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Sagnac光纤干涉仪的数字闭环检测技术

作　者: 张大茂
导　师: 周柯江
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: Sagnac光纤干涉仪光纤陀螺数字闭环
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

Sagnac光纤干涉仪(Optical-Fiber Interferometer)在物体旋转绝对角速度以及电流强度的测量等方面有着广泛的应用。它的信号检测方案主要有两种,开环检测和闭环检测。与开环检测相比,闭环检测具有更大的动态范围以及更好的标度因数线性度,同时系统结构更加简单,更有利于系统的小型化、工程化以及批量化生产。本论文的内容是关于Sagnac光纤干涉仪的数字闭环检测技术研究。论文首先论述了数字闭环检测技术的基本原理,然后分别分析了数字闭环的系统结构、光路结构、光路器件以及光路噪声,最后重点分析了数字闭环的电路结构,电路模块对系统信噪比的优化作用,并设计了硬件电路。该数字闭环方案采用方波调制,阶梯波反馈的检测方案。信号的核心处理单元是FPGA,主闭环路的设计以及2π自动复位控制电路的设计均通过FPGA来实现。利用FPGA开发的优势,通过改变各个参数化模块的参数值,使得所设计的电路适用于不同环长的Sagnac光纤干涉仪。信号处理后的数据存于FPGA的寄存器中,通过在FPGA中设计通信控制器,实现FPGA与上位机的通信,而不需要额外的通信电路单元,从而简化了电路板的设计。所设计的数字闭环检测电路对一号(827 m环长)以及二号(1000 m环长)陀螺进行检测。对于一号陀螺,检测结果为:在动态范围为±70°/s的情况下,干涉式光纤陀螺的标度因数为159.1 bit/°/s、标度因数非线性为593.54 ppm、标度因数不对称性为377.12 ppm、零漂为4.9089°/h。所设计的数字闭环电路和锁定放大器仪器分别对二号陀螺进行检测。闭环电路的检测结果为:陀螺零漂为0.514°/h,陀螺零偏为-31.535°/h,标度因数为251.415 bit/°/s。锁定放大器仪器的检测结果为:陀螺的零漂为0.818°/h,零偏为-29.455°/h,标度因数为8.8 mv/°/s。实验结果表明,所设计的数字闭环检测电路适用于不同环长的光纤陀螺,并且利用锁定放大器仪器与所设计的数字闭环检测电路对陀螺进行检测,两者获得的实验结果进行比较,检测结果较为接近。

全文目录

致谢  5-8
摘要  8-9
Abstract  9-11
1 绪论  11-27
  1.1 Sagnac光纤干涉仪的历史发展及现状  11-16
    1.1.1 干涉式光纤陀螺的历史发展和应用  11-14
    1.1.2 全光纤电流互感器的历史发展和应用  14-16
  1.2 Sagnac光纤干涉仪的基本工作原理  16-19
  1.3 数字闭环检测技术原理  19-24
    1.3.1 开环检测的基本原理  20-21
    1.3.2 闭环检测的基本原理  21-24
  1.4 本论文的研究内容及安排  24-27
2 Sagnac光纤干涉仪的系统分析  27-48
  2.1 Sagnac光纤干涉仪闭环系统分析  27-33
    2.1.1 Sagnac光纤干涉仪闭环系统的结构  27-30
    2.1.2 数字闭环系统的信号分析  30-33
  2.2 Sagnac光纤干涉仪的光路系统分析  33-36
    2.2.1 干涉式光纤陀螺的光路结构  33-35
    2.2.2 全光纤电流互感器的光路结构  35-36
  2.3 Sagnac光纤干涉仪的光路器件分析  36-42
    2.3.1 SLD光源  36-38
    2.3.2 耦合器  38-39
    2.3.3 偏振器  39
    2.3.4 光探测器  39-40
    2.3.5 相位调制器  40-42
  2.4 Sagnac光纤干涉仪的光路噪声分析  42-47
    2.4.1 光路本征噪声分析  43-44
    2.4.2 光路非本征噪声分析  44-47
  2.5 本章小结  47-48
3 Sagnac干涉仪的电路系统分析与设计  48-75
  3.1 Sagnac干涉仪的闭环电路结构  48-49
  3.2 主闭环路的电路分析与设计  49-64
    3.2.1 解调器的电路分析与设计  50-54
    3.2.2 放大器与滤波器模块的分析与设计  54-55
    3.2.3 波形生成器的电路分析与设计  55-57
    3.2.4 AD转换器的分析与电路设计  57-59
    3.2.5 DA转换器的分析与电路设计  59-62
    3.2.6 主闭环路的FPGA电路设计  62-64
  3.3 2π自动复位电路的分析与设计  64-70
    3.3.1 2π自动复位系统的原理  65-67
    3.3.2 2π自动复位控制电路的设计  67-70
  3.4 通信模块的分析与设计  70-74
    3.4.1 基于FPGA的UART发射机的电路设计  70-72
    3.4.2 RS232接口电路的设计  72-74
  3.5 小结  74-75
4 实验结果与分析  75-82
  4.1 全数字闭环实验结果  75-77
  4.2 闭环系统测试  77-82
    4.2.1 陀螺主要参数测试方法及计算  77-78
    4.2.2 闭环陀螺测试结果  78-82
5 总结与展望  82-84
参考文献  84-88

Sagnac光纤干涉仪的数字闭环检测技术

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