光纖陀螺的光功率值P，且該光功率和角速率無關(guān)。

2 有效光功率自主監(jiān)測實(shí)現(xiàn)

四分頻四態(tài)方波調(diào)制方式可以同時(shí)獲取光功率和角速率數(shù)據(jù)，只是角速率閉環(huán)周期由原來的2τ變成了8τ，由于單次解調(diào)使用的有效數(shù)據(jù)相同，基本不影響精度，只是對響應(yīng)帶寬造成一定影響。由于光纖陀螺渡越時(shí)間τ一般為1 μs～25 μs，而數(shù)據(jù)使用周期一般為10 ms 以上量級，因此即便長時(shí)間工作在8τ的閉環(huán)周期下對于帶寬影響很小。

本方案實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中為了最大程度上保證光纖陀螺自身閉環(huán)的有效性，對軟件流程進(jìn)行了充分考慮，在正常的光纖陀螺閉環(huán)程序中加入了光功率自主監(jiān)測代碼，具體流程框圖如圖4所示。

圖4 光功率自主監(jiān)測的軟件流程Fig.4 Software workflow for autonomous monitoring of optical power

圖4中，虛線框內(nèi)為原有光纖陀螺正常軟件流程，包括產(chǎn)品狀態(tài)自檢，正常閉環(huán)過程等，新加入的為下方的功率自檢模塊。運(yùn)行過程中，光纖陀螺在完成正常啟動后工作在正常二態(tài)調(diào)制閉環(huán)狀態(tài)下，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)長可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，當(dāng)?shù)竭_(dá)該時(shí)間后進(jìn)行光功率自檢，自檢完成后將光功率數(shù)字量打包到對外發(fā)送的數(shù)據(jù)上下傳，并轉(zhuǎn)入正常閉環(huán)程序中。

光功率自檢模塊主要包括四分頻四態(tài)調(diào)制時(shí)序產(chǎn)生功能、模式切換控制功能、四分頻四態(tài)調(diào)制解調(diào)功能、數(shù)據(jù)打包發(fā)送功能等幾部分。

2.1 四分頻四態(tài)調(diào)制時(shí)序產(chǎn)生功能

四分頻四態(tài)調(diào)制時(shí)序需要和光纖陀螺本身的二態(tài)調(diào)制時(shí)序兼容。

圖5 四分頻四態(tài)調(diào)制解調(diào)典型時(shí)序信號Fig.5 typical timing signal of quad-frequency and quad-state modulation and demodulation

如圖5所示，四分頻四態(tài)調(diào)制時(shí)序主要包括四態(tài)控制寄存器 State_ctrl[1:0]、采點(diǎn)選通信號signal_acq1～signal_acq8，用于確定調(diào)制施加的時(shí)機(jī)和解調(diào)過程中數(shù)據(jù)采集的時(shí)機(jī)，其中Signal_fb 為正常二態(tài)方波調(diào)制控制信號，Signal_fd 為解調(diào)控制信號，二者周期為2τ，Signal_fd 相對于Signal_fb 考慮了AD和DA 器件的轉(zhuǎn)換延時(shí)；Signal_tao2 為二態(tài)方波調(diào)制解調(diào)完成的標(biāo)志，周期為2τ；State_ctrl[1:0]為四分頻四態(tài)調(diào)制狀態(tài)寄存器，控制和指示四個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；Signal_acq1～Signal_acq8 為解調(diào)過程采點(diǎn)選通信號，控制各狀態(tài)采點(diǎn)位置和個(gè)數(shù)。

2.2 模式切換控制功能

模式切換控制功能基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，如下圖所示，在完成自檢之后主要是二態(tài)方波調(diào)制和四分頻四態(tài)調(diào)制方式之間的切換，主要包括運(yùn)行時(shí)間的監(jiān)控和自檢次數(shù)的監(jiān)控，涉及到參數(shù)n和m的設(shè)定。

圖6 模式切換控制狀態(tài)機(jī)圖示Fig.6 Diagram of state machine of mode-control

2.3 四分頻四態(tài)調(diào)制解調(diào)功能

本部分功能主要是在2.1 中產(chǎn)生的時(shí)序信號的控制下實(shí)現(xiàn)角速率信息和光功率信息的解調(diào)，該部分狀態(tài)機(jī)的切換如圖7所示。

圖7 四分頻四態(tài)調(diào)制解調(diào)狀態(tài)機(jī)圖示Fig.7 Diagram of state machine of quad-frequency and quad-state modulation and demodulation

