（电工理论与新技术专业论文）基于dsp实现的谐振式光纤陀螺闭环检测系统.pdf

塑翌查兰堡主兰竺堡苎一 a b s t r a c t r e s o n a t o rf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ( r f o g ) h a sb e c o m e t h ek e yr e s e a r c hp o i n tn o w b e c a u s eo fi t sh i g hp r e c i s i o na n dm i n i a t u r i z a t i o n 。d i g i t a lc l o s e dd e t e c t i o nm e t h o dh a s b e e nw i d e l yu s e di nf i b e ro p t i cg y r o ，b e c a u s ei tc a ng a i nl a r g ed y n a m i cr a n g ea n d i m p r o v e f i b e rs c a l ef a c t o r 。 t h i st h e s i sf r o mt h ea n g l eo fs i g n a ld e t e c t i o n ，f i r s tt h e o r e t i c a l l yg i v e so u ta r f o gc l o s e ds i g n a ld e t e c t i o nd e s i g nb a s e do nd s r 。t h es i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m m a i n l yi n c l u d e sr e l a t e dd e t e c t i o n ，s i g n a lc o n v e r s i o na n d t h ef o r m a t i o no ff e e d b a c k s a wt o o t h 。r e l a t e dd e t e c t i o nm u s tg u a r a n t e es i g n a ls y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n g ，a n dg e t t h eb i g g e s ts i g n a ln o i s er a t i o 。 t h e nt h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec o n c r e t e a l g o r i t h m i nt h e s i g n a l d e t e c t i o n s e e n a d o 。i nar f o g ，b e c a u s eo ft h er o t a t i o no ft h er e s o n a t o r ，t h er e s o n a t o r f r e q u e n c yv a r i e s 。a n d t h i sc a u s e sa f r e q u e n c yc h a n g ea f 。t h e r e s o n a n tp o i n tt r a c i n g a l g o r i t h md e s c r i b e sh o w t od e t e c t a f 。s oi t c a ni n t r o d u c eaf e e d b a c kf r e q u e n c y d i f f e r e n c e a ft h r o u g hac l o s e dl o o pt o r e a l i z et h er e s o n a n ts t a t e ai nt h e d i g i t a l d e t e c t i o ns c e n a r i o ，u s i n gs t a i r c a s ew a v et or e p l a c es a wt o o t hw a v e ，i tc a no v e r c o m ea l o to f s h o r t c o m i n g si nt h ea n a l o gs y s t e m 。t h ec h a r a c t e ro f t h es t a i r c a s e w a v ea f f e c t s t h ed e t e c t i o n p r e c i s i o nd i r e c t l y 。t h i s t h e s i sa n a l y z e sah i g hp r e c i s i o ns c e n a r i o p r o d u c i n g as t a i r c a s ew a v e f o r mi nd e t a i l 。