干涉式光纤陀螺信号处理电路的设计与实现

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光纤陀螺(FOG)是基于Sagnac效应的用于检测相对惯性空间旋转角速度的一种光纤传感器。光纤陀螺按其工作原理又可以分为干涉式光纤陀螺(IFOG)、谐振式光纤陀螺(RFOG)和受激布里渊散射式光纤陀螺(BFOG)三种。其中干涉式光纤陀螺的相关理论研究已经比较成熟,在工程上得到了广泛的应用,而谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射式光纤陀螺目前尚处在进一步研究阶段。干涉式光纤陀螺根据检测方法的不同又可以分为开环检测和闭环检测两种。本文提出、设计并实现了一种基于线性可变差动变压器芯片(LVDT)的新型模拟开环检测电路。该电路利用LVDT芯片产生30KHz的正弦波作为陀螺的调制信号,经过正弦波调制的陀螺输出信号含有调制信号的基频项和倍频项,分别含正比于Sagnac相移的正弦值和余弦值。我们利用两个带通滤波器分别将基频项和倍频项提取出来送入LVDT信号处理电路。倍频项直接在LVDT芯片内部进行解调,基频项则通过对调制信号进行移相来进行解调。最后通过LVDT芯片内部的低通滤波器和除法器我们可以得到Sagnac相移的正切值,在输入角速度比较小的情况下,输出电压与输入角速度近似成线性关系。实验结果表明:该信号的光纤陀螺标度因数为0.2769V/°/s,零偏为-49.6°/h,输出零偏结果的一个标准差为6.6489°/h。数字闭环检测电路采用方波调制,阶梯波反馈的方案。首先通过实验测试光纤陀螺的渡越时间τ,FPGA产生方波调制信号的周期即为2τ。对陀螺的输出信号进行高速采样送入FPGA进行信号处理,将相邻两个τ内的信号相减作为误差控制信号。将得到的误差信号通过积分反馈控制环节形成阶梯波信号,其刚好抵消陀螺由于旋转引起的Sagnac相移。方波调制信号和反馈信号阶梯波叠加后均加到相位调制器铌酸锂(LiNbO3)。同时,为了消除电路参数随温度的漂移、铌酸锂半波电压变化带来的2π复位电压不精确,引入了第二闭环控制电路来调节2π复位电压。最终的输出结果由FPGA设计的UART实现与上位机的通信。测试结果表明:数字闭环采用的光纤陀螺的标度因数稳定性为163ppm,零偏为-4.552°/h,零偏不稳定性为0.03°/h,随机游走系数为0.00892°/(?)h。
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