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光纤陀螺捷联惯导课题组专题研讨 光纤陀螺信号处理原理、方案及实现 研讨内容： l 干涉式光纤陀螺基本原理简介； l 信号的偏置调制与解调； l 闭环工作方案与实现； l 基于FPGA的信号处理及时序控制 ； l 信号处理电路板介绍； l FPGA程序介绍。 干涉式光纤陀螺基本原理 等价的概念： 环形干涉仪光纤陀螺 光纤线圈 光纤环 相位调制器Y波导（Y分支） 群传输时间渡越时间 萨格奈克相位差Sagnac 干涉式光纤陀螺基本原理 光纤陀螺基于萨格奈克（Sagnac）效应，即当 环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位 差。 干涉型光纤陀螺（I-FOG）就是一个光纤Sagnac 干涉仪，它利用干涉测量技术把相位调制光转变为振 幅调制光；把光相位的直接测量变为光强度的测量， 从而较简单地测出Sagnac相位变化。 光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为 S的余弦函数： 干涉式光纤陀螺基本原理 干涉式光纤陀螺基本原理 光源发出的光经过耦合器 后分为两束光，其中的一束光 进入电光相位调制器（Y波导 ），经过Y波导的内部调节后 输出的两束光为满足光的相干 条件，这两束光在光纤环中相 向传播，感应外部的角速度运 动，在探测器处检测干涉信号 光强变化，经过光电信号处理 转换之后，形成闭环反馈电压 信号来调节Y波导，使Y波导产 生与外部Sagnac相移大小相 等方向相反的反馈相移，使数 字闭环光纤陀螺始终工作在零 点相移附近，在数据处理的同 时即可以获取外部的角速度信 息。 信号的偏置调制与解调 b必须和预定的灵敏度一样稳定！ “互易性偏置调制解调” 在光纤线圈的一端放置一个互易性相位调制器作为时延线，可完全克服相位 偏置的漂移问题。 由于互易性，两束干涉波受到完全相同的相位调制，但不同时，其时延等于 调制器和分束器之间的长、短光路的群传输时间之差。 信号的偏置调制与解调 于是，干涉信号变为： 这种方法可以用一个方波调制来实现，即 ，其中方波的半周期等于， 从而产生一个 的偏置调制。 静止时，方波的两种调制态给出相同的信号： 旋转时，则有： 两种调制态之差变为： 信号的偏置调制与解调 0 I t 0 t 偏置调制 光强响应检测光强信号 静止旋转 信号的偏置调制与解调 用锁定放大器对探测器信号进行解调，可以测量这个“偏置”信号 ，当时有最大灵敏度，此时 。 由于这种调制解调方法能够产生一个具有稳定偏置的正弦响应(未加 调制的余弦响应的导数)，目前已经作为最佳的偏置技术被广泛采纳。 稳定的零点 信号的偏置调制与解调 0 t V 0 t m 0 t m 信号的偏置调制与解调 偏置调调制状态选择态选择 的依据： 最佳性能来自于最佳的信噪比；考虑理论光子噪声及探 测器热噪声，偏置工作点可以选在 之间，不 会削弱信噪比。 信号的偏置调制与解调 信号的偏置调制与解调 四状态 闭环工作方案与实现 前面描述的调制解调检测方案能够保持环形干涉仪的 互易性，因而可以得到很好的零偏性能。 当然，倘若高性能光纤陀螺仪必须有一个稳定的和低噪 声的零偏，它也同样需要在整个动态范围内而不仅仅在零 点附近具有好的精度。 重要的测量参数是旋转的积分角位移而不只是速率，任 何过去的误差都将影响未来的信息。这一约束意味着，在 任何速率上都需要一个精确的测量值（也即要有一个精确 的标度因数）。这就是说，干涉仪的固有响应是正弦 型的，而所需的陀螺仪速率响应信号应是线性的。 这个问题可以采用闭环信号处理方法来解决。 解调出的偏置信号（或开环信号）作为一个误差信号反 馈回系统中，以产生一个附加的反馈相位差FB。 FB与旋 转引起的相位差S大小相等、符号相反，总的相位差 T = S + FB被司服控制在零位上。 在这种闭环方案中，新的测量信号是反馈相位，它与反 馈的光功率和检测通道的增益无关，这样就得到了一个稳定 性好的线性响应。 旋转速率的测量值 变为： 闭环工作方案与实现 闭环工作的原始方案之一：利用频移由声光调制器（AOM）也称为布 喇格元件产生频移。