i tc a nr e d u c et h en u m b e ro ft h eb i t si nd a c o n v e r t e rg r e a t l y 。t h i st h e s i s p r o p o s e sa n o t h e rm e t h o dt oi m p r o v et h ed e t e c t i o n p r e c i s i o ni nc a s et h a tt h e a dc o n v e r t e rh a sc o m p a r a t i v e l yl i t t l en u m b e ro f b f f s ，w h i l e t h i sm e t h o dw i l ln o ti n c r e a s et h ec o s to ft h es y s t e m g r e a t l y 。 i nt h ee n d ，t h et h e s i sf i n i s h e st h er e a l i z a t i o no ft h ed e t e c t i o ns y s t e mb o t hi n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e ds i g n a ld e t e c t i o ns c e n a r i o 。w i t h e m u l a t i o ni tp r o v e st h a tt h i ss c e n a r i oc a nm e e tt h ed e m a n do ft h es y s t e mp r e c i s i o n a n dr e s p o n s et i m e 。 - i i 浙江大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 陀螺作为一种惯性测量器件，是平台导航、导弹制导、瞄准稳定等必不可少 的部件。陀螺这种惯性测量器件，在传统上是一种精密的机械装置，但是光电技 术的发展打破了人们的这种传统观念。上个世纪六十年代以来，随着光电技术的 发展，出现了基于光电原理、光电器件或光电加工技术的新型陀螺。他们已经成 为传统机电陀螺的强有力的竞争对手。激光陀螺、光纤陀螺等纯光电惯性测量器 件，以其优异的性能受到惯性技术领域广大科技人员的关注。自v , v a l i 和 r w s h o r t h i l l 2 1 于1 9 7 6 年首次提出光纤陀螺的概念以后，光纤陀螺随即引起了美 国、英国、法国、德国、意大利、日本等发达国家的一些大学和科研机构的普遍 重视和强烈的兴趣。与机电陀螺和激光陀螺相比，光纤陀螺具有启动快、寿命长、 体积小、重量轻、成本低、工艺性好等优点，特别适合于捷联式惯导系统的需要。 近年来，光纤陀螺已经在石油钻井、机器人控制、汽车、雷达和民用飞机导航等 方面得到广泛的应用p j 。因此，对光纤陀螺仪的研究具有非常重要的意义。 1 2 光纤陀螺发展概况 2 0 多年来的研究，不断解决了光纤陀螺的理论问题，不断改进其技术方案， 不断提高器件和光纤工艺水平，不断识别和消除光纤陀螺各种误差源、提高其精 度，取得了显著的成绩。近几年来，许多发达国家如美国、法国、德国、日本等 都相继研制出不同精度的光纤陀螺【4 】【”。其中，最高精度已经可达到低于 o 0 0 0 1 d e g h r 【6 】。现在，光纤陀螺在全世界正在经历产品化的进程，干涉型光纤陀 螺已经在实际中得到了应用1 7 】。据有关专家预测，到本世纪初，光纤陀螺、环形 激光陀螺和机电陀螺的市场比( ) 将为5 4 ：1 9 ：2 7 。这充分体现了光纤陀螺 ( f o g ) 所具有的巨大的发展潜力。 德国g e c 生产出产品化的的精度光纤陀螺，这种光纤陀螺的光学部分和电 路部分相分离，并用带状电缆相连，产品的主要性能指标为：信号的传输方式为 1 6 位数字输出，与速率成正比，动态范围为4 0 0 d e g s e c ，噪声等精度为l o d e g h r ， 功耗为1 5 w 。 在日本，干涉型光纤陀螺已经走过了基础研究阶段而进入实用化阶段。各大 公司( 如h i t a c h ic a b l e ，j a p a na v i a t i o ne l e c t r o n i c si n d u s t r yl t d ，t o k y oa i r c r a f t i n s t r u m e n t c o l t d 等) 先后投入大量的人力和物力进行研究制作，到现在为止， 已经研制出分辨率从飞机用惯性导航级0 0 1 d e g h r 、l d e g h r 到汽车用惯性导航级 优于1 8 0 d e e 以a r 的产品。 