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光纤干涉信号的数字处理方法的研究

作　者: 胡科可
导　师: 周柯江
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 光纤陀螺 数字开环检测 数字闭环检测 ADSP-21992
分类号: TN911.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 43次
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内容摘要


光纤双光束干涉信号的数字处理方法研究主要针对Sagnac干涉仪,即干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro, IFOG),其常用作为高精度的惯性角速度传感器,在导航和制导领域占据重要的地位。本文第一部分主要介绍基于FPGA的开环光纤陀螺的数字系统设计方法的研究。相比于传统的模拟开环检测电路,数字开环检测系统具有更好的稳定性、高集成度的体积以及较强的抗干扰能力等优点。针对大多数DSP开环检测方案,本文提出了一种基于CORDIC算法及微弱信号检测原理,以FPGA为数字核心运算单元,实现调制正弦波的产生以及各次谐波信号的解调。最终实现干涉信号的一次谐波、二次谐波以及四次谐波的解调输出。本文第二部分重点对数字闭环光纤陀螺干涉信号的数字检测系统作了研究。首先介绍陀螺的系统结构,以及其相关误差机理分析。闭环数字检测系统采用传统的方波调制解调以及阶梯波反馈方案。介于已有的A/D转换器+FPGA以及A/D+CPLD+DSP为核心的检测方案,本设计将采用ADI公司高度集成化的ADSP-21992芯片做高速采样及信号处理。将干涉产生的Sagnac旋转相移φs通过ADSP芯片的A/D转换器控制端高速采样送入DSP数字处理模块,得到相位的误差信息并通过积分反馈控制形成阶梯波反馈相位φf,抵消其产生的Sagnac相移。将方波调制信号叠加至反馈阶梯波一起通过反馈通道施加到相位调制器(LiNbO3)上,从而实现第一闭环反馈。同时,为了修正2π电压随温度漂移引起的误差,通过第二闭环反馈控制来调节LiNbO3的2π复位电压。最终通过ADSP的同步串行口SPORT实现与上位机的数据传输。该系统的实验结果主要包括零偏为-7.29°/h(包含当地自转-7.56°/h),零偏稳定性约为0.012°/h,随机游走系数为0.0045°/(?)h,标度因素非线性度为3.88ppm。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-19
  1.1 引言  11-12
  1.2 干涉式光纤陀螺的发展  12-14
  1.3 Sagnac光纤干涉的工作原理  14-16
  1.4 本论文的意义及主要工作  16-19
2 干涉式光纤陀螺的系统结构  19-32
  2.1 光纤陀螺光学结构分析  19-25
    2.1.1 宽谱光源SLD  19-21
    2.1.2 耦合器Coupler  21-22
    2.1.3 Y波导集成器件  22-23
    2.1.4 光纤环圈  23-24
    2.1.5 光电探测器PINFET  24-25
  2.2 光纤陀螺误差机理及分析  25-31
    2.2.1 零偏稳定性  25-30
    2.2.2 随机游走噪声  30-31
    2.2.3 标度因素误差  31
  2.3 本章小结  31-32
3 开环光纤陀螺干涉信号的数字系统方案设计  32-45
  3.1 开环光纤陀螺的系统框架  32-33
  3.2 开环光纤陀螺检测原理  33-34
  3.3 锁相放大检测及CORDIC算法  34-38
    3.3.1 锁相放大检测原理  34-36
    3.3.2 CORDIC算法基本原理  36-38
  3.4 环光纤陀螺的数字系统设计  38-44
    3.4.1 数字系统硬件平台设计  38-39
    3.4.2 相位调制模块  39-41
    3.4.3 锁相解调模块  41-42
    3.4.4 数字低通滤波器  42-44
  3.5 本章小结  44-45
4 闭环光纤陀螺干涉信号检测方案设计  45-65
  4.1 闭环光纤陀螺的相位调制及反馈技术  45-50
    4.1.1 相位调制方案设计  46-47
    4.1.2 反馈通道设计  47-48
    4.1.3 硬件电路设计  48-50
  4.2 A/D转换电路分析  50-53
  4.3 修正2π电压误差分析  53-55
  4.4 DSP处理器硬件设计  55-60
    4.4.1 闭环检测系统硬件概述  56-57
    4.4.2 DSP芯片ADSP-21992介绍  57-58
    4.4.3 串行外设接口SPI  58-59
    4.4.4 同步串行口SPORT  59-60
    4.4.5 JTAG仿真接口  60
  4.5 闭环检测系统软件整体结构设计  60-64
    4.5.1 ADSP开发工具VisualDSP++  61
    4.5.2 程序流程图  61-64
  4.6 本章小结  64-65
5 开环及闭环检测方案的实验结果  65-71
  5.1 开环光纤陀螺数字系统设计方法的实验结果  65-67
    5.1.1 开环光纤陀螺探测器输出测试  65-66
    5.1.2 IIR滤波器模块调试结果  66-67
    5.1.3 系统方案实现结果  67
  5.2 闭环光纤陀螺检测方案的实验结果  67-71
    5.2.1 主闭环回路  68
    5.2.2 第二闭环回路  68-69
    5.2.3 数字闭环光纤陀螺测试结果  69-71
6 论文的总结和展望  71-73
参考文献  73-76
作者简历及硕士期间发表论文和获奖情况  76

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 信号处理
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