谐振式光子晶体光纤陀螺信号检测及处理技术研究

雷　明，于怀勇，李建华，方　圆，冯　喆

(北京自动化控制设备研究所，北京100074)

0　引言

谐振式光纤陀螺采用光纤环形谐振腔作为核心敏感部件，通过对Sagnac效应引起的频率偏差进行检测实现陀螺转速测试，光纤谐振腔性能直接决定陀螺极限精度，所需光纤长度远远短于同等检测精度的干涉式光纤陀螺，大大降低了环圈长度和陀螺体积，因此谐振式光纤陀螺在实现高精度和小型化方面具有突出优势[1-2]。

传统谐振式光纤陀螺采用实芯保偏光纤构建环形谐振腔，由于光在石英介质中传输时不可避免产生各种光学寄生效应，光纤应力双折射、传输损耗等容易受外界环境的影响，在陀螺系统中引入非线性克尔噪声、偏振噪声、背向散射噪声等非互易噪声[3]，导致陀螺输出漂移和性能劣化，严重制约了谐振式光纤陀螺的技术发展。光子晶体光纤是一种新型的微结构光纤，由于光子带隙效应使得光被限制在低折射率的空气纤芯中传播，可以从根本上抑制由导光介质缺陷引入的各种非互易噪声。研究表明光子晶体光纤的温度敏感度约为传统光纤的1/10，磁场敏感度仅为传统光纤的1/90，光学非线性效应仅为传统光纤的1/250[4]。用光子晶体光纤替代实芯保偏光纤构建谐振式光纤陀螺，一方面能够有效降低陀螺中的非互易噪声，改善谐振式光纤陀螺性能；另一方面由于光子晶体光纤的弯曲半径很小，能够实现小尺寸环圈加工，因此能够进一步降低光纤陀螺体积。上述技术特点使得谐振式光子晶体光纤陀螺逐渐成为未来光纤陀螺高精度、小型化发展的重要方向[5]。

Sagnac效应是一种极其微弱的效应[6-7]，1(°)/h的陀螺转动引起的谐振频率偏差低于1Hz，远远小于窄线宽激光器的输出频率漂移和光子晶体光纤谐振腔的谐振频率漂移，因此信号检测技术在谐振式光子晶体光纤陀螺中占有非常重要的地位。

本文对谐振式光子晶体光纤陀螺的结构和信号检测原理进行了详细的叙述，确定了基于FPGA的陀螺信号检测总体方案，陀螺信号处理及控制模块主要由频差信号解调、复合拍频检测、闭环反馈控制、数据编码输出以及调制信号模块组成；随后重点介绍了窄线宽半导体激光器的驱动控制方案，在调制解调及频率偏差检测方案上采用数字相敏检波器实现频率偏差检测，在谐振频率闭环跟踪锁定方案上采用数字PI控制器实现环路光频率控制；最后进行了谐振式光子晶体光纤陀螺实验测试系统搭建，以及谐振曲线测试和谐振频率闭环锁定测试，上述研究成果为谐振式光子晶体光纤陀螺原理样机的搭建奠定了技术基础和实验支撑。

1　谐振式光子晶体光纤陀螺原理

谐振式光子晶体光纤陀螺结构示意如图1所示[8-9]，主要由光路单元、信号检测及处理单元两部分组成。光路单元包括1个主激光器(ML)和2个从激光器(SL1、SL2)提供多路输入光信号；8个光纤耦合器(C1～C8)实现光路分光和耦合；2个集成光学相位调制器(PM1、PM2)实现顺逆时针光信号调制；光子晶体光纤谐振腔由空心光子晶体光纤绕制而成，是陀螺核心敏感部件，实现单个轴向转速敏感；4个光探测器(PD1～PD4)实现光电转换。信号检测及处理单元主要实现频差及拍频信号解调、谐振频率闭环反馈控制、激光器的高精度驱动控制、调制信号发生以及陀螺转速输出等功能。

在谐振式光纤陀螺中设定主激光器ML作为拍频基准信号，主要通过高精度恒温恒流控制将主激光器控制在特定的温度点和驱动电流点上实现基准频率输出，通过信号检测及处理单元将2个从激光器SL1和SL2分别跟踪锁定在谐振腔相邻的逆时针(CCW)和顺时针(CW)谐振频率上，使得CW和CCW光波存在一定的频率偏差，从而抑制背向散射噪声对陀螺性能的影响[10-11]。具体实现过程如下。