美国是率先研制光纤陀螺的国家，几大公司既竞争又结盟，其中以l i t t o n g u i d a n c ea n dc o n t r o ls y s t e m s 、s m i t hi n d u s t r i e s 和h o n e y w e l lf l i g h ts y s t e m s 几家 公司的应用研究更为出色。这里结合h o n e y w e l l 的产品【引，介绍光纤陀螺的现状， 以及在导航级光纤陀螺和最高精度仪表方面的一些进展。 图1 1h o n e y w e l l 的全光纤开环干涉光纤陀螺设计原理图 偏值稳定性在0 1 - - 5 d e g h r 范围的中等性能光纤陀螺，它的应用包括战术导 弹、空间飞行器、火车、自主式导引交通工具和航海陀螺罗盘。在这种应用中传 感器只负责提供载体航向信息，因此对标度因数的要求是适度的( 大约1 0 0 0 p p m ) 。 这样使得采用开环设计的最早的商用干涉光纤陀螺产品成为可能，图1 1 所示为 h o n e y w e l l 公司的该类产品。这种设计采用一个标准全光纤最小互逆结构。 在导航级的应用中，对标度因数的要求可能苛刻到小于1 0 p p m ，而动态范围 超过1 0 0 0 0 s 。导航问题变得更加富有挑战性，因为性能水平必须满足暴露在恶 劣的物理环境中的需要。要提高干涉型光纤陀螺的性能，需要一个低相干光源， 例如半导体超荧光二极管s l d 。但是s l d 波长的温度漂移也会恶化陀螺的标度 因数，因此需要对搀杂光纤超荧光源作进一步的研究【9 1 。s l d 的相对强的噪音也 限制了i - f o g ( 干涉式光纤陀螺) 在高精度场合的应用，比如航空器的控制【1 o 。 尽管面对这些挑战，光纤陀螺技术己在满足既定需求方面取得了非常好的进 展。由于标度因数的严格要求，需要一种闭环系统。最通用的基本结构如图1 2 所示。 图i 。2 典型闭环导航级设计原理圈 浙江大学硕士学位论文 这种设计使用一个多功能集成光学片将一束光分为顺时针和逆时针方向的 两束光波，并为电光转换提供对环路中光波的相位调制。信号处理设计是基于将 光电探测器的信号转换成对测得光强的数字描述，并续以数字解调和积分。回路 由被斜坡电压驱动的集成光学相位调制器所闭合，其中斜坡电压的坡度与所敏感 的旋转角速度成比例。斜坡电压在两束光波之间提供一个光学相移，使传感器回 复到零输入状态。这一领域已发展了三种主要的相位斜坡闭环方式。它们是数字 相位阶梯技术，阶梯波相位斜坡技术和二重斜坡技术。 干涉光纤陀螺也发展了很高精度应用领域的产品，像精密空间飞行器、潜艇 等。这些应用具有最严格的精度要求( o ，0 0 1 d e g h r ) 而物理环境相对较好。在两种 情况下，光纤陀螺都具有低随机游走( a r w ) 。长寿命，高可靠性和无机械振动的 优点。在空间飞行器应用中，它还具有随意达到高分辨率的能力，这是通过陀螺 提供的瞬间旋转小角度指示而实现的。 可见，i - - f o g ( 干涉式光纤陀螺) 技术在各种精度的应用领域，从i d e g h r 的a h r s ( 飞机的姿态航向基准系统) 系统到最高精度应用，都已经进入实用 化阶段。但是，中等以上精度的i - - f o g 必需采用集成光学器件实现闭环控制， 价格较贵。同时，i f o g 只能依靠增加光路长度来提高分辨率，较长的光路长 度还增加了温度变化产生的漂移j 。因此，为了实现陀螺小型、微型化发展的要 求，具有更高的理论精度和很好微型化前景的谐振式光纤陀螺在目前更具有研究 价值。当前，谐振式光纤陀螺还处于由实验室向实用化过渡的阶段。 在国外光纤陀螺迅速发展的形势下，国内研究及研制光纤陀螺的单位也很多 n 航天工业总公司所属第3 3 所、1 3 所及上海8 0 3 所、清华大学、浙江大学、 北方交通大学、北京航空航天大学等单位都相继开展了光纤陀螺的研制工作，弗 取得了一定的成绩。最近几年，国内光纤陀螺研制开发很快，竞争相当激烈。其 中上海8 0 3 研究所于1 9 8 9 年即研制成保偏光纤、闭环全光纤陀螺工程试验样机， 在国内光纤工程研究方面迈出了很大的一步。目前，国内光纤陀螺的研制水平已 接近惯性导航系统的中、低精度要求。尽管如此，但大多数都末到工程实用阶段， 也没有可靠性数据。根据北航九五预研项目验收看，其研制的p m - - i f o g 测试 精度优于1 o d e g m ，d e p o l a r i z e d - - f o g 检测精度约2 0 d e g h ，可望向实用化发展。 尽管其精度相当高，而且接近于工程应用，但抗振性能尚存在不足。目前，已经 在某项目上试用成功。将来如果取得较好的使用效果和可靠性数据，卫星可考虑 采用国内研制的光纤陀螺。另外，在“九五”期间，清华大学还开展了光波导陀 螺的研究，把光纤敏感圈改为光纤敏感环，使双向光束在敏感环中循环传播m 次，这样光纤的长度可减少m 倍，从而使导航级光纤陀螺的光纤长度由5 0 0 - - 浙江大学硕士学位论文 1 0 0 0 m 可减小到2 0 0 m 以下。这一改进可减小光纤敏感线圈在结构和绕制等方面 的难度从而降低光纤陀螺的成本。