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双路闭环谐振式光纤陀螺数字信号检测系统的设计与实现

作　者: 卢霄
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 数字信号检测系统 双路闭环检测
分类号: TN911.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 44次
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内容摘要


谐振式光纤陀螺(RFOG)与传统的干涉式光纤陀螺一样基于光学Sagnac效应,其突出优点是可用短光纤获得高精度,是光纤陀螺小型化的重要途径。相对于模拟信号检测系统,RFOG的数字信号检测系统具有体积小、处理速度快、稳定性好和抗干扰能力强等优点。相对于单路闭环检测,双路闭环RFOG系统能够提高系统的线性度和动态范围。论文以FPGA为核心,设计并实现了双路闭环RFOG的数字信号检测系统。具体来说,本文主要开展了如下研究工作：(1)基于正弦相位调制解调技术设计并实现了RFOG的数字信号检测系统。利用CORDIC算法,在FPGA上实现了正弦调制信号的产生及信号的同步解调。实验结果表明,研制的数字信号检测系统等效输入噪声为9.95nV√Hz。(2)基于伺服控制器设计并实现了RFOG的谐振频率伺服回路。在比例积分控制器的基础上加入重积分项,用于抑制谐振频率线性漂移引入的锁定偏差,实验结果表明,研制的伺服控制器极大地减小了锁定回路的稳态误差。同时,通过设计自动控制复位技术,有效地减小了伺服控制器溢出复位脉冲的影响,复位重新锁定时间从8s降低到了5ms。(3)基于相位调制器设计并实现了高精度的等效移频器。通过改进数字锯齿波调制技术,提高了移频器的移频精度和移频范围。设计的移频器频率分辨率可达0.0075Hz,对于谐振腔直径为12cm的RFOG,其等效检测精度为0.03°/h。(4)基于串口通信设计并实现了计算机与FPGA之间的通信系统,实现了对FPGA参数的实时控制调节以及对FPGA内部信号的高速采样,增强了系统的灵活性和实用性。将上述以FPGA为核心的数字信号检测系统应用于双路闭环RFOG系统,实验结果表明：在1s积分时间下,谐振频率伺服回路等效锁定精度为0.18°/h(1σ)；在105s积分时间下,陀螺输出的零偏稳定性优于0.5°/h；相对于单路闭环检测,双路闭环检测RFOG系统将检测范围从±215°/s扩大到了±1507°/s,提高了7倍,在相同的±215°/s检测区间内,标度因素的非线性度从1.2%降低到了0.02%(200ppmm),改善了60倍。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目次  9-11
1 绪论  11-18
  1.1 引言  11-12
  1.2 谐振式光纤陀螺的研究进展  12-16
  1.3 本论文的意义及主要工作  16-18
2 双路闭环谐振式光纤陀螺数字信号检测系统的设计  18-35
  2.1 双路闭环谐振式光纤陀螺基本原理  18-26
    2.1.1 光学Sagnac效应  18-20
    2.1.2 正弦相位调制解调技术  20-22
    2.1.3 双路闭环检测技术  22-26
  2.2 数字信号检测系统设计  26-34
    2.2.1 正弦相位调制解调技术设计  27-28
    2.2.2 谐振频率伺服回路设计  28-31
    2.2.3 基于PM的移频模块设计  31-34
  2.3 小结  34-35
3 双路闭环谐振式光纤陀螺数字信号检测系统的实现  35-61
  3.1 双路闭环数字信号检测系统  35-36
  3.2 调制信号发生模块  36-38
    3.2.1 电路设计  36
    3.2.2 调制信号性能测试  36-38
  3.3 数字锁相解调模块  38-41
    3.3.1 电路设计  38
    3.3.2 数字低通滤波器  38-39
    3.3.3 数字锁相放大器性能测试  39-41
  3.4 谐振频率伺服模块  41-52
    3.4.1 伺服控制器  41-45
    3.4.2 自动控制复位技术  45-52
  3.5 基于PM的移频模块  52-58
    3.5.1 电路设计  53
    3.5.2 移频模块性能测试  53-58
  3.6 通信模块  58-59
  3.7 小结  59-61
4 实验结果与分析  61-69
  4.1 双路闭环谐振式光纤陀螺  61-62
  4.2 谐振曲线与解调曲线测试  62-63
  4.3 谐振频率伺服回路性能测试  63-64
  4.4 陀螺输出特性测试  64-68
    4.4.1 零偏稳定性测试  64-65
    4.4.2 摆动测试  65-66
    4.4.3 动态范围及标度因素非线性度测试  66-68
  4.5 小结  68-69
5 总结与展望  69-71
  5.1 论文的主要研究成果  69-70
  5.2 进一步研究工作展望  70-71
参考文献  71-76
作者简历及攻读硕士学位期间所取得的科研成果和荣誉  76

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 信息论 > 信号检测与估计
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