基于FPGA的双激光器谐振式光纤陀螺信号检测系统设计

论文摘要

陀螺仪作为一种角速度传感仪器,被广泛应用于民用、军事等领域,小至手机、汽车,大到火箭、卫星等。谐振式光纤陀螺仪利用Sagnac效应结合谐振腔形成的多光束干涉产生的谐振现象,通过检测顺逆时针两路光谐振点频率之差来获得角速度信息,然而Sagnac效应十分微弱,需要运用微弱信号处理的方法来进行信号的检测,将角速度信息从众多噪声中提取出来。对于谐振式光纤陀螺,瑞利背向散射噪声是最主要的噪声之一,对于第一类背向散射噪声现在已经有成熟的方案来抑制,对于第二类背向散射噪声的主流抑制方法还是载波抑制,但此种方法有两大缺点,其一是容易受外界温度变化的影响,其二是要做到调制电压的精确控制很难。基于以上研究现状,本文从抑制第二类背向散射的目的出发,采用两个激光器来搭建谐振式光纤陀螺系统,结合光锁相环实现从激光器对主激光器频率的跟踪和锁定,建立了双激光器谐振式光纤陀螺的信号检测系统,具体开展了以下的研究工作:(1)针对单激光器光源的谐振式光纤陀螺第二类背向散射噪声难以抑制的问题,提出并设计了双激光器系统的总体方案,并对该系统进行了信号检测原理的分析,然后对方案设计的重要器件进行了分析和选型。(2)针对应用于谐振式光纤陀螺的光锁相环技术,本文根据双激光器谐振式光纤陀螺的原理,建立了系统中光锁相环部分的数学模型。对于光锁相环的实现方法,用180°光混频器和平衡光探测器获得了拍频光,结合DDS芯片产生的高稳定频差信号,利用鉴频鉴相器实现拍频信号和参考频差信号的二次混频,选用超低电压和电流噪声的运放和传统PID控制相结合的方法实现了环路滤波器的作用。(3)本文在Cordic算法产生正弦调制波的基础上,设计了一种利用全并行乘法器和FIR滤波器组成的锁相放大解调方案,利用FPGA芯片内部高性能的IP核实现了数字信号的高速处理。在上述工作的基础上,建立了并行式增量PI控制的锁频算法,结合仿真对各参数进行了调整。以FPGA为核心器件,选取了合适的模数及数模转换芯片,增强了系统的可靠性。(4)最后,本论文对双激光器谐振式光纤陀螺系统进行了整体的测试,并且完成了对信号检测各个模块的测试和验证。双激光器谐振式陀螺的设计和实现,对抑制第二类背向散射,提高系统精度具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题的来源
•   1.2 课题研究的背景和意义
•   1.3 谐振式光纤陀螺研究现状
•     1.3.1 谐振式光纤陀螺国内外研究现状
•     1.3.2 谐振式光纤陀螺信号检测研究现状
•   1.4 论文主要工作及本文内容结构
• 第2章 双激光器谐振式光纤陀螺系统方案设计
•   2.1 谐振式光纤陀螺的基本原理
•     2.1.1 Sagnac效应
•     2.1.2 谐振腔的谐振特性
•   2.2 总体方案设计
•   2.3 信号检测原理及分析
•     2.3.1 抑制背散原理
•     2.3.2 信号检测原理
•     2.3.3 信号检测硬件需求分析
•   2.4 光路系统器件选型
•   2.5 本章小结
• 第3章 信号检测系统分析及仿真
•   3.1 信号检测方案设计
•   3.2 双激光器谐振式光纤陀螺仿真
•     3.2.1 锁相放大解调
•     3.2.2 PI锁频
•     3.2.3 光锁相环
•   3.3 本章小结
• 第4章 信号检测系统设计与实现
•   4.1 频差信号检测实现
•     4.1.1 光电探测器
•     4.1.2 前置放大与滤波电路
•     4.1.3 AD转换电路
•     4.1.4 数字信号处理
•     4.1.5 DA转换电路
•   4.2 光锁相环锁频实现
•   4.3 本章小结
• 第5章 实验验证及结果分析
•   5.1 光路系统与信号检测系统
•   5.2 频差信号闭环检测测试
•     5.2.1 谐振现象测试
•     5.2.2 调制现象测试
•     5.2.3 解调现象测试
•     5.2.4 锁频现象测试
•   5.3 陀螺输出测试
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 盛夏

导师: 高伟

关键词: 谐振式光纤陀螺,双激光器,光锁相环

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学,自动化技术

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 中国博士后基金

分类号: TN791;TN248;TP212

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003777

总页数: 80

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