基于拍频检测的谐振式光纤陀螺数字处理平台设计与实现

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:minglinjiang
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谐振式光纤陀螺(R-FOG)在Sagnac效应的基础上利用光波叠加原理,通过光纤谐振腔产生谐振现象,仅依靠十几米光纤便可实现角速度测量,在小型化、低成本方面具有诸多优势。传统的R-FOG设计方案采用的激光器体积较大、成本较高,本论文针对这一问题,设计了一种以DFB激光驱动系统和拍频信号检测系统为核心的谐振式光纤陀螺数字处理平台,能够有效减小激光器体积和成本,省略调制解调及数字频率锁定相关环节,且测量范围不再受解调线性区限制。本论文主要完成以下工作:首先,详细介绍Sagnac效应的基本光学原理以及基于拍频的R-FOG相关技术原理,给出透射式光纤谐振腔的作用原理和数学模型,并在此基础上进一步描述了R-FOG中拍频产生的数学模型,引入激光自注入锁定技术实现频率锁定,最后确定了基于拍频检测的陀螺整体光路系统。其次,针对陀螺输出拍频信号及其检测的相关要求,设计了基于拍频信号产生与检测技术的数字处理平台设计方案。方案主要包含基于恒温、恒流控制的DFB半导体激光器驱动系统和基于TDC测量技术的拍频信号检测系统。对恒温、恒流闭环控制回路相关电路设计进行详细介绍,简述TDC时间测量技术原理和一般检测方法。本论文所设计的数字处理平台较之传统R-FOG数字平台结构更加简洁,体积更加微小,成本更加低廉,且减小了解调性区间对测量的影响,扩大了测量范围。然后,完成了数字处理平台具体硬件电路实现。其中包含:以STM32为核心控制单元,设计了基于LTC1923、AD、DA和高精度运放等元件闭环控制的激光器恒温、恒流控制系统,该系统使激光器工作于稳定状态,输出窄线宽和具有较高纯净度的激光信号,且可自由调谐驱动电流大小,从而移动激光中心频率;以FPGA为核心运算单元,设计了基于TDC-GP22的拍频信号检测系统,该系统可实现陀螺输出拍频信号高精度时间长度测量,从而得出拍频频率。最后,搭建数字平台的测试环境,对平台各模块及整体进行测试工作。完成激光器驱动系统恒温稳定性测试工作,试验结果表明,温度稳定性良好;完成恒流稳定性和调谐操作线性度测试工作,试验结果表明电流稳定性,调谐线性度良好,为注入锁定提供了稳定的激光信号;完成双激光器叠加拍频测试工作,实验结果表明激光器驱动系统工作稳定,可产生明显稳定的拍频,初步验证了方案的合理性;完成拍频检测系统时间长度测量工作,时间测量结果表明,所设计的拍频检测系统测量工作正常,能够实现时间间隔信息测量,验证了拍频检测系统的合理性。
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