光纖陀螺信號處理課件

光纖陀螺捷聯(lián)慣導課題組專題研討哈爾濱工程大學自動化學院

四零七教研室光纖陀螺信號處理原理、方案及實現(xiàn)研討內(nèi)容：干涉式光纖陀螺基本原理簡介；信號的偏置調(diào)制與解調(diào)；閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)；基于FPGA的信號處理及時序控制；信號處理電路板介紹；FPGA程序介紹。干涉式光纖陀螺基本原理等價的概念：

環(huán)形干涉儀——光纖陀螺光纖線圈——光纖環(huán)相位調(diào)制器——Y波導（Y分支）群傳輸時間——渡越時間薩格奈克相位差——Sagnac—— 干涉型光纖陀螺（I-FOG）就是一個光纖Sagnac干涉儀，它利用干涉測量技術(shù)把相位調(diào)制光轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹{(diào)制光；把光相位的直接測量變?yōu)楣鈴姸鹊臏y量，從而較簡單地測出Sagnac相位變化。光纖陀螺中Sagnac相位差的響應(yīng)（光強I）為ΔΦS的余弦函數(shù)：干涉式光纖陀螺基本原理干涉式光纖陀螺基本原理

光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后分為兩束光，其中的一束光進入電光相位調(diào)制器（Y波導），經(jīng)過Y波導的內(nèi)部調(diào)節(jié)后輸出的兩束光為滿足光的相干條件，這兩束光在光纖環(huán)中相向傳播，感應(yīng)外部的角速度運動，在探測器處檢測干涉信號光強變化，經(jīng)過光電信號處理轉(zhuǎn)換之后，形成閉環(huán)反饋電壓信號來調(diào)節(jié)Y波導，使Y波導產(chǎn)生與外部Sagnac相移大小相等方向相反的反饋相移，使數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺始終工作在零點相移附近，在數(shù)據(jù)處理的同時即可以獲取外部的角速度信息。信號的偏置調(diào)制與解調(diào)Φb必須和預(yù)定的靈敏度一樣穩(wěn)定！“互易性偏置調(diào)制—解調(diào)”在光纖線圈的一端放置一個互易性相位調(diào)制器作為時延線，可完全克服相位偏置的漂移問題。由于互易性，兩束干涉波受到完全相同的相位調(diào)制，但不同時，其時延等于調(diào)制器和分束器之間的長、短光路的群傳輸時間之差τ。信號的偏置調(diào)制與解調(diào)

