基于FPGA的激光陀螺数字化控制系统的研究

论文摘要

环形激光陀螺是捷联惯导系统的主要部件之一，有着极大的市场前景和研究价值。国外在这一领域的领先技术，我国与之比较还存在较大差距。针对国内对高精度环形激光陀螺的需求，本文把FPGA应用于激光陀螺控制系统之中，设计了以FPGA为控制核心的激光陀螺数字化控制系统，代替了传统陀螺光路控制系统和抖动偏频控制系统，解决了激光陀螺数字化研制中的关键技术，对提高激光陀螺性能和生产效率具有重要意义。本文介绍了激光陀螺的基本工作原理，讨论了激光陀螺光路控制和抖动偏频控制的必要性。在对激光陀螺原理深入理解的基础上，本文设计了环形激光陀螺光路控制的数字化系统，通过在FPGA中实现小抖动稳频方法，完成环形激光陀螺光强和程长的控制，并设计了一种基于FPGA的脉宽调制（PWM）抖动偏频系统，能够在激光陀螺内部实现抖动驱动和随机噪声注入，解决了激光陀螺数字化必须解决的关键技术，采用PWM的方式实现激光陀螺的抖动偏频控制，大大缩小了激光陀螺的体积。本文采用FPGA作为系统的核心处理芯片，在FPGA中分模块实现了环形激光陀螺光强控制、程长控制以及抖动偏频控制电路。在完成数字电路的设计后，本文参照GJB2427-95标准通过实验与传统模拟控制方式进行了比较，实验结果表明两种控制方式的结果差别不大，属于可接受范围，从而验证了数字式光路控制系统设计的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 论文研究的相关技术理论
• 2.1 Sagnac 效应
• 2.2 激光陀螺的光路控制
• 2.3 激光陀螺闭锁现象
• 2.4 数字 PID 控制理论
• 2.5 本章小结
• 3 系统模型的建立及各模块的分析
• 3.1 需求分析
• 3.2 模型的建立
• 3.3 光路控制系统的结构及分析
• 3.4 抖动偏频控制系统的结构及分析
• 3.5 本章小结
• 4 激光陀螺数字化控制系统的实现
• 4.1 外围控制电路的实现
• 4.1.1 拍频信号前端处理电路
• 4.1.2 D/A 输出模块
• 4.2 光强控制回路
• 4.3 程长控制回路
• 4.3.1 信号发生器模块
• 4.3.2 FIR 数字滤波器
• 4.3.3 相敏解调模块
• 4.3.4 程长 PID 控制器
• 4.4 抖动偏频控制回路
• 4.4.1 数字锁相环
• 4.4.2 脉宽调制
• 4.4.3 伪随机噪声
• 4.5 本章小结
• 5 系统的实际应用及功能测试
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