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二频机抖激光陀螺信号的高速采集与处理

作　者: 粟荣涛
导　师: 胡绍民
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光陀螺 高速采集 鉴相 三十二倍频 闭锁阈值 量化误差 Allan方差
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


激光陀螺(RLG)是基于Sagnac效应的角速度传感器,在惯性导航等领域有重要的应用。二频机抖激光陀螺(DRLG)是应用最广泛的一种RLG,它通过信号读出装置输出两路相位差为π/2的正弦拍频信号。采集该信号进行分析,可以得出闭锁阈值、抖动调制和放电噪声等信息;对该信号进行鉴相、计数和解调,可以获得DRLG的转动角速度信息。论文设计了DRLG信号采集系统,对DRLG信号进行采集分析,得出了DRLG的闭锁阈值;研究DRLG信号处理方法,设计信号处理系统,提高了DRLG信号处理的分辨率。首先,设计了DRLG信号采集处理系统的硬件。模数转换器(ADC)和FPGA分别完成对信号的采集和处理,USB和RS-232作为板卡与计算机通信的方式,SDRAM提供大量的数据缓存空间。接着,介绍了DRLG信号采集系统的设计方案。该系统提供两路14位精度、最高60MHz采样频率的数据采集通道,能够同时对DRLG两路信号进行高速高精度数据采集。该系统通过上位机软件控制板卡的工作状态,设置和切换数据采集模式。FPGA接收计算机指令并协调控制ADC、SDRAM和USB接口芯片,实现对信号的采集、缓存和传输。SDRAM完成海量数据缓存,USB接口芯片工作在SlaveFIFO模式下,实现板卡与计算机之间的通信。然后,实现了DRLG的高分辨率信号处理。将模拟信号转换成数字信号并进行数字信号处理,把两路相位差为π/2的拍频信号细分成16路相位依次相差π/16的拍频信号,再通过过零比较和去噪处理得到16路方波信号。设计四倍频、八倍频、十六倍频和三十二倍频鉴相逻辑,由这些方波信号得到相应倍频的计数脉冲输出。采用高速采样滤波法和抖动剥除法实现对抖动信号的解调。最后,用设计的DRLG信号采集处理系统进行实验。根据DRLG相位差方程分析了旋转角速度恒定时DRLG输出信号中各次谐波的幅度关系,将DRLG放在转台上以恒定转速方式工作,高速采集DRLG信号并进行谐波分析解算出闭锁阈值,对锁区测量的结果进行了分析。对信号源信号和DRLG信号进行了测试,实验结果表明信号处理系统工作正常、稳定可靠,使用高倍频鉴相可有效提高分辨率。在对DRLG信号进行抖动剥除解调时,Allan方差分析表明由于量化误差是主要误差源之一,高分辨率信号处理能够有效减小量化误差、提高DRLG的测量精度。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章 绪论  13-18
  1.1 二频机抖激光陀螺概述  13-15
    1.1.1 激光陀螺的工作原理  13-14
    1.1.2 机械抖动偏频技术  14-15
  1.2 DRLG 信号采集处理的研究现状  15-16
  1.3 课题研究意义和论文主要工作  16-18
第二章 信号采集处理系统的硬件设计  18-25
  2.1 硬件整体设计  18-19
    2.1.1 信号采集处理系统对硬件的要求  18
    2.1.2 硬件的整体结构  18-19
  2.2 各功能模块的电路设计  19-23
    2.2.1 供电电路  19-20
    2.2.2 信号调理电路  20
    2.2.3 ADC 选型及外围电路  20-21
    2.2.4 FPGA 选型及外围电路  21-22
    2.2.5 SDRAM 电路  22
    2.2.6 USB 接口电路  22
    2.2.7 RS-232 电平转换电路  22-23
  2.3 PCB 设计  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章 信号采集系统的软件设计  25-35
  3.1 信号采集系统的结构  25
  3.2 高速缓存采集的FPGA 程序设计  25-29
    3.2.1 FPGA 程序的整体设计  25-26
    3.2.2 ADC 控制程序  26
    3.2.3 SDRAM 控制程序  26-28
    3.2.4 NIOSⅡ软核处理器及应用程序的设计  28-29
  3.3 实时采集的FPGA 程序设计  29-31
    3.3.1 FPGA 程序设计  29-30
    3.3.2 NIOSII 软核处理器及应用程序的设计  30-31
  3.4 USB 接口芯片的程序设计  31-33
  3.5 上位机程序开发  33-34
  3.6 本章小结  34-35
第四章 高分辨率信号处理的方法研究及软件设计  35-49
  4.1 四倍频鉴相和抖动信号解调简介  35-37
    4.1.1 四倍频鉴相  35-36
    4.1.2 抖动信号的解调方法  36-37
  4.2 提高计数分辨率的方法研究  37-40
    4.2.1 信号倍频的方法  37-38
    4.2.2 信号细分的方法  38-40
  4.3 倍频与鉴相的FPGA 程序设计  40-42
    4.3.1 程序的整体结构  40-41
    4.3.2 拍频信号的细分处理  41
    4.3.3 方波转换  41-42
    4.3.4 数字延迟滤波  42
    4.3.5 倍频与鉴相  42
  4.4 抖动信号的高速采样滤波解调  42-46
    4.4.1 高速采样滤波FPGA 程序的整体设计  42-43
    4.4.2 CIC 滤波器设计  43-44
    4.4.3 NIOSⅡ软核处理器与程序设计  44-46
  4.5 抖动信号的抖动剥除解调  46-47
    4.5.1 自适应滤波与抖动剥除  46
    4.5.2 抖动剥除解调的硬件结构  46-47
  4.6 LabVIEW 测试程序设计  47-48
  4.7 本章小结  48-49
第五章 信号采集处理的实验分析  49-61
  5.1 信号的采集与分析  49-52
    5.1.1 锁区对DRLG 信号的影响  49
    5.1.2 闭锁阈值的测量  49-52
  5.2 高分辨率信号处理的测试与分析  52-59
    5.2.1 信号源输出信号测试  52-54
    5.2.2 DRLG 零偏稳定性测试  54-55
    5.2.3 DRLG 误差源的Allan 方差分析  55-59
  5.3 本章小结  59-61
第六章 总结  61-63
  6.1 论文主要工作  61
  6.2 不足与展望  61-63
致谢  63-64
参考文献  64-68
作者在学期间取得的学术成果  68-69
附录A 信号采集的NIOSII 程序流程图  69-71
附录B 十六倍频和三十二倍频的鉴相逻辑表达式  71-74
附录C 信号采集与处理系统的电路图  74-76
附录D 板卡FPGA 的引脚分配  76-78

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电导航 > 各种体制的导航系统
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