基于FPGA的諧振式光纖陀螺數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).pdf

1、光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的高精度慣性角速度傳感器，在傳感技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位。諧振式光纖陀螺(R—FOG)相比于目前發(fā)展已比較成熟的干涉式光纖陀螺，在小型化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于Sagnac效應(yīng)是一種極其微弱的效應(yīng)，信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在R—FOG中占有十分重要的地位?；跀?shù)字電路的檢測(cè)系統(tǒng)相比于模擬電路具有體積小、靈活性高、抗干擾能力強(qiáng)、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，檢測(cè)處理電路的數(shù)字化是諧振式光纖陀螺實(shí)現(xiàn)小型化、高精度的發(fā)展趨勢(shì)。論文以

2、FPGA為核心硬件單元，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于正負(fù)斜率鋸齒波組合相位調(diào)制的諧振式光纖陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)使用全數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)并將系統(tǒng)在單片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)，為諧振式光纖陀螺的小型化提供了一條發(fā)展途徑。
　　 信號(hào)檢測(cè)電路從功能上可分為調(diào)制、解調(diào)、反饋三個(gè)模塊。(1)調(diào)制模塊：建立了基于正負(fù)斜率組合數(shù)字鋸齒波相位調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)方案，分析了信號(hào)檢測(cè)原理，并針對(duì)陀螺系統(tǒng)對(duì)背向散射噪聲的抑制要求，提出了調(diào)制波形參數(shù)的選取原則；(2)解調(diào)模塊

3、：配合正負(fù)斜率組合數(shù)字鋸齒波的調(diào)制方案，設(shè)計(jì)了用于解調(diào)光電探測(cè)器輸出信號(hào)的數(shù)字鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)了120nV的檢測(cè)精度；(3)反饋模塊：主要包括PI反饋控制、鋸齒波2π復(fù)位電壓反饋控制和第二閉環(huán)反饋控制三部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。由于Sagnac效應(yīng)非常微弱，且激光器中心頻率和光纖環(huán)形諧振腔諧振頻率易受環(huán)境、溫度等因素的影響，為了檢測(cè)反映陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)的頻差信號(hào)，需要首先將激光器中心頻率鎖定在諧振腔的諧振頻率之上。PI控制器是激光器鎖頻環(huán)路的重要組成部

4、分。采用PI反饋控制，能夠有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差，減小陀螺輸出漂移。論文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的數(shù)字PI控制器，并提出了提高反饋控制精度的FPGA實(shí)現(xiàn)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)角速度為8.7°/h的控制精度。針對(duì)非理想鋸齒波復(fù)位電壓給系統(tǒng)檢測(cè)精度帶來(lái)的影響，利用光纖環(huán)形諧振腔對(duì)不同大小復(fù)位電壓的不同響應(yīng)，設(shè)計(jì)了2π復(fù)位電壓反饋控制電路，有效地將鋸齒波復(fù)位電壓控制在相位調(diào)制器的全波電壓。利用在調(diào)制鋸齒波上疊加等效移頻鋸齒波反饋控制相位調(diào)制器的方法，設(shè)