谐振式光学陀螺频率锁定技术与FPGA实现

论文摘要

谐振式光学陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度的新型角速度传感器,其敏感器件光学环形谐振腔可以采用很短的光纤或集成光学的方法来实现,因而在小型化和集成化上具有独特的优势。在谐振式光学陀螺中,通过检测谐振腔顺时针和逆时针光路的谐振频率差得到角速率。实际光学器件如激光器、谐振腔受温度和应力等环境因素的影响,会在环路中引入各种互易性噪声,而Sagnac效应引起的顺时针和逆时针谐振频率的改变是非互易的,并且极其微弱。因此,谐振式光学陀螺的调制解调方式必须至少锁定其中一个方向传播的光波,利用频率伺服回路使激光器的输出光频率始终处于谐振状态,通过间接探测另一方向传播光波与激光器频差来得到角速度,频率跟踪锁定技术将直接影响陀螺实际检测精度。一方面需要建立良好的频率跟踪锁定回路以降低互易性噪声的影响;同时系统检测精度的最终实现直接依赖于处理电路精度。基于上述研究背景,本文对腔长为7.9 cm光波导环形谐振腔为核心敏感元件的谐振式光学陀螺系统,对激光器频率锁定回路分析设计的基础上,在单片FPGA上设计并研制了数字化处理电路,包括数字化LIA以及PI控制器为核心的频率伺服回路,并完成了整个陀螺系统的实验测试。具体来说,本文主要开展了如下研究工作:通过分析回路中各种互易性噪声特性及其传递规律,将激光器、环形谐振腔、光电探测器到锁相解调模块中的单位增益解调电路看作一整体,其数学模型等效为一可变增益K,利用该可变增益建立了简化的等效频率锁定环路模型;利用建立的频率锁定回路及噪声传递模型,提出用改进型的比例积分控制器构成频率伺服反馈环节,消除了环路中存在的阶跃响应稳态误差,减小了互易性噪声;分析了环路的捕捉特性和跟踪特性,优化了反馈参数,提高了频率锁定精度。由于模拟器件本身固有的1/f噪声和温度等引起的漂移噪声,尤其是乘法器引入的此类噪声会限制模拟锁相放大器的检测精度。本论文提出了一种基于CORDIC算法的数字锁相放大器的设计方案,并将数字化处理电路包含数字锁相放大器和PI控制器构成的频率伺服回路在单片FPGA上实现,避免了模拟器件自身的1/f噪声和温度等引起的漂移噪声。测试表明,研制的数字LIA最小可检测信号45 nV,对应谐振式光学陀螺系统峰峰值波动信号为0.03°/s;PI控制器构成的频率伺服回路精度为0.02°/s,阶跃响应时间60 ms。在上述分析和电路研制的基础上,对基于调相谱检测技术的谐振式光学陀螺系统进行了实际陀螺转动信号的测试,并对陀螺静止时的输出波动进行了测试,在10s的积分时间参数下,零偏约-12°/s,阈值精度0.1°/s。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 谐振式光学陀螺的背景
• 1.1.2 谐振式光学陀螺的研究现状
• 1.2 激光器频率锁定技术的研究进展
• 1.2.1 激光器频率锁定技术的研究意义
• 1.2.2 激光器频率锁定技术的研究现状
• 1.3 本论文的意义及工作
• 2 谐振式光学陀螺基本原理
• 2.1 Sagnac效应简介
• 2.2 环形腔的谐振原理
• 2.3 小结
• 3 谐振式光学陀螺中的频率锁定技术
• 3.1 频率锁定环路模型
• 3.1.1 调相谱检测模块的简化模型
• 3.1.2 PI控制器
• 3.2 频率锁定技术回路噪声模型
• 3.2.1 环路互易性噪声
• 3.2.2 频率锁定技术精度的判定
• 3.3 频率锁定回路特性分析
• 3.3.1 锁定误差分析
• 3.3.2 PI锁定的判决条件分析
• 3.3.3 环路的捕捉性能和跟踪性能
• 3.4 频率锁定环路参数选择
• 3.5 小结
• 4 谐振式光学陀螺数字化检测电路
• 4.1 锁相放大器原理与设计指标
• 4.1.1 锁相放大器的原理
• 4.1.2 锁相放大器基本组成
• 4.1.3 锁相放大器的设计指标
• 4.2 数字锁相放大器设计
• 4.2.1 CORDIC算法与实现
• 4.2.2 数字锁相放大器的设计
• 4.3 PI控制器的实现
• 4.4 小结
• 5 实验结果与分析
• 5.1 频率锁定环路的调试结果
• 5.2 锁相放大器的调试
• 5.3 陀螺系统调试
• 5.4 小结
• 6 总结和展望
• 参考文献
• 作者简历及硕士期间发表论文和获奖情况