这种光纤陀螺被称为循环干涉型光纤陀螺。 1 3 信号检测系统的方案 光纤陀螺( f o g ) 是一种基于光学s a g n a c 效应的角速度测量装置。在谐振式光 纤陀螺中，由于s a g n a c 效应，环形谐振腔的旋转使得谐振腔的谐振频率发生了 变化【1 2 j ，从而产生了一个与旋转速度成正比的频率变化值。通过检测该频率变 化值就可以得到系统的旋转速度。在光纤陀螺系统中，信号检测系统占有非常重 要的地位，不同的信号检测和处理方案将对光纤陀螺的测试精度产生重要影响。 就技术而言，陀螺光路形成、信号的检测和处理等方面形成了一种趋势，主 要表现在以下几个方面【l 驯： 1 、采用闭环检测方案 光纤陀螺系统的开环检测方法是直接从探测器的电信号直接解算出光纤陀 螺的s a g n a c 效应造成的频率改变值。其优点就是结构简单，然而这种方案由于 调制频率远远低于光纤线圈的本征频率，无法得到最大的信号强度，另一方面陀 螺没有工作在最灵敏的零点，因而只能实现中等的精度，动态范围有限。因此采 用闭环检测方案。成为当前提高光纤陀螺标度因数和扩大动态范围最主要的技 术。闭环光纤陀螺的基本原理是在光纤中人为地引入一非互易的补偿频移( 频率 改变值) ，以抵消由于光纤环转动产生的s a g n a c 频移，补偿频移与s a g u a c 大小 相等，方向相反，光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零相位点附近，陀螺的输出 信号( 转速) 可以从补偿频移中获得。这时，陀螺的动态范围取决于引入补偿频移 的器件性能，较之开环陀螺，闭环光纤陀螺扩大了线性动态范围，提高了偏置稳 定性。具体方案有差动频率传播法和锯齿波相位调制反馈法。 2 、信号处理趋于全数字化 在光纤陀螺系统中，为了获得高灵敏度，必须采取调制解调技术来实现偏置。 在电路实现上，根据选用的解调手段和进行频率调制的控制波形的不同，闭环陀 螺又分为模拟闭环陀螺和全数字闭环陀螺。用常规的模拟解调技术存在严重的偏 置漂移，而且模拟闭环光纤陀螺采用锯齿波反馈来实现频率补偿，它要求锯齿波 具有非常短并且稳定的回扫时间，以提高标度因数稳定性和线性度【1 4 】，但在电 路实现上，由于锯齿波的回扫时间和斜坡的非线性及2 万复位精度的影响，导致 光纤陀螺标度因数的线性度和稳定性受n - ；限制，因此随着超大规模数字集成电 子技术的发展。新的高性能光纤陀螺普遍采用数字闭环检测系统，其代表技术就 是数字相位斜坡技术( d i g i t a lp h a s er a m pt e c h n i q u e ) 【1 5 】。可以说采用集成光波导技 术的全光纤陀螺和基于d s p 的数字闭环检测是光纤陀螺的发展方向。基于d s p 浙江大学硕士学位论文 芯片的光纤陀螺信号检测系统具有以下几个优点： 1 ) 高速d s p 系统可以完成对陀螺信号的高速采样及分析计算； 2 ) 由d s p 系统为核心构成的光纤陀螺信号检测系统结构简单，有利于检测 系统的小型化； 3 ) 所有检测电路均由数字电路构成，有利于检测系统的小型化和集成化： 4 ) d s p 系统在光纤陀螺的信号检测过程中，除数字电路的量化误差外，不 带入其它误差源； 5 ) d s p 系统的控制由软件完成，有利于检测系统的制作和调试。 1 4 发展谐振式光纤陀螺的意义 光纤陀螺是一种高精度的惯性传感器件，它与激光陀螺不同的是，它的核心 器件一环形谐振腔里没有增益介质，因而没有激光陀螺中的闭锁问题。它主要可 分为干涉型光纤陀螺、谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射环形激光陀螺三种。目 前布里渊型陀螺尚处于原理性研究阶段，干涉式光纤陀螺已经进入实用化阶段， 谐振式光纤陀螺处于由实验室向实用化过渡的阶段1 4 】1 1 6 1 。 干涉式光纤陀螺虽然已经进入实用化，但是干涉式在小型化和精度上有其难 以克服的限制。干涉式光纤陀螺1 4 j 一般由低相干光源、光纤耦合器、偏振器、相 位调制器、光纤线圈、光信号探测器和信号处理电路等构成。光纤线圈通常由保 偏光纤绕成，其半径接近光纤本身的允许值，长度在几百到上千米左右，陀螺灵 敏度与之成正比。要保证光纤陀螺的高分辨率，人们首先考虑到的是增加光纤环 中的光纤长度，但是随着长度的增加，不仅成本越来越高，而且由于光纤本身要 受温度的影响，温度波动使系统输出产生的漂移也就越大。温度传递及分布的不 均匀会在谐振环中产生非互易性相移，混合在正常s a g n a c 相移中，使输出信号 中含有相当的伪转动量，不仅使光纤陀螺在工作中随温度变化产生滞后性的随机 游走，而且大大延长了陀螺的启动时间，这是干涉式光纤陀螺难以进入高精度领 域、替代激光陀螺的最主要限制。目前的解决方法不外两种，一是将光纤陀螺封 闭在恒温装置中，一方面隔绝内外的温度传递，避免受外界的温度变化影响，另 一方面吸收光纤陀螺本身产生的热量，代价是增加体积和提高成本：二是随时测 量外界温度，对输出数据进行补偿。