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《浙江大学》 2008年
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三角波调制的谐振式光纤陀螺数字检测系统设计

李牡铖  
【摘要】: 谐振式光纤陀螺(R-FOG)是一种基于光学Sagnac效应的高精度惯性角速度传感器。由于Sagnac效应是一种极其微弱的效应,信号检测系统在R-FOG中占有十分重要的地位,检测系统精度直接影响陀螺的测试精度。检测处理电路的数字化及采用闭环系统是高精度、高可靠性陀螺发展的必经之路。 论文首先对基于三角波调制技术的R-FOG进行数字检测系统设计,利用相位调制器上施加三角波调制对输入环形谐振腔的激光进行正负频率的双频率组合调制,以方波作为参考信号,利用锁相放大器同步解调光电探测器的输出方波幅度,其中环形谐振腔一个方向(如逆时针光束)的解调输出信号反馈调节激光器频率实现环路的闭环跟踪锁定,另一个方向(顺时针光束)的解调信号则作为系统的开环转动信号。 在对环形谐振腔频率进行跟踪锁定时,实验中观察到光电探测器输出方波信号存在下跳/过冲等畸变现象,分析发现这是环形谐振腔对三角波调制后的激光的瞬态响应过程,进一步分析了瞬态响应时间与环形谐振腔参数的关系,以及对方波畸变程度的影响。通过对畸变方波信号进行解调发现,当采用稳定状态的值进行解调或利用过采样取多点进行累加平均解调的方法可以减小畸变对解调值的影响。在数字调制R-FOG系统中,模拟相位斜波数字化的关键在于数字相位斜波台阶持续时间等于光在环形谐振腔内一周的渡越时间。通过对光场矢量相位关系的分析发现数字相位斜波台阶持续时间和渡越时间不等时,会导致输出信号发生波动和解调曲线发生漂移,需要采用累加平均的解调方法与正、负频率对称的双频率调制来克服信号波动对解调值的影响和解调曲线的漂移。 由于陀螺响应输出信号十分微弱,对旋转引起的谐振频率偏差进行直接测量很困难,需要将环形谐振腔的其中一路解调输出作为误差信号控制激光器输出光频率实现环路的跟踪锁定。以谐振频率偏差作为研究对象,提取了环路的简化数学模型,分析了数字控制器对环路锁定的影响,采用比例积分控制器较采用比例控制器可以减小稳态误差,并通过实验分析了环路锁定的性能。在数字检测系统中,通过FPGA实现各个主要功能模块,计算了数字锁相放大器抑制噪声的能力,并通过与参考信号相位的对准实现最大的解调幅度。 通过以上工作,建立了R-FOG的实验系统,以FPGA为核心完成数字检测电路的调试以及和光路系统的联合调试,测试了实验系统陀螺效应,分辨率约为0.50°/S。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:V241.5

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