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谐振式光纤陀螺数字系统设计

资 源 简 介

光纤陀螺是基于Sagnac效应的高精度惯性角速度传感器，在传感技术领域占有重要的地位。谐振式光纤陀螺(R—FOG)相比于目前发展已比较成熟的干涉式光纤陀螺，在小型化方面具有独特的优势。由于Sagnac效应是一种极其微弱的效应，信号检测技术在R—FOG中占有十分重要的地位。基于数字电路的检测系统相比于模拟电路具有体积小、灵活性高、抗干扰能力强、处理速度快等优点。因此，检测处理电路的数字化是谐振式光纤陀螺实现小型化、高精度的发展趋势。论文以FPGA为核心硬件单元，设计并实现了基于正负斜率锯齿波组合相位调制的谐振式光纤陀螺数字闭环系统。设计使用全数字信号处理技术并将系统在单片FPGA上实现，为谐振式光纤陀螺的小型化提供了一条发展途径。 　　 信号检测电路从功能上可分为调制、解调、反馈三个模块。(1)调制模块：建立了基于正负斜率组合数字锯齿波相位调制技术的系统方案，分析了信号检测原理，并针对陀螺系统对背向散射噪声的抑制要求，提出了调制波形参数的选取原则；(2)解调模块：配合正负斜率组合数字锯齿波的调制方案，设计了用于解调光电探测器输出信号的数字锁相放大器，实现了120nV的检测精度；(3)反馈模块：主要包括PI反馈控制、锯齿波2π复位电压反馈控制和第二闭环反馈控制三部分的设计和实现。由于Sagnac效应非常微弱，且激光器中心频率和光纤环形谐振腔谐振频率易受环境、温度等因素的影响，为了检测反映陀螺转动的频差信号，需要首先将激光器中心频率锁定在谐振腔的谐振频率之上。PI控制器是激光器锁频环路的重要组成部分。采用PI反馈控制，能够有效地消除稳态误差，减小陀螺输出漂移。论文设计并实现了基于FPGA的数字PI控制器，并提出了提高反馈控制精度的FPGA实现算法，实现了对应角速度为8.7°/h的控制精度。针对非理想锯齿波复位电压给系统检测精度带来的影响，利用光纤环形谐振腔对不同大小复位电压的不同响应，设计了2π复位电压反馈控制电路，有效地将锯齿波复位电压控制在相位调制器的全波电压。利用在调制锯齿波上叠加等效移频锯齿波反馈控制相位调制器的方法，设计实现了陀螺检测系统的第二闭环控制。 　　 此外，为了增加陀螺系统调试和数据处理的灵活性，设计了基于FPGA的通信控制系统，实现了陀螺检测系统和计算机之间的通信和控制。 　　 利用上述研制的基于FPGA的闭环数字系统，结合谐振式光纤陀螺光路系统进行了联合调试，对陀螺输出波动进行了连续2个小时的测试，陀螺精度159.3°/h(1σ，2小时)。

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