干涉式光纤陀螺的温度漂移是一种规律性不 强的非周期性随机游走，而且，考虑到温度影响的迟滞性，很难考虑采用温度测 量，再通过软件加以补偿的方法。 谐振式光纤陀螺的概念与谐振式激光陀螺相似，只是用光纤线圈替代了后 者由透射镜和反射镜组成的激光光路。这样的特点是避免了激光谐振腔制作的高 难度，同时通过光纤线圈的缠绕，理论上能使检测光路增加一个数量级，提高了 浙江大学硕士学位论文 分辨率。 与i - f o g 相比，r - f o g ( 谐振式光纤陀螺) 具有以下特点( 4 】【17 】：( 1 ) 光 纤长度短，根据计算5 1 0 m 的光纤腔可以得到飞机导航的精度要求，而在i - f o g 却要大于1 0 0 0 m ，短的光纤环可以减小温度波动对系统的影响，降低了由于光纤 环中温度分布不均匀而引起的漂移；( 2 ) 采用了高相干光源，波长稳定性高；( 3 ) 由于谐振频率与旋转角速度成正比，所以检测精度高，动态范围大。目前谐振型 光纤陀螺的研制仍处于由实验室向实用化的过渡阶段。虽然制作工艺上仍存在着 一些尚待解决的难点，精度仅1 0 d e g h ，但是由于具有上述突出的特点，r f o g 吸引着不少国家的科研和开发力量，期待大的突破，把光纤陀螺的发展带到一个 更高的水平。 1 5 本论文的意义及工作 由于谐振式光纤陀螺所具有的优势，现在已经成为了许多国家研究的重点。 其中，根据信号检测系统的实现方式又可以分为模拟和数字两种。由于模拟电路 温漂严重，测量范围不宽，不便于集成、误差补偿和系统应用，而且作为反馈环 节的锯齿波电路的实现是比较困难的，这就导致了系统检测精度的降低。因此随 着超大规模数字集成电路的发展，数字式谐振光纤陀螺成为光纤陀螺的发展方 向。文献【2 0 】已经提出了数字谐振式光纤陀螺的实现方案，本文在此基础上主要 讨论了基于d s p 的基础上实现数字谐振式光纤陀螺，内容包括系统的信号检测 方案以及该方案在d s p 上的具体实现和检测系统的硬件设计。采用该方案实现 的数字谐振式光纤陀螺结构简单，测量精度高。主要工作如下： 1 从理论上提出了光纤陀螺闭环检测系统的信号检测方案，并针对该方案提出 了各个部分的具体实现算法。 2 分析了a d 转换器精度对系统测量精度的影响，提出了一个提高测量精度的 方法。 3 提出了一种高精度反馈信号的生成方案，使得所需d 4 的位数大大降低。 4 完成了检测系统在d s p 上的软硬件实现，经过仿真得到所采用的方案可以满 足系统的精度要求。 本论文各个章节的具体安排如下： 1 ) 第一章是绪论部分，主要介绍了光纤陀螺的发展概况，分类以及当前发展的 焦点，本论文的意义和主要工作； 2 ) 第二章介绍了系统的信号检测方案： 3 ) 第三章讨论了信号检测过程中每一步的理论基础和算法实现； 4 ) 第四章中介绍了系统的硬件电路组成和程序流程图，给出了系统的仿真结果； 浙江大学硕士学位论文 5 ) 最后部分是本论文的总结部分，总结了本论文所取得的主要成果和结论 并对本系统所需要进一步解决和改进的问题谈了自己的看法。 浙江大学硕士学位论文 第二章谐振式光纤陀螺的系统方案 在光纤陀螺中，其总体方案可分为闭环和开环两种，闭环检测方案具有较高 的检测精度。本章介绍了谐振式光纤陀螺的闭环检测方案，并简单描述了该方案 在本系统中的具体实现方法。 2 1 光纤陀螺的基本原理 p q 图2 1s a g n a e 效应示意图 光纤陀螺的基本原理是基于s a g n a c 效应。按经典理论，如图2 1 所示，若 该圆形闭合光路以恒定转速q 相对于惯性空间绕垂直于环路平面的轴线旋转，则 由固连在环路上的观测点p 发出的顺时针( c w ) ，逆时针( c c w ) 方向运行的 光波经一周后回到p 点所经历的光程将随角速度q 而变【12 】1 1 9 】1 2 1 】。因为光速有限， 对惯性空间的观察者来说，由于环路的转动，与角速度q 同向的光波运行一周回 到p 点时，原来的p 点已经移到了q 处，因此要比一个圆周多跑约p q 的路程 才能回到固连在环路上的观测点p ，而沿相反方向运行的光波却比一个圆周少跑 p q 的路程就能回到固连在环路上的观测点p 。 设q 的方向沿顺时针为正，在一阶近似下，沿顺、逆时针方向的光波运行一 周后回到观测点p 所花费的时间t c w 和t c c 。分别为 ，。：z ( c - 月q ) 。兰( 1 + 丝) ； cc r 1 、 ，一：地+ r q ) 。三( 1 一些) 忡“ cc 顺、逆时针方向的光波运行一周后经历的光程分别为 三钟= c ，甜工( 1 + r q c ) ； r ，、 l 。= c ，一。上( 1 一r f c ) 7 式中，l = 2 z t r ，为q 为零时的环路光程长度( 简称程长) ，下标c w 和c c w 分 浙江大学硕士学位论文 别代表顺时针方向和逆时针方向，c 为光速。 顺、逆时针的相应的光程差为 a l = l ，一上。，z 4 a q c ( 2 3 ) 其中，a = x r2 是环路所围的面积。