2.4 數(shù)據(jù)打包發(fā)送功能

本部分功能主要是將光功率信息和角速率信息打包成一個(gè)數(shù)據(jù)包按照設(shè)定的波特率發(fā)送出去。為了產(chǎn)品接口的一致性，需要對軟件部分發(fā)送的字節(jié)數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在原有陀螺速率等有效字節(jié)數(shù)基礎(chǔ)上增加3 個(gè)字節(jié)表征光功率，兩次更新之間保持上一次的值不變。

3 有效光功率自主監(jiān)測方法驗(yàn)證

本方法在典型中等精度光纖陀螺產(chǎn)品上進(jìn)行了試驗(yàn)，為了簡化計(jì)算過程，將陀螺放置于具有獨(dú)立地基的大理石平臺上保證單一變量（角速率ω），然后改變光源驅(qū)動電路中恒流的電流值，從而達(dá)到改變陀螺光源輸出光功率的效果。以中等精度光纖陀螺驗(yàn)證為例，驗(yàn)證中設(shè)定切換時(shí)長n=100 s，自檢次數(shù)m=10 次，即每隔100 s 自檢10 次，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

3.1 光功率監(jiān)測功能測試

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定典型光源驅(qū)動電流值，探測器跨阻200 KΩ，獲取的對應(yīng)的數(shù)字量如表1所示。

表1 光功率監(jiān)測功能測試結(jié)果Tab.1 Test results of monitoring function of optical power

圖8 光功率監(jiān)測實(shí)測D-P 曲線Fig.8 D-P curve of optical power monitoring

根據(jù)表1和圖8可知，解調(diào)數(shù)字量和光路功率呈線性關(guān)系，可以用于表征光纖陀螺的光功率。其中擬合曲線的斜率體現(xiàn)檢測的分辨率，標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)檢測的精度。

可得檢測分辨率:

可得檢測精度:

3.2 光纖陀螺性能測試

（1）零偏穩(wěn)定性測試

采用典型中等精度光纖陀螺儀產(chǎn)品，零偏穩(wěn)定性≤0.01 °/h（1 σ，100 s），設(shè)置若干典型離散光源驅(qū)動電流值，采用本方案的光纖陀螺精度測試結(jié)果如下表所示。從結(jié)果可知，由于采用了間歇性四分頻四態(tài)調(diào)制方案（每100 s 常規(guī)二態(tài)調(diào)制后120 μs 四分頻四態(tài)調(diào)制模式），因此實(shí)際測試結(jié)果表明該使用方式下對光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性基本無影響，滿足使用要求。

表2 帶光功率監(jiān)測功能性能測試結(jié)果（靜態(tài)）Tab.2 Test results of performance with monitoring function of optical power(static)

（2）帶寬測試

光纖陀螺的帶寬測試一般通過角振動臺模擬輸入，然后測試產(chǎn)品的響應(yīng)來完成。由于光纖陀螺本身帶寬較高，一般為KHz 量級，但是應(yīng)用中采樣周期一般在50 Hz 以下，并且限于角振動臺給出的信號頻率較低、實(shí)際采集設(shè)備采集速率有限，本驗(yàn)證環(huán)節(jié)采用50 Hz 角振動頻率作為最大輸入，衡量產(chǎn)品在50 Hz及以下頻段的響應(yīng)，驗(yàn)證四分頻四態(tài)調(diào)制方式對帶寬的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 帶光功率監(jiān)測功能性能測試結(jié)果（帶寬）Tab.3 test results of performance with monitoring function of optical power(bandwidth)

由表3可知，含有四分頻四態(tài)調(diào)制方案在50Hz以下典型頻率的應(yīng)用中對于光纖陀螺的帶寬無影響，滿足正常使用。

4 結(jié) 論

通過采用基于四分頻四態(tài)調(diào)制方案，可以很好地完成光纖陀螺有效光功率自主監(jiān)測功能，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，在典型中等精度光纖陀螺用200 KΩ 跨阻探測器輸入功率0～25 μW 范圍時(shí)，可以獲取優(yōu)于0.5 nW的檢測分辨率和優(yōu)于20 nW 的檢測精度，動態(tài)范圍優(yōu)于49 dB，同時(shí)不影響光纖陀螺精度、帶寬等典型性能指標(biāo)，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。由于本產(chǎn)品為單通道中等精度光纖陀螺儀，其軟件也基于單通道調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)用于檢測電路同時(shí)完成多路光路調(diào)制解調(diào)功能的場景或其他更復(fù)雜場景時(shí)需要進(jìn)行適應(yīng)性修改。