三角波調(diào)制的諧振式光纖陀螺數(shù)字檢測系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、諧振式光纖陀螺(R-FOG)是一種基于光學(xué)Sagnac效應(yīng)的高精度慣性角速度傳感器。由于Sagnac效應(yīng)是一種極其微弱的效應(yīng)，信號檢測系統(tǒng)在R-FOG中占有十分重要的地位，檢測系統(tǒng)精度直接影響陀螺的測試精度。檢測處理電路的數(shù)字化及采用閉環(huán)系統(tǒng)是高精度、高可靠性陀螺發(fā)展的必經(jīng)之路。 論文首先對基于三角波調(diào)制技術(shù)的R-FOG進(jìn)行數(shù)字檢測系統(tǒng)設(shè)計，利用相位調(diào)制器上施加三角波調(diào)制對輸入環(huán)形諧振腔的激光進(jìn)行正負(fù)頻率的雙頻率組合調(diào)制，以方波

2、作為參考信號，利用鎖相放大器同步解調(diào)光電探測器的輸出方波幅度，其中環(huán)形諧振腔一個方向(如逆時針光束)的解調(diào)輸出信號反饋調(diào)節(jié)激光器頻率實現(xiàn)環(huán)路的閉壞跟蹤鎖定，另一個方向(順時針光束)的解調(diào)信號則作為系統(tǒng)的開環(huán)轉(zhuǎn)動信號。 在對環(huán)形諧振腔頻率進(jìn)行跟蹤鎖定時，實驗中觀察到光電探測器輸出方波信號存在下跳/過沖等畸變現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)這是環(huán)形諧振腔對三角波調(diào)制后的激光的瞬態(tài)響應(yīng)過程，進(jìn)一步分析了瞬態(tài)響應(yīng)時間與環(huán)形諧振腔參數(shù)的關(guān)系，以及對方波畸變

3、程度的影響。通過對畸變方波信號進(jìn)行解調(diào)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用穩(wěn)定狀態(tài)的值進(jìn)行解調(diào)或利用過采樣取多點進(jìn)行累加平均解調(diào)的方法可以減小畸變對解調(diào)值的影響。在數(shù)字調(diào)制R-FOG系統(tǒng)中，模擬相位斜波數(shù)字化的關(guān)鍵在于數(shù)字相位斜波臺階持續(xù)時間等于光在環(huán)形諧振腔內(nèi)一周的渡越時間。通過對光場矢量相位關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)數(shù)字相位斜波臺階持續(xù)時間和渡越時間不等時，會導(dǎo)致輸出信號發(fā)生波動和解調(diào)曲線發(fā)生漂移，需要采用累加平均的解調(diào)方法與正、負(fù)頻率對稱的雙頻率調(diào)制來克服信號波動對

4、解調(diào)值的影響和解調(diào)曲線的漂移。 由于陀螺響應(yīng)輸出信號十分微弱，對旋轉(zhuǎn)引起的諧振頻率偏差進(jìn)行直接測量很困難，需要將環(huán)形諧振腔的其中一路解調(diào)輸出作為誤差信號控制激光器輸出光頻率實現(xiàn)環(huán)路的跟蹤鎖定。以諧振頻率偏差作為研究對象，提取了環(huán)路的簡化數(shù)學(xué)模型，分析了數(shù)字控制器對壞路鎖定的影響，采用比例積分控制器較采用比例控制器可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，并通過實驗分析了環(huán)路鎖定的性能。在數(shù)字檢測系統(tǒng)中，通過FPGA實現(xiàn)各個主要功能模塊，計算了數(shù)字鎖相放