由此引起的相位差为 中：塾a t ：堕q ( 24 ) 肋 其中 为光波长a 这就是s a g n a c 效应，它是各种光纤陀螺的基础。从上式我们 可以知道，如果可以精确的得到这个相位差的信息，就可以测量出系统的相关的 参数。 对于谐振式光纤陀螺，根据环形谐振腔理论，环形腔内沿相反方向传播的两 束行波的谐振频率必须满足 v = d c 工 ( 2 5 ) 其中，q = l 1 2 是总数，称为行波纵模阶数。波长五是行波谐振腔程长的函数 只有满足五= l t q ，即正好使程长l 是其整数倍的鄢些波长z 才能形成谐振。由 ( 2 5 ) 式知，频率将随程长的微小变化而变化，其变化率为 a v = 一v 三= 一c 上记 ( 2 6 ) 由( 2 3 ) 和( 2 6 ) 两式，得到环形行波振荡器正、反向行波间的频率差为 v ：丝q 肛 ( 2 7 ) 其中，丑为光腔内的光波长，筹称为比例因子。由( 2 7 ) 式我们得到了两束光 的频率差与转动角速度有一个线性关系，所以测量出谐振式光纤陀螺的频差a v ， 我们就能换算得到角速度q 。 2 2 谐振式光纤陀螺的检测原理 前面已经介绍了闭环检测方法具有更高的检测精度，因此本文中谐振式光纤 陀螺系统采用闭环结构。环形谐振式光纤陀螺是通过跟踪和探铡环形谐振腔的谐 振频率来工作的，其闭环检测的原理为下图【2 0 】： 浙江大学硕士学位论文 图2 2 环形谐振式光纤陀螺的检测原理 上图中，l a s e r 为激光器，由激光器发出的光经过分光器f ，分成两束。然后 这两束光分别经过相位调制器p m l 和p m 2 进行移频调整，经过耦合器耦合进入 光纤环，形成顾时针和逆时针的两束谐振光束。 d l 光电检测器检测到的信号经过同步锁定放大器l i a i 后，提取相关信号 p 1 ，用于调节激光器的频率，保证光纤环中逆时针方向传播的光锁定在谐振状态， 谐振频率为厂+ 型掣，厂表示激光器发出的光的频率；同时，d 1 的输出信号 2 经过同步锁定放大器l i a i 提取相关信号p 1 ，用于控制相位调制器p m l 阶梯波 f 1 的工作频率( 在本系统中n 是固定的，f l = 5 0 k h z ) 。d 2 光电探测器检测到的 信号经过同步锁定放大器l i a 2 后，提取相关的信号p 2 ，控制锯齿波调制频率， 用于保证顺时针传播的光在谐振状态，谐振频率为厂+ 五兰晕攀；同时， 2 d 2 光电探测器检测到的信号经过同步锁定放大器l i a 2 后，提取相关信号p 2 ， 用于锁定 2 的工作频率，得到精确的2 石相位所对应的峰值电压砖，( 厂2 ) ，而峰 值电压。( 厂2 ) 作为一比较器的参考信号，通过比较以。( f 2 ) 与阶梯波调制信号 中f 2 的幅值大小产生复位脉 中，从比较器输出的复位脉冲中可以测出f 2 的大小。 由于谐振腔旋转引起的正反方向两束光的谐振频率差值： v ：( ，+ 堕掣) 一+ 4 华) ：f 2 一f l ( 2 8 ) zz 而矽的大小正比于谐振腔的旋转角速率，所以通过检铡f 2 的大小( 因为n 的值 新江大学硕士学位论文 是固定且已知的，f = 5 0 k h z ) ，即可求出谐振腔的旋转速率。如果用模拟电路来 实现上面的信号检测和反馈，那么由于模拟电路固有的缺点，比如很容易受干扰， 调试困难，使检测性能不够理想。所以实现检测和反馈的数字化，可以极大的改 善电路的性能。 2 。3 基于d s p 的系统实现方案 由上面的分析知道，为了测量出物体的角速率，需要经过同步锁定放大器提 取相关信号控制相位调制器和激光器，使顺时针和逆时针传播的光都锁定在谐振 状态。在逆时针光路中，根据逆时针光路中的频差得到一个控制电压去控制激光 器的频率，使该光路谐振：在顺时针光路中，根据正反方向两束光的谐振频差生 成反馈锯齿波去控制相位调制器使该光路谐振。因此在正反光路检测中，只有反 馈信号不同，其它的处理部分是相同的。 在谐振式光纤陀螺中，由于s a g n a c 效应造成正反方向两束光的谐振频率有 了一个差值。因此，为了保证顺时针和逆时针传播的光都锁定在谐振状态， 需要通过l i n b 0 3 调制器在光路中引入一个调制频率4 厂，以抵消谐振频率差 ， ，使输出保持在零点。l i n b 0 3 调制器采用锯齿波进行调制，不同频率的锯齿 波通过l i n b 0 3 调制器的电光效应对激光器输出的光的频率进行调制，从而可以 引入调制频率一厂，使光路锁定。所以基于d s p 的系统实现简化为下图所示， 用d s p 完成信号的检测和反馈： 图2 3基于d s p 的系统实现 2 3 1 相关检测原理 相关检测是微弱信号检测【3 6 】p 7 】中常用的处理方法。相关检测器的组成如下 x ( t ) ，w ) l 一 5 r ( t ) 浙讧大学硕士学位论文 假定输入信号x ( t ) _ as i n ( w t + 妒) ，r ( t ) 是参考信号，该参考信号是一个同输入信 号同频的对称单位幅度的方波信号， 肌、：1o s 0 3 f s r ) 时，k 一0 。因此，以v = o 0 2 4 f s r 和i l o o 。