主激光器ML发出的激光经耦合器C2分成两束作为拍频基准光，从激光器SL1发出的激光经耦合器C1分成两束，其中一束光与ML进行拍频，得到SL1与ML之间的频差后进入PD1；另一束光经PM1调制后，再经耦合器C6和耦合器C8后进入光子晶体光纤谐振腔，形成CCW光束，经腔内多圈传输后从耦合器C7输出至PD4，信号检测及处理单元根据PD4解调得到SL1与CCW谐振频差。同理，信号检测及处理单元根据PD2得到SL2与ML之间的拍频频差，根据PD3解调得到SL2与CW谐振频差。静止时，2个拍频信号恒定，而当陀螺发生转动时，CW和CCW谐振频率发生偏移，频率偏差大小受转速大小影响，2个拍频频率发生同等程度的偏移，因此通过拍频频率的变化得到陀螺的转动方向和转速大小。

2　谐振式光子晶体光纤陀螺信号检测电路设计及实现

2.1　信号检测总体方案

谐振式光子晶体陀螺的信号检测原理如图2所示，分别根据SL1、SL2与ML之间的拍频信号fm_s1和fm_s2反馈控制2个从激光器的中心频率，使二者频差为FSR左右。然后根据频差解调信号锁定SL1的中心频率到CW光路谐振频率点fR_CW，同时锁定SL2的中心频率到CCW光路谐振频率点fR_CCW。当陀螺静止时，fR_CW-fR_CCW=fm_s1-fm_s2=FSR；而当陀螺发生转动后，根据Sagnac效应，顺逆时针光路谐振频率发生相向变化而使得Δf=fR_CW-fR_CCW≠FSR，此时满足fm_s1-fm_s2=FSR-Δf。由于FSR为常数，因此根据fm_s1和

fm_s2即可求得Δf，而Δf与陀螺转速成线性关系。因此通过检测频差Δf即可实现陀螺转速测试。陀螺长时间测试过程中，外界环境的缓慢变化会引起ML的中心频率发生漂移，而此时的拍频信号fm_s1和fm_s2均发生同方向、等大小的改变，拍频之差并不随外界环境的变化而变化，因此采用检测方案不影响对频差Δf的检测。

设计采用单片FPGA实现陀螺信号的处理及控制，信号处理及控制模块的结构如图3所示，主要包括：频差信号解调、复合拍频检测、闭环反馈控制、数据编码输出以及调制信号模块。

调制信号模块产生调制信号经D/A转换后，作用于相位调制器上实现光波信号调制。CW和CCW光路信号分别由PD3和PD4转换为电信号，经A/D转换器转换为数字信号，随后进入FPGA进行信号处理及控制。频差信号解调模块分别实现SL1中心频率与CW光路谐振频率、SL2中心频率与CCW光路谐振频率之间的偏差检测，产生频差信号；复合拍频检测模块分别实现SL1、SL2与ML之间的频率偏差检测，产生拍频信号。根据频差信号和拍频信号，经闭环反馈控制模块分别产生2个从激光器的闭环反馈信号，经D/A转换器转换成模拟信号，经驱动控制模块作用于2个从激光器的驱动电流端，实现SL1、SL2中心频率对CW、CCW谐振频率的跟踪锁定。而主激光器作为2个从激光器的频率参考基准也需要闭环反馈控制模块提供高精度的驱动控制，最后根据复合拍频检测模块求得的2个拍频信号频率偏差，经数据编码输出模块将陀螺数据以串行方式输出，实现陀螺转速测试。

2.2　窄线宽半导体激光器驱动控制方案

采用3只窄线宽半导体激光器作为谐振式光子晶体光纤陀螺用光源，激光器频率特性不仅受管芯输出光谱线宽、频率噪声等参数指标的影响，同时还受限于激光器的驱动控制方案，最终影响陀螺性能。图4所示为窄线宽半导体激光器驱动控制方案，采用凌特公司电流源LT3092作为驱动电流控制芯片，内部10μA电流源精度为1%。输出恒流大小由R3和R4电阻的比值确定，最大输出电流可达200mA， 控制电流由控制电压与电阻R5阻值决定，通过设定R5阻值实现驱动电流控制范围和控制精度的调谐。

2.3　调制解调及频率偏差检测方案

采用三角波作为相位调制信号，当激光器中心频率与谐振腔谐振频率存在Δf的偏差时，输出方波的幅值ΔID可表示为：

ΔID=IA-IB

(1)

Q=Q′e-Δωτ

(2)

(3)

Δω=2πδf

(4)

