諧振式光學陀螺頻率鎖定技術與FPGA實現(xiàn).pdf

1、諧振式光學陀螺是一種基于Sagnac效應的高精度的新型角速度傳感器，其敏感器件光學環(huán)形諧振腔可以采用很短的光纖或集成光學的方法來實現(xiàn)，因而在小型化和集成化上具有獨特的優(yōu)勢。在諧振式光學陀螺中，通過檢測諧振腔順時針和逆時針光路的諧振頻率差得到角速率。實際光學器件如激光器、諧振腔受溫度和應力等環(huán)境因素的影響，會在環(huán)路中引入各種互易性噪聲，而Sagnac效應引起的順時針和逆時針諧振頻率的改變是非互易的，并且極其微弱。因此，諧振式光學陀螺的調制

2、解調方式必須至少鎖定其中一個方向傳播的光波，利用頻率伺服回路使激光器的輸出光頻率始終處于諧振狀態(tài)，通過間接探測另一方向傳播光波與激光器頻差來得到角速度，頻率跟蹤鎖定技術將直接影響陀螺實際檢測精度。一方面需要建立良好的頻率跟蹤鎖定回路以降低互易性噪聲的影響；同時系統(tǒng)檢測精度的最終實現(xiàn)直接依賴于處理電路精度?；谏鲜鲅芯勘尘?，本文對腔長為7.9 cm光波導環(huán)形諧振腔為核心敏感元件的諧振式光學陀螺系統(tǒng)，對激光器頻率鎖定回路分析設計的基礎上，在

3、單片F(xiàn)PGA上設計并研制了數(shù)字化處理電路，包括數(shù)字化LIA以及PI控制器為核心的頻率伺服回路，并完成了整個陀螺系統(tǒng)的實驗測試。具體來說，本文主要開展了如下研究工作：
　　 通過分析回路中各種互易性噪聲特性及其傳遞規(guī)律，將激光器、環(huán)形諧振腔、光電探測器到鎖相解調模塊中的單位增益解調電路看作一整體，其數(shù)學模型等效為—可變增益K，利用該可變增益建立了簡化的等效頻率鎖定環(huán)路模型；利用建立的頻率鎖定回路及噪聲傳遞模型，提出用改進型的比例積

4、分控制器構成頻率伺服反饋環(huán)節(jié)，消除了環(huán)路中存在的階躍響應穩(wěn)態(tài)誤差，減小了互易性噪聲；分析了環(huán)路的捕捉特性和跟蹤特性，優(yōu)化了反饋參數(shù)，提高了頻率鎖定精度。
　　 由于模擬器件本身固有的1/f噪聲和溫度等引起的漂移噪聲，尤其是乘法器引入的此類噪聲會限制模擬鎖相放大器的檢測精度。本論文提出了一種基于CORDIC算法的數(shù)字鎖相放大器的設計方案，并將數(shù)字化處理電路包含數(shù)字鎖相放大器和PI控制器構成的頻率伺服回路在單片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)，避免了

5、模擬器件自身的1/f噪聲和溫度等引起的漂移噪聲。測試表明，研制的數(shù)字LIA最小可檢測信號45 nV，對應諧振式光學陀螺系統(tǒng)峰峰值波動信號為0.03°/s；PI控制器構成的頻率伺服回路精度為0.02°/s，階躍響應時間60 ms。
　　 在上述分析和電路研制的基礎上，對基于調相譜檢測技術的諧振式光學陀螺系統(tǒng)進行了實際陀螺轉動信號的測試，并對陀螺靜止時的輸出波動進行了測試，在10s的積分時間參數(shù)下，零偏約—12°/s，閾值精度0.1