呻。 为分界点，可将，。- t , f 曲线从e p n ( 鲈= 0 ) 向两侧分成i ( 近似线性区) 、 i i ( 减函数区域) 、 1 i ( k 寸o ) 三个不同区域。 1 区域i 一近似线性区的线性拟合 在区域i 中，存在着一个线性区。在该范围内，。* k xa f 。从光电检测 器出来的信号经过相关检测以后得到的k 如果落在该范围以内，那么v 的求 解就变得很简单了，即厂= ，。j 。下面通过曲线拟合来确定线性区的斜率k 。 当落在( 一0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ) f s r 范围内时，直线拟合结果为： abs dn 1 1 2 7 5 4 e 2 45 - 3 9 0 2 7 e - 43 0 4 5 6 4 e 1 31 0 0 1 k ，= a + 曰( a f f s r ) ，a 表示截距，b 表示斜率，n ：n u m b e r o f d a t a p o i n t s s d ：s t a n d a r dd e v i a t i o no f t h ef i t 另一方面，直接从( 3 1 3 ) 式对f 求导数可以得到： 浙江大学硕士学位论文 ddo，ui：(1一)比dr 、“。 2 四( ，+ 掣)z 四( v 一华 m v + 华列2m v 一掣) 2 2 ( 31 4 ) 当厂五号直时，忽略f 项，有 静网2 c ：( z - z ) 甜 ( 3 1 5 ) ( 5 3 9 0 2 7 e - 4 f s r ) = 1 3 0 2 7 e - 0 1 1 ，两者相同。因此用直线拟合的斜率可表示为 ( 3 1 5 ) 式。从拟合的结果，可以看到当l ，f 较小时，有k ，；k xv 。 在实际检测系统中，应考虑光电探测器的响应度、前置放大电路的放大系数 如( 1 - 咖厶简巧 ( 3 | 1 6 ) 式中k a 表示放大电路的放大系数，r d 表示光电探测器的响应度，定义如下： 兄d = 詈 ( 3 1 7 ) 式中p 。为入射到光探测器上的光功率，i d 为在该入射功率下光探测器产生的光 电流，r d 的单位为a f f w 。实验室历用1 n g a a s p 光电探测器，r d = 0 8 2 a w 。相 2 e 域i i i - i 。一0 由图3 2 i d o u t f 的图像可知，在区域，k 。_ 0 。从数学上解释如下： 当掣时，代入( 3 1 3 ) 式得： 小”，鹏l 斋一南卜 虽然这一区间与谐振点在物理解释上有差异，前者是幅度接近于0 的一个方 波，而在谐振点探测器输出的只是直流分量。但由于d s p 系统有限的分辩率( 取 决于a d d 位数) ，在对前者进行方波幅度提取后，得到的极有可能是幅度为0 的 浙江大学硕士学位论文 直流信号。因此，在a d 之前，需要增加一个提取直流分量的电路，通过对直 流分量大小的判别，从而区别区域i 和谐振点。 考虑光电探测器的响应度、前置放大电路的放大系数等后，a d 之前的光电 流可表示如下： ，j = ( 1 一哎) i p l ( a 2 ) i o r o k a ( 3 1 9 ) i j d ： ：二孵三i j j 了 。 名。 图3 3 ，关系不葸图 图3 3 给出了一，关系示意图。由图3 3 可知，当频差矽：，+ 五& 一：o 时， 输出只有直流分量，幅度大小为i ，。o ；当五；五时，输出信号近似为直流 分量，幅度大小为i d 。显然有 易o b 。 ( 3 2 0 ) 由( 3 9 a ) 式、( 3 1 9 ) 式可知， s i n 2 ( ) = l 时，有最大值： 却训卜将卜髟 z ， 3 区域i i 一减函数区域 根据区域i i 是减函数区域，而区域i 为增函数区域，引入两个不同频差锁、 瓠处的i d 。u c 】、i d 0 啦和判据1 ：( 时间上i d 。2 的情况出现在i 晰l 之后。) i k ， 】脚：j ? ( 判据1 ) 若判据1 成立，则i d 口小i 踟啦对应的频差酾、萌落入区域i i 。若m 、蜕分 别在i i 、i 区域，若判据2 成立，则研、馘归入区域i i 处理；反之，判据2 不成立，则归入区域i 处理。 浙江大学硕士学位论文 3 1 3 谐振点跟踪算法 有了前面的分析，得到在一定的范围内，。一a 的关系可以简单的表示成 ，。= k 可。因此，只要可以把任意区域内的，。引入到该线性范围内，就可 以很方便的得到v 。本论文中所提出的转换算法其主要思想就是利用系统的闭 环结构，通过相位调制器的反馈作用，将系统的工作状态带到线性区，进而完成 ，。到的转换。 3 1 3 1 对c c w 光路进行分析 由前面的分析可知，c c w 光路l i n b 0 3 相位调制器采用的调制频率分别为 f 2 和f l ( f 2 = 2 f 1 ) ，则探测器输出方波幅度与频差f 可表示如下： k f = ( 1 飞m 希甬 从( 3 2 2 ) 式对f 求导数可以得到 令望粤：o ，出：b ，经过计算可以得到 d 2 。 