其中，IA和IB分别为两侧调制光强，I0为光子晶体谐振腔的入腔光强，Q为光场在谐振腔中传输一周的传输系数，αc和κ分别为谐振腔耦合器的插入损耗和耦合系数，αL为谐振腔的总传输损耗，δf为激光器的谱线宽度，τ=nL/c为渡越时间，n是谐振腔的折射率，fFM为相位调制产生的偏置频率。

给定三角波频率为50kHz，单方向频率偏置为fFM=100kHz，那么零频差附近输出光强方波幅值ΔID与输入谐振腔光强I0之比随频率偏差量Δf变化的关系仿真曲线如图5所示，其中输出光强比值的正负符号表示频率偏移的方向。可见，在谐振频率点(Δf=0)附近存在很好的近似线性单调变化区间，作为谐振式光子晶体光纤陀螺的工作区间，如图5中阴影区域所示。

采用数字相敏检波器实现频率偏差检测(相敏检波器结构示意图如图6所示)，通过在相关检测器的参考信号端施加方波信号，将方波信号与混有噪声的输入信号进行互相关运算，通过精确测量参考信号和输入信号的延时，在FPGA内部数字延时补偿相位使得两路信号同相，以达到最高的检测信噪比。

2.4　谐振频率闭环跟踪锁定方案

实现陀螺转动输出是以2个从激光器中心频率对CW和CCW谐振频率的跟踪锁定为前提条件的，在FPGA内部采用数字PI控制器实现环路的光频率控制，控制环路的跟踪锁定模型如图7所示。顺逆时针光路信号首先经探测器转换成电信号，随后经锁相放大器实现相敏检波转换成直流信号，经低通滤波模块输出；再通过2个伺服控制器调节泵浦驱动电流实现2个从激光器的频率控制，采用PI控制环节实现频率的快速跟踪锁定，此时2个从激光器的拍频偏差即为陀螺转动输出。

3　实验测试系统搭建及性能测试

3.1　实验测试系统搭建

设计并完成谐振式光子晶体陀螺信号检测电路(如图8所示)，主控制器采用Altera公司生产的Cyclone系列FPGA：EP2C20F484I8，该芯片集成18752个逻辑单元、234kbits RAM、52个Embedded Multiplier、以及4个pll，Maximum user I/O pins高达315个。信号检测电路板主要实现2个从激光器分别与CW、CCW光路的频差信号解调，2路拍频信号的频差探测、主激光器的恒温恒流控制2个从激光器的闭环反馈控制，以及调制信号发生和陀螺数字编码输出等功能。

3.2　谐振曲线测试

对光子晶体光纤谐振腔进行了谐振曲线测试，具体通过FPGA控制DA实现驱动电流线性扫频，测得谐振曲线如图9所示。从图9中可以看出：当激光器中心频率位于谐振腔谐振频率附近时，从探测器上可以观测到明显的谐振谷信号，谐振式光子晶体光纤陀螺正是根据谐振谷上的光强变化实现频差检测，从而实现陀螺转速测试。

光子晶体光纤谐振腔清晰度表示如下

(5)

计算得到谐振腔的清晰度约为5。

3.3　谐振频率闭环锁定测试

通过采用本文提出的谐振频率闭环反馈控制方案，实现光源中心频率对谐振腔谐振频率的快速跟踪锁定，实验测试得到的频率跟踪锁定过程如图10所示。从图10中可以看出：在频率跟踪锁定前，探测器输出电压输出为直流电平，进入谐振谷后根据谐振频率偏差闭环反馈控制窄线宽半导体激光器的驱动控制电流，使激光器的中心频率逐渐接近谐振频率。在这一过程中探测器输出电压逐渐降低，最终稳定地降低到谐振谷底，完成了激光频率对谐振腔谐振频率的闭环锁定控制。

4　结论

本文对谐振式光子晶体光纤陀螺的结构和信号检测原理进行了详细的叙述，确定了基于FPGA的陀螺信号检测总体方案，陀螺信号处理及控制模块主要由频差信号解调、复合拍频检测、闭环反馈控制、数据编码输出以及调制信号模块组成；随后重点介绍了窄线宽半导体激光器的驱动控制方案，在调制解调及频率偏差检测方案上采用数字相敏检波器实现频率偏差检测，在谐振频率闭环跟踪锁定方案上采用数字PI控制器实现环路光频率控制；最后进行了谐振式光子晶体光纤陀螺实验测试系统搭建，以及谐振曲线测试和谐振频率闭环锁定测试，上述研究成果为谐振式光子晶体光纤陀螺原理样机的搭建奠定了技术基础和实验支撑。

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