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)重點實驗室，北京 100190)

光纖陀螺光路功率是指到達探測器的有效功率，受光源出纖功率、耦合器、Y 波導、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行實時補償，以上兩種方式都需要對光路功率進行監(jiān)測，作為故障診斷和備份措施實施的依據(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光電探測器，然后通過運算放大器及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]，其中方案一應用最為成熟，但是需要增加一系列硬件甚至是光學器件，因此不利于光纖陀螺小型化發(fā)展。

本文設(shè)計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)，通過一種獨特的調(diào)制、解調(diào)方式在完成正常閉環(huán)工作的同時實現(xiàn)光功率監(jiān)測。該技術(shù)實現(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)化為干涉光的強度，通過對光強信號的檢測感知轉(zhuǎn)速，光強與角速率Ω之間的關(guān)系如下式所示。

其中，I0為入射光光強，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為順時針方向傳播的光受到的偏置調(diào)制相位波形，ΦBCCW為逆時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調(diào)制波形及探測器輸出波形對應關(guān)系如圖1所示。兩個二態(tài)調(diào)制半周期τ（渡越時間）對應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，即將直流量進行剔除，到達AD 轉(zhuǎn)換器的信號為交流信號，則解調(diào)后對應光功率數(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)下無法實時獲取光功率值。

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τ中一般有兩個狀態(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)制串擾等場合[7-10]。

圖2 (a)傳統(tǒng)四態(tài)方波調(diào)制(b)對應探測器輸出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調(diào)制波形及探測器輸出的波形對應關(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，分為四個調(diào)制相位狀態(tài)，依次為+π/4、+ 3 π/4、-π/4、-3 π/4，每個狀態(tài)持續(xù)時間為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 拍均對應光纖陀螺的光功率值，而D 拍、H 拍則對應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)測實現(xiàn)

四分頻四態(tài)方波調(diào)制方式可以同時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，只是對響應帶寬造成一定影響。由于光纖陀螺渡越時間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，因此即便長時間工作在8τ的閉環(huán)周期下對于帶寬影響很小。

本方案實際實現(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，同時開始計時，計時時長可根據(jù)實際需要設(shè)定，當?shù)竭_該時間后進行光功率自檢，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)制時序產(chǎn)生功能

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

圖5 四分頻四態(tài)調(diào)制解調(diào)典型時序信號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)制時序主要包括四態(tài)控制寄存器 State_ctrl[1:0]、采點選通信號signal_acq1～signal_acq8，用于確定調(diào)制施加的時機和解調(diào)過程中數(shù)據(jù)采集的時機，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；Signal_tao2 為二態(tài)方波調(diào)制解調(diào)完成的標志，周期為2τ；State_ctrl[1:0]為四分頻四態(tài)調(diào)制狀態(tài)寄存器，控制和指示四個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；Signal_acq1～Signal_acq8 為解調(diào)過程采點選通信號，控制各狀態(tài)采點位置和個數(shù)。

2.2 模式切換控制功能

模式切換控制功能基于狀態(tài)機實現(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，主要包括運行時間的監(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)生的時序信號的控制下實現(xiàn)角速率信息和光功率信息的解調(diào)，該部分狀態(tài)機的切換如圖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)測方法驗證

本方法在典型中等精度光纖陀螺產(chǎn)品上進行了試驗，為了簡化計算過程，將陀螺放置于具有獨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證為例，驗證中設(shè)定切換時長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

實驗中設(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，標準差體現(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)品的響應來完成。由于光纖陀螺本身帶寬較高，一般為KHz 量級，但是應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、實際采集設(shè)備采集速率有限，本驗證環(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，驗證四分頻四態(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，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，同時不影響光纖陀螺精度、帶寬等典型性能指標，可以進一步推廣應用。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)實現(xiàn)，當應用于檢測電路同時完成多路光路調(diào)制解調(diào)功能的場景或其他更復雜場景時需要進行適應性修改。