諧振式光纖陀螺中信號檢測與控制系統(tǒng)的設計.pdf

1、陀螺儀是慣性制導和導航的核心部件，主要用于測量運動載體的角速度。光學陀螺是一種基于光學薩格奈克效應(Sagnac effect)角速度傳感器件，具有啟動時間短、使用壽命長和可靠性高等特點。其中諧振式光學陀螺的核心組件為光學諧振腔，可以采用很短的光纖或者集成的光波導獲得較高精度，因此易集成，且抗電磁能力強、動態(tài)范圍大，具有很高的研究價值。諧振式光學陀螺通過檢測由薩格奈克引起的諧振頻率差信號來得到旋轉角速度。由于諧振式光學陀螺中諧振頻率差極

2、其微弱，且易受光學噪聲、轉臺震動和溫度波動的影響，直接測量相向傳播光束的諧振頻率差是十分困難的。因此開展諧振式光學陀螺中信號檢測與控制系統(tǒng)的研究對于改善陀螺系統(tǒng)輸出轉動信號的信噪比、提高其測量精度至關重要。
　　針對上述技術問題，本文展開了以下幾個方面的研究:
　　(1)首先介紹了諧振式光學陀螺的原理，推導了光學環(huán)形諧振腔的傳遞函數，并通過改變諧振腔參數，研究了環(huán)形諧振腔的諧振特性，為后續(xù)搭建檢測系統(tǒng)奠定理論依據。
　

3、　(2)針對諧振式光學陀螺輸出信號微弱的特點，采用了閉環(huán)鎖頻的信號檢測與控制方案。通過正弦波相位調制解調和相關檢測的方式，獲取高信噪比的陀螺輸出信號，并通過對激光器施加反饋信號，調諧其輸出頻率，使得陀螺的工作點始終位于諧振特性曲線的諧振頻率點，解決了由于薩格奈克效應引起的諧振頻差小帶來的測量靈敏度問題。
　　(3)選擇了基于FPGA的數字化正弦波調制解調技術作為諧振式光學陀螺的信號檢測方案，解決了傳統(tǒng)模擬電路穩(wěn)定性差、抗干擾能力差

4、的問題。在信號調制方法方面，本文采用頻率更高的正弦波信號調制，得到了更高信噪比的信號。
　　(4)將設計的數字化調制系統(tǒng)集成在單片F(xiàn)PGA上，為陀螺的集成化提供一條的發(fā)展途徑。該系統(tǒng)主要包括調制信號的產生、同步解調、PI反饋控制三個模塊。考慮到系統(tǒng)調制信號和測量信號存在初始相位差的問題，為此本文設計了雙相位的數字鎖相放大器，該電路能夠實現(xiàn)對微弱的待測信號進行幅度檢測。通過將該電路與模擬鎖相放大器進行對比，結果表明該鎖相放大器得到的