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谐振式光纤陀螺数字信号检测系统设计与实现

作　者: 姚灵芝
导　师: 马慧莲
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 谐振式光纤陀螺数字PI控制器 CORDIC算法 FPGA
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 60次
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内容摘要

光纤陀螺是一种基于光学Sagnac效应的高精度惯性角速度传感器,在各种导航和制导系统中起着重要作用。与发展相对成熟的干涉式光纤陀螺相比,谐振式光纤陀螺(RFOG)在实现系统小型化方面具备明显优势。相比于模拟检测电路,数字信号检测系统具有稳定性好、处理速度快、体积小和抗干扰能力强等优点。论文以FPGA为核心硬件单元,基于数字化正弦相位调制技术设计和实现了谐振式光纤陀螺数字信号检测系统,通过对谐振频率伺服回路锁定技术的优化,提高了频率锁定精度,在此基础上研制出可小型化的RFOG实验系统。具体来说,本文主要开展了如下研究工作：基于数字PI反馈控制技术实现了谐振频率锁定回路。建立了谐振频率伺服回路仿真模型,从噪声抑制、环路动态性能等方面优化了环路参数；引入复位机制,改善了环路长时间锁定性能；基于FPGA实现的数字PI控制器,降低了环路延时,极大的提高了环路对低频噪声的抑制能力。在积分时间为0.16s(带宽为1Hz)时,一小时测试时间,环路锁定精度为0.044°/h(1σ),接近RFOG的理论灵敏度。基于数字化正弦相位调制技术设计和实现了RFOG数字信号检测系统。以单片FPGA为核心硬件,利用CORDIC算法实现了正弦载波信号的产生和同步解调系统。通过对顺时针和逆时针光路采用不同频率的正弦波调制以及调制幅度的优化,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检测精度。设计的数字锁相放大器最小可检测10nV的信号,对应实际RFOG系统可检测转动角速度为104°/s。为方便对RFOG系统的实时调试和数据处理,设计了计算机与FPGA的串口通信控制系统,具备参数传送和信号采集双向传输功能,增强了系统的实用性和灵活性。将上述研制的以FPGA为核心的信号检测电路应用于实际RFOG系统,对陀螺转动信号进行了实际测试。利用高精度转台进行转动信号测试,得到了0.05°/s到5°/s的转动输出信号。同时对陀螺静止时的输出波动也进行了测试,在积分时间为0.16s(带宽为1Hz)时,1小时测试结果表明,研制的RFOG实验系统零偏稳定性为68.31°/h(1σ)。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目次  9-11
1 绪论  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 谐振式光纤陀螺的研究进展  12-18
  1.3 本论文意义及主要工作  18-21
2 谐振式光纤陀螺数字系统设计  21-38
  2.1 谐振式光纤陀螺基本原理  21-27
    2.1.1 光学Sagnac效应  21-22
    2.1.2 谐振式光纤陀螺基本原理  22-24
    2.1.3 调制解调技术  24-26
    2.1.4 数字信号检测系统  26-27
  2.2 数字化正弦相位调制技术  27-34
    2.2.1 CORDIC算法  27-30
    2.2.2 正弦相位调制技术  30-31
    2.2.3 数字锁相解调技术  31-34
  2.3 谐振频率伺服回路技术  34-36
  2.4 小结  36-38
3 谐振式光纤陀螺数字系统FPGA实现  38-62
  3.1 数字系统硬件平台  38-40
  3.2 数字相位调制模块  40-43
    3.2.1 电路设计  40-42
    3.2.2 参数及性能测试  42-43
  3.3 数字锁相解调模块  43-49
    3.3.1 电路设计  43-45
    3.3.2 数字低通滤波器  45-46
    3.3.3 锁相放大器性能测试  46-49
  3.4 谐振频率伺服模块  49-60
    3.4.1 数字PI电路设计  49-51
    3.4.2 锁频环路参数优化  51-56
    3.4.3 环路性能测试  56-60
  3.5 通信模块  60-61
  3.6 小结  61-62
4 实验结果与分析  62-68
  4.1 RFOG实验测试  62-67
    4.1.1 谐振曲线测试  62-63
    4.1.2 解调曲线测试  63-64
    4.1.3 锁频环路性能测试  64-65
    4.1.4 陀螺输出信号测试  65-67
  4.2 小结  67-68
5 总结与展望  68-70
  5.1 论文的主要研究成果  68-69
  5.2 进一步研究工作展望  69-70
参考文献  70-75
作者简历及攻读硕士学位期间所取得的科研成果和荣誉  75

谐振式光纤陀螺数字信号检测系统设计与实现

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