光纤陀螺信号处理线路FPGA实现

论文摘要

陀螺是重要的惯性传感器,是导航和制导系统的基础部件。基于Sagnac效应的光学陀螺有许多其他陀螺无法取代的独特优点,它全部由固态器件组成,相对于传统的机械陀螺来说,可以承受更大的振动和冲击,具有寿命长、动态范围宽、功耗低、质量轻等优点。本文首先对光纤陀螺工作原理作简要介绍,然后讨论了光纤陀螺相位调制原理、方波调制方案,接着详细分析了闭环光纤陀螺的阶梯波调制原理。并对开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺进行了比较,证明了闭环光纤陀螺系统的优越性。然后,对光纤陀螺系统进行了对象建模和闭环回路控制器设计,并进行了相应的仿真,由仿真曲线能够看出所设计的控制器参数满足了系统的需要。为消除温度变化引起的参数摄动而产生系统误差,在阶梯波调制方式中引入了第二闭环回路的方案。设计了光纤陀螺闭环检测方案,包括前端干涉信号检测转换器、驱动反馈转换器的设计,以及数字阶梯波反馈的设计。最后,光纤陀螺全部数字信号处理功能由FPGA独立完成,其中详细介绍了光纤陀螺闭环数字系统的设计,包括:系统时钟模块、数字解调模块、调制信号发生器模块、2π复位模块和串行通信模块等。还分析了光纤陀螺信号处理中的滤波问题,为后续工作打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 光纤陀螺的研究概况、应用现状及发展趋势
• 1.2.1 光纤陀螺的发展现状
• 1.2.2 光纤陀螺技术的发展趋势
• 1.2.3 国内研究情况及应用
• 1.3 光纤陀螺研究的关键技术
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 干涉式光纤陀螺的工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 萨格奈克效应
• 2.2.1 真空中的萨格奈克效应
• 2.2.2 介质中的萨格奈克效应
• 2.3 光纤陀螺的噪声分析
• 2.3.1 光纤陀螺的光路噪声
• 2.3.2 光纤陀螺的电路噪声
• 2.4 闭环光纤陀螺信号调制
• 2.4.1 相位调制技术
• 2.4.2 方波调制原理
• 2.4.3 阶梯波调制原理
• 2.5 光纤陀螺的检测方案
• 2.5.1 开环检测方案
• 2.5.2 闭环检测方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 光纤陀螺建模仿真与控制回路的研究
• 3.1 引言
• 3.2 系统动态建模与仿真
• 3.3 控制器参数对系统性能影响的仿真
• 3.4 数字光纤陀螺双闭环控制结构
• 3.4.1 主控制回路
• 3.4.2 2π复位与第二反馈回路
• 3.5 本章小结
• 第4章 数字闭环光纤陀螺检测
• 4.1 光纤陀螺的相关检测技术
• 4.1.1 相关函数
• 4.1.2 相关检测原理
• 4.2 闭环检测方案的分析与设计
• 4.2.1 前端检测电路设计
• 4.2.2 A/D转换器单元
• 4.2.3 闭环光纤陀螺信号的相关检测
• 4.2.4 D/A转换器单元
• 4.2.5 数字阶梯波反馈
• 4.3 本章小结
• 第5章 光纤陀螺数字信号处理实现
• 5.1 引言
• 5.2 基于FPGA的闭环光纤陀螺的基本组成
• 5.3 光纤陀螺信号处理模块FPGA具体实现
• 5.3.1 系统控制时钟
• 5.3.2 数据解调单元
• 5.3.3 调制信号发生器单元
• 5.3.4 2π复位模块的设计
• 5.3.5 串行UART单元
• 5.4 光纤陀螺信号处理中的滤波
• 5.4.1 生成阶梯波时的数字滤波
• 5.4.2 阶梯高度作为测速信号时的输出滤波
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录
• 致谢