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谐振式微光学陀螺双路闭环信号检测技术研究

作　者: 孙众
导　师: 马慧莲
学　校: 浙江大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 谐振式光学陀螺双路闭环信号检测技术 FPGA
分类号: TH824.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 39次
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内容摘要

光学陀螺是基于Sagnac效应的高精度惯性角速度传感器,在传感技术研究中占有重要地位。谐振式微光学陀螺(Resonator Micro Optic Gyro, RMOG)以光波导谐振腔为核心敏感元件,相比于技术较为成熟的干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro, IFOG)在小型化和集成化方面有其独特的优势。目前陀螺所采用的单路闭环RMOG系统,由于环路延时的存在,影响了闭环路对激光器频率噪声的抑制能力,为进一步提高噪声抑制能力,开环路往往采用比较小的输出带宽,影响了RMOG系统的响应带宽,使系统的跟踪性能变差。双路闭环结构能够更好的利用系统的互易性,直接获得频差信号作为陀螺输出,具有单路闭环系统所不具备的优势。本论文针对单路闭环系统中存在的问题,提出双路闭环的RMOG信号检测技术方案。通过在环路中增加声光移频器(Acoustic Optic Frequency Shifter, AOFS)及压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)的方法,在元件结构上,构建了对逆时针(Counter clockwise, CCW)环路和顺时针(Clockwise, CW)环路完全互易的双路闭环信号检测系统,将CCW与CW两路光同时锁定在各自的谐振频率上,通过检测两光路的谐振频率差直接获取陀螺转动信号。相比于单路闭环系统,双路闭环系统能够在保证系统响应带宽的条件下,提高对激光器频率噪声的抑制能力。论文在基于正弦波相位调制技术、PI反馈为核心的激光频率锁定技术的基础上,在环路中引入声光移频器,建立了双路闭环的RMOG系统；建立基于Matlab/Simulink的系统仿真模型,对单路闭环系统和双路闭环系统的带宽特性、激光器频率噪声抑制特性等进行了对比分析,在元件结构上,确定了CW和CCW光路完全互易的双路闭环系统方案；并进一步结合实际RMOG系统中CCW和CW光路间的参数差异,对闭环参数进行了优化设计,在保证激光器频率噪声抑制能力的条件下,尽量增大系统响应带宽；结合光学噪声抑制和信号检测要求,完成了调制信号的性能指标分析,利用CORDIC算法,实现了正弦波信号的数字化,并在单片FPGA上实现了调制信号产生、解调等功能；利用VCO和AOFS以及基于NI DAQ板卡和LabVIEW实现的PI反馈控制器,实现了双路闭环；最后,将研制的双路闭环信号检测方案应用于实际的RMOG系统,经过1小时的测试,陀螺零偏稳定性为2.52°/s,理论带宽为5Hz。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-11
1 绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 谐振式光学陀螺研究现状  12-22
    1.2.1 谐振式光学陀螺研究进展  12-16
    1.2.2 谐振式光学陀螺中的信号检测技术  16-22
  1.3 本论文的意义及工作  22-24
2 双路闭环谐振式光学陀螺  24-46
  2.1 Sagnac效应  24-25
  2.2 开环谐振式光学陀螺的基本原理  25-36
    2.2.1 开环谐振式光学陀螺的相位调制方法  25-32
    2.2.2 开环谐振式光学陀螺系统特性分析  32-36
  2.3 双路闭环谐振式光学陀螺的基本原理  36-44
    2.3.1 双路闭环谐振式光学陀螺的基本组成  36-37
    2.3.2 双路闭环系统的建模与特性分析  37-44
  2.4 小结  44-46
3 双路闭环系统的实现  46-70
  3.1 双路闭环系统参数选择  46-51
  3.2 双路闭环系统的实现  51-68
    3.2.1 调制信号指标分析  52-60
    3.2.2 检测电路的实现  60-68
  3.3 小结  68-70
4 实验结果与分析  70-74
  4.1 实验测试系统  70
  4.2 实验测试  70-73
    4.2.1 谐振曲线测试  70-71
    4.2.2 解调曲线测试  71
    4.2.3 路锁定测试  71-73
    4.2.4 陀螺输出信号测试  73
  4.3 小结  73-74
5 总结与展望  74-77
参考文献  77-82
作者简历  82

谐振式微光学陀螺双路闭环信号检测技术研究

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