諧振式光學(xué)陀螺頻率鎖定技術(shù)與FPGA實(shí)現(xiàn).pdf

1、諧振式光學(xué)陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的高精度的新型角速度傳感器，其敏感器件光學(xué)環(huán)形諧振腔可以采用很短的光纖或集成光學(xué)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而在小型化和集成化上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在諧振式光學(xué)陀螺中，通過(guò)檢測(cè)諧振腔順時(shí)針和逆時(shí)針光路的諧振頻率差得到角速率。實(shí)際光學(xué)器件如激光器、諧振腔受溫度和應(yīng)力等環(huán)境因素的影響，會(huì)在環(huán)路中引入各種互易性噪聲，而Sagnac效應(yīng)引起的順時(shí)針和逆時(shí)針諧振頻率的改變是非互易的，并且極其微弱。因此，諧振式光學(xué)陀螺的調(diào)制

2、解調(diào)方式必須至少鎖定其中一個(gè)方向傳播的光波，利用頻率伺服回路使激光器的輸出光頻率始終處于諧振狀態(tài)，通過(guò)間接探測(cè)另一方向傳播光波與激光器頻差來(lái)得到角速度，頻率跟蹤鎖定技術(shù)將直接影響陀螺實(shí)際檢測(cè)精度。一方面需要建立良好的頻率跟蹤鎖定回路以降低互易性噪聲的影響；同時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)精度的最終實(shí)現(xiàn)直接依賴于處理電路精度?；谏鲜鲅芯勘尘埃疚膶?duì)腔長(zhǎng)為7.9 cm光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔為核心敏感元件的諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)，對(duì)激光器頻率鎖定回路分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在

3、單片F(xiàn)PGA上設(shè)計(jì)并研制了數(shù)字化處理電路，包括數(shù)字化LIA以及PI控制器為核心的頻率伺服回路，并完成了整個(gè)陀螺系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。具體來(lái)說(shuō)，本文主要開(kāi)展了如下研究工作：
　　 通過(guò)分析回路中各種互易性噪聲特性及其傳遞規(guī)律，將激光器、環(huán)形諧振腔、光電探測(cè)器到鎖相解調(diào)模塊中的單位增益解調(diào)電路看作一整體，其數(shù)學(xué)模型等效為—可變?cè)鲆鍷，利用該可變?cè)鲆娼⒘撕?jiǎn)化的等效頻率鎖定環(huán)路模型；利用建立的頻率鎖定回路及噪聲傳遞模型，提出用改進(jìn)型的比例積

4、分控制器構(gòu)成頻率伺服反饋環(huán)節(jié)，消除了環(huán)路中存在的階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差，減小了互易性噪聲；分析了環(huán)路的捕捉特性和跟蹤特性，優(yōu)化了反饋參數(shù)，提高了頻率鎖定精度。
　　 由于模擬器件本身固有的1/f噪聲和溫度等引起的漂移噪聲，尤其是乘法器引入的此類噪聲會(huì)限制模擬鎖相放大器的檢測(cè)精度。本論文提出了一種基于CORDIC算法的數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計(jì)方案，并將數(shù)字化處理電路包含數(shù)字鎖相放大器和PI控制器構(gòu)成的頻率伺服回路在單片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)，避免了

5、模擬器件自身的1/f噪聲和溫度等引起的漂移噪聲。測(cè)試表明，研制的數(shù)字LIA最小可檢測(cè)信號(hào)45 nV，對(duì)應(yīng)諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)峰峰值波動(dòng)信號(hào)為0.03°/s；PI控制器構(gòu)成的頻率伺服回路精度為0.02°/s，階躍響應(yīng)時(shí)間60 ms。
　　 在上述分析和電路研制的基礎(chǔ)上，對(duì)基于調(diào)相譜檢測(cè)技術(shù)的諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的測(cè)試，并對(duì)陀螺靜止時(shí)的輸出波動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，在10s的積分時(shí)間參數(shù)下，零偏約—12°/s，閾值精度0.1