事实上，萨格奈克效应可以用线圈分束器上的多普勒效应 来解释，这样，位于线圈一端的频移器可以使萨格奈克效应的多普勒频移置零 。 稳定性！ 闭环工作方案与实现 原始方案二：模拟相位斜波锯齿波调制 通过采用一个线性相位斜波，可以克服声光频移器的稳定性问题。 频率是相位的导数，运用一个相位调制器来代替频移器施加相位斜波调制 （其中 是斜率），等价于一个频移。 这种处理方案允许在零点附近正向或负向工作（与斜波斜率的符号关）。 实际上，锯齿波调制波形在复位时必须具有很快的回扫时间。它要求相位 调制器在很大的带宽内具有平坦的调制效率。 闭环工作方案与实现 设想，当处理回路为闭环时，通过调节斜率 补 偿旋转引起的相位差 ，使总的相位差 为零： 锯齿波复位高度 必须等于干涉仪的响应周期 2rad，否则这种复位会引起误差。 也即： 复位后， 由零变为 。 闭环工作方案与实现 复位误差 为简单起见，考虑干涉仪施加偏置后的正弦响应。 当 时信号为零，但在每个复位后的时间内，信号变为 。 这种寄生信号可以作为一个方便的误差信号，用于在每个复位触发第二个 反馈回路，以检验相位调制器的调制效率。 闭环工作方案与实现 采用第二个处理回路，复位被精确地控制在2上， 因此正、负复位的计数提供了旋转角的精确测量。 由于 ，斜率 与旋转速率成正比： 这种模拟相位斜波反馈方案看起来很有吸引力，但 它需要很短的和非常稳定的回扫时间，才能得到很高的 标度因数稳定性和线性度。 一般地，10ppm的标度因数稳定性要求回扫时间小 于光纤环传输时间的1%（也即小于几十纳秒）。 闭环工作方案与实现 现用方案数字相位斜波 利用数字方法很容易解决模拟相位斜波反馈的回扫问题。 “数字相位斜波”产生一个持续时间等于的相位台阶 ， 取代连续斜波。由于光纤环圈的延迟，数字相位斜波引起的相 位差 为常数，且等于台阶高度。 这些相位台阶和复位可以与方波偏置调制同步：方波半周期 等于。 相位台阶的幅值 通过相位置零反馈回路来设置，与旋转 引起的萨格奈克相位差 大小相等、符号相反： 这个 值给出的是旋转速率的线性读出值。 闭环工作方案与实现 闭环工 作方案 与实现 数字相位斜波的产生： 数字寄存器容纳相位台阶的数字值DJ,其动态范围可以很大 （大于25位）。数字积分器产生阶梯斜波的数字值DR。一个 D/A转换器和一个缓冲放大器产生相位调制器的模拟驱动电压。 对于N位的D/A，可以在 的动态范围内把数字 量D转化为一个模拟电压，其中VLSB是与最低有效位（LSB）对应 的驱动电压。 当DR大于 时，自动溢出产生的电压等于 。 如果调节调制通道的增益，使满足： 其中V是产生rad相移的电压，此时溢出自动地产生一个复位， 它等效于模拟斜波的2复位，因而不会产生任何标度因数误差。 这种自动溢出可以采用一个相位斜波，也可以采用相位斜波 和方波调制的数字和。这允许Y分支的两个调制器采用推挽连接， 减少他们的整体非线性误差。 数字相位斜波的真正“魅力”，是运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值， 都能通过转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位。这样可以非常容易地实 现这项有效的技术。 闭环工作方案与实现 数字相位斜波技术优势： 1. 在数字方案中，复位和台阶都与时钟时间同步。这样，通过在每次回 扫时触发第二个反馈回路，放宽了将 的值精确控制为2的要求 。由于第二个反馈回路也与同步，因此不受方波调制的瞬态过程的干 扰。 2. 尽管从2rad到0.1rad的分辨率之间实际的动态范围高达26位，但数字 相位斜波不需要位数很大的D/A转换器！（对D/A转换器的一般性能要 求是线性度误差小于一个LSB。） 3. 实时速率测量值是相位台阶 的数字值DJ，存储在数字逻辑电路的寄存 器中。用来驱动电路的时钟必须与光纤线圈的传输时间近似匹配，以 便于限制瞬时脉冲的宽度，但台阶值与没有直接关系。当变化时， 会轻微地改变选通的瞬时脉冲的宽度，而反馈台阶的值 保持不变。 利用数字斜波和一个稳定的电子时钟，标度因数基本上只与线圈几何长 度上的萨格奈克效应有关，而与折射率没有关系。 4. 数字斜波方法允许将动态范围很