2 四p 孚) 纵掣) 2 2 3 ，4 + 2 ( 口一b 2 ) 鲈2 一( q + + 2 c g b 2 ) = o 解方程( 3 2 4 ) 舍去两个虚根可以得到i d o u t 取极值时的f m 值 蚓：坐2 业2 孕4 42 2 将( 3 2 5 ) 式代入( 3 2 2 ) 式可以求得i d 叩。的极值。 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 商一，l 一印 一 鬻 坠蟛 浙江大学硕士学位论文 由( 3 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 式可知，频差极值点位置和i d 。极值的大小只取决定 于谐振腔陀螺光路系数和两种阶梯波频差，而与具体调制频率无关。 计算举例：取l = 5 米，n = 1 4 5 ，九；1 5 5 p m ，1 0 = l m w 1 0 1 9 ( 1 一口l ) = 一0 0 5 j 口= 1 - 1 0 _ 。”“。 耦合器采用l o 抽头( t a p ) ，1 0 1 9 ( 1 - c t c l = - 0 ，4 j a c ；1 - 1 0 - 0 “” 激光器线宽( 半高半宽) ：6f = i m h z ， ， 两种阶梯波频率f l = 5 0 k h z ；f 2 = 1 0 0 k h z ，b = 生：- 且：2 5 k h z z 计算结果： 极值点频差：4 ，= t = o 0 2 3 6 f s r ，方波幅度绝对值最大值：，m m a x = 7 1 6 3 2 e 一0 0 6 w 。 谐振腔光纤陀螺中，c w 和c c w 光路频差f 与旋转角速度q 间有如下关系： a f ：旦q ( 3 2 7 ) n 2 d 为光纤环直径：d = 1 0 c m ；九为工作波长：九= 1 5 5 “r n ；n 为光纤折射率：n 一- - - 1 4 5 ；q 为旋转角速度：q = 1 。l l ，代入( 3 ，2 7 ) 式计算可以得到f = 0 2 1 5 7 h z ， 代入( 3 2 2 ) 式可以计算l 。h 所需的i d o 。t 的检测精度为屯。m = 2 8 0 9 8 e 一0 1 2 w 。 ! 型m j ：3 9 2 2 6 e - 0 0 7 ( 3 2 8 ) j d b m 舣 所以当q = 1 0 m 时，需要2 2 位a ，d ：当q = 1 0 。h 时，x f = - 2 1 5 7 h z ， ，。，。= 2 8 0 9 8 e - 0 11 w ，；2 唑吐= 3 9 2 2 6 e - 0 0 6 ，需要1 8 位a d 。 口w 当a f = o s f s r 口 ，。= 1 1 9 2 2 e - 0 0 8 w 。下面将这三个特殊f 值对应的i d 一数值 用表格3 1 表示： 表3 1 ：i d o 。t - a f 曲线上三个特殊的点 a f ( i - i z )i d o u ( w )说明 0 ，0 2 3 6 f s r7 1 6 3 2 e - 0 0 6极值点f m 满足( 3 2 5 ) oo谐振点 0 5 f s rl ，1 9 2 2 e - 0 0 8最远离谐振点处 0 ，2 1 5 72 8 0 9 8 e 一0 1 2q = 1 0 m 对应的频差 由表3 1 可知，可以通过设定参数e p s ( 系统精度) 来区分谐振点和远离谐振点。 3 1 3 2 对c w 光路进行分析 如果l i n b 0 3 相位调制器采用的调制频率分别为f 2 和f i + f 2 ( 是可变) ，则探 测器的方波幅度可表示如下： ，。= i d ( f + f l + 五一) 一，。( ，+ 五一) = c ，一a t ，厶 z 彘一：i - = j 翻 c ，z ， 令厂+ 半一= v ，则i o o u t 可改写为 。= ( 1 - a c ) p l o q四 可习一可砑 ( 3 3 0 ) 比较( 3 3 0 ) 式和( 3 2 2 ) ，在c w 光路检测系统中，也有曰= 五2 = 2 5 触，因此 c w 光路和c c w 光路有相同的m a ，关系曲线。 3 1 3 。3 谐振点跟踪算法 下面将引入一定的算法，根据系统输入的七。得出需要反馈的总频移强。 将( 3 2 2 ) 式表示成6 f 的多项式： ，+ 2 ( c 0 2b 2 ) 4 f 2 一笠霉盟业+ c o + b 4 + 2 c o b ：0 ( 3 3 1 ) d 口w 0 由方程( 3 3 1 ) 可知，在实数领域，此方程有四个根。设f o 是满足方程( 3 3 1 ) 的一个实数根，则系统需要反馈的总频移：占，= = 一4 矗。结合图3 2 ，可知这四个 根中有两个为实数根，两个为虚根，在谐振点，有一个实数根0 。因为( 3 3 1 ) 式是个超越方程，无法直接获得解析解，虽然可以利用数值迭代的方法得到方程 ( 3 31 ) 的根，但不同的i d o u 帕值需要不