0It0t偏置調(diào)制光強響應(yīng)檢測光強信號靜止旋轉(zhuǎn)信號的偏置調(diào)制與解調(diào)0tV0tΔφm0tφm信號的偏置調(diào)制與解調(diào)信號的偏置調(diào)制與解調(diào)四狀態(tài)——閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)前面描述的調(diào)制—解調(diào)檢測方案能夠保持環(huán)形干涉儀的互易性，因而可以得到很好的零偏性能。當然，倘若高性能光纖陀螺儀必須有一個穩(wěn)定的和低噪聲的零偏，它也同樣需要在整個動態(tài)范圍內(nèi)而不僅僅在零點附近具有好的精度。重要的測量參數(shù)是旋轉(zhuǎn)的積分角位移而不只是速率，任何過去的誤差都將影響未來的信息。這一約束意味著，在任何速率上都需要一個精確的測量值（也即要有一個精確的標度因數(shù)）。這就是說，干涉儀的固有響應(yīng)是正弦型的，而所需的陀螺儀速率響應(yīng)信號應(yīng)是線性的。這個問題可以采用閉環(huán)信號處理方法來解決。解調(diào)出的偏置信號（或開環(huán)信號）作為一個誤差信號反饋回系統(tǒng)中，以產(chǎn)生一個附加的反饋相位差ΔφFB。ΔφFB與旋轉(zhuǎn)引起的相位差ΔφS大小相等、符號相反，總的相位差ΔφT=ΔφS+ΔφFB被司服控制在零位上。在這種閉環(huán)方案中，新的測量信號是反饋相位，它與反饋的光功率和檢測通道的增益無關(guān)，這樣就得到了一個穩(wěn)定性好的線性響應(yīng)。旋轉(zhuǎn)速率的測量值變?yōu)椋洪]環(huán)工作方案與實現(xiàn)閉環(huán)工作的原始方案之一：利用頻移——由聲光調(diào)制器（AOM）也稱為布喇格元件產(chǎn)生頻移。事實上，薩格奈克效應(yīng)可以用線圈分束器上的多普勒效應(yīng)來解釋，這樣，位于線圈一端的頻移器可以使薩格奈克效應(yīng)的多普勒頻移置零。穩(wěn)定性！閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)原始方案二：模擬相位斜波——鋸齒波調(diào)制通過采用一個線性相位斜波，可以克服聲光頻移器的穩(wěn)定性問題。頻率是相位的導數(shù)，運用一個相位調(diào)制器來代替頻移器施加相位斜波調(diào)制（其中是斜率），等價于一個頻移。這種處理方案允許在零點附近正向或負向工作（與斜波斜率的符號關(guān)）。實際上，鋸齒波調(diào)制波形在復(fù)位時必須具有很快的回掃時間。它要求相位調(diào)制器在很大的帶寬內(nèi)具有平坦的調(diào)制效率。閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)復(fù)位誤差為簡單起見，考慮干涉儀施加偏置后的正弦響應(yīng)。當時信號為零，但在每個復(fù)位后的時間τ內(nèi)，信號變?yōu)?。這種寄生信號可以作為一個方便的誤差信號，用于在每個復(fù)位觸發(fā)第二個反饋回路，以檢驗相位調(diào)制器的調(diào)制效率。閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)采用第二個處理回路，復(fù)位被精確地控制在2π上，因此正、負復(fù)位的計數(shù)提供了旋轉(zhuǎn)角的精確測量。由于，斜率與旋轉(zhuǎn)速率Ω成正比：這種模擬相位斜波反饋方案看起來很有吸引力，但它需要很短的和非常穩(wěn)定的回掃時間，才能得到很高的標度因數(shù)穩(wěn)定性和線性度。一般地，10ppm的標度因數(shù)穩(wěn)定性要求回掃時間小于光纖環(huán)傳輸時間的1%（也即小于幾十納秒）。閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)閉環(huán)工作方案與實現(xiàn)數(shù)字相位斜波的產(chǎn)生：數(shù)字寄存器容納相位臺階的數(shù)字值DJ,其動態(tài)范圍可以很大（大于25位）。數(shù)字積分器產(chǎn)生階梯斜波的數(shù)字值DR。一個D/A轉(zhuǎn)換器和一個緩沖放大器產(chǎn)生相位調(diào)制器的模擬驅(qū)動電壓。對于N位的D/A，可以在的動態(tài)范圍內(nèi)把數(shù)字量D轉(zhuǎn)化為一個模擬電壓，其中VLSB是與最低有效位（LSB）對應(yīng)的驅(qū)動電壓。當DR大于時，自動溢出產(chǎn)生的電壓等于。如果調(diào)節(jié)調(diào)制通道的增益，使?jié)M足：其中Vπ是產(chǎn)生πrad相移的電壓，此時溢出自動地產(chǎn)生一個復(fù)位，它等效于模擬斜波的2π復(fù)位，因而不會產(chǎn)生任何標度因數(shù)誤差。這種自動溢出可以采用一個相位斜波，也可以采用相位斜波和方波調(diào)制的數(shù)字和。這允許Y分支的兩個調(diào)制器采用推挽連接，減少他們的整體非線性誤差。數(shù)字相位斜波的真正“魅力”，是運用數(shù)字邏輯和D/A轉(zhuǎn)換器，對任何臺階值，都能通過轉(zhuǎn)換器的