光纤陀螺原理课件

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光纤陀螺捷联惯导课题组专题研讨,光纤陀螺信号处理原理、方案及实现,光纤陀螺捷联惯导课题组专题研讨光纤陀螺信号处理原理、方案及实,1,研讨内容：,干涉式光纤陀螺基本原理简介；,信号的偏置调制与解调；,闭环工作方案与实现；,基于FPGA的信号处理及时序控制,；,信号处理电路板介绍；,FPGA,程序介绍。,研讨内容： 干涉式光纤陀螺基本原理简介；,2,干涉式光纤陀螺基本原理,等价的概念：,环形干涉仪光纤陀螺,光纤线圈 光纤环,相位调制器Y波导（Y分支）,群传输时间渡越时间,萨格奈克相位差Sagnac,干涉式光纤陀螺基本原理等价的概念：,3,干涉式光纤陀螺基本原理,光纤陀螺基于萨格奈克（Sagnac）效应，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。,干涉式光纤陀螺基本原理 光纤陀螺基于萨格奈克（,4,干涉型光纤陀螺（I-FOG）就是一个光纤Sagnac干涉仪，它利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光；把光相位的直接测量变为光强度的测量，从而较简单地测出Sagnac相位变化。,光纤陀螺中Sagnac相位差的响应（光强I）为,S,的余弦函数：,干涉式光纤陀螺基本原理,干涉型光纤陀螺（I-FOG）就是一个光纤Sagna,5,干涉式光纤陀螺基本原理,光源发出的光经过耦合器后分为两束光，其中的一束光进入电光相位调制器（Y波导），经过Y波导的内部调节后输出的两束光为满足光的相干条件，这两束光在光纤环中相向传播，感应外部的角速度运动，在探测器处检测干涉信号光强变化，经过光电信号处理转换之后，形成闭环反馈电压信号来调节Y波导，使Y波导产生与外部Sagnac相移大小相等方向相反的反馈相移，使数字闭环光纤陀螺始终工作在零点相移附近，在数据处理的同时即可以获取外部的角速度信息。,干涉式光纤陀螺基本原理 光源发出的光经过耦,6,信号的偏置调制与解调,b,必须和预定的灵敏度一样稳定！,信号的偏置调制与解调b必须和预定的灵敏度一样稳定！,7,“互易性偏置调制解调”,在光纤线圈的一端放置一个互易性相位调制器作为时延线，可完全克服相位,偏置的漂移问题。,由于互易性，两束干涉波受到完全相同的相位调制，但,不同时,，其时延等于,调制器和分束器之间的长、短光路的群传输时间之差,。,信号的偏置调制与解调,“互易性偏置调制解调” 在光纤线圈的一端放置一,8,于是，干涉信号变为：,这种方法可以用一个方波调制来实现，即 ，其中方波的半周期等于,，,从而产生一个 的偏置调制。,静止时，方波的两种调制态给出相同的信号：,旋转时，则有：,两种调制态之差变为：,信号的偏置调制与解调,于是，干涉信号变为：这种方法可以用一个方波调制来实现，即,9,0,I,t,0,t,偏置调制,光强响应,检测光强信号,静止,旋转,信号的偏置调制与解调,0It0t偏置调制光强响应检测光强信号静止旋,10,用锁定放大器对探测器信号进行解调，可以测量这个“偏置”信号,，当,时有最大灵敏度，此时 。,由于这种调制解调方法能够产生一个具有稳定偏置的正弦响应(未加调制的余弦响应的导数)，目前已经作为最佳的偏置技术被广泛采纳。,稳定的零点,信号的偏置调制与解调,用锁定放大器对探测器信号进行解调，可以测量这个“偏置”信号,11,0,t,V,0,t,m,0,t,m,信号的偏置调制与解调,0tV0tm0tm信号的偏置调制与解调,12,偏置调制状态选择的依据：,最佳性能来自于最佳的,信噪比,；考虑理论光子噪声及探测器热噪声，偏置工作点可以选在 之间，不会削弱信噪比。,信号的偏置调制与解调,偏置调制状态选择的依据：信号的偏置调制与解调,13,信号的偏置调制与解调,四状态,信号的偏置调制与解调四状态,14,闭环工作方案与实现,前面描述的调制解调检测方案能够保持环形干涉仪的互易性，因而可以得到很好的,零偏,性能。,当然，倘若高性能光纤陀螺仪必须有一个稳定的和低噪声的零偏，它也同样需要在整个动态范围内而不仅仅在零点附近具有好的精度。,重要的测量参数是旋转的积分角位移而不只是速率，任何过去的误差都将影响未来的信息。这一约束意味着，在任何速率上都需要一个精确的测量值（也即要有一个精确的标度因数）。,这就是说，干涉仪的固有响应是正弦,型的，,而所需的陀螺仪速率响应信号应是线性的。,这个问题可以采用,闭环信号处理方法,来解决。,闭环工作方案与实现 前面描述的调制解调检测方案,15,解调出的偏置信号（或开环信号）作为一个误差信号反馈回系统中，以产生一个附加的反馈相位差,FB,。,FB,与旋转引起的相位差,S,大小相等、符号相反，总的相位差,T,= ,S,+ ,FB,被司服控制在零位上。,在这种闭环方案中，新的测量信号是反馈相位，它与反馈的光功率和检测通道的增益无关，这样就得到了一个稳定性好的线性响应。,旋转速率的测量值变为：,闭环工作方案与实现,解调出的偏置信号（或开环信号）作为一个误,16,闭环工作的原始方案之一：利用频移由声光调制器（AOM）也称为布喇格元件产生频移。事实上，萨格奈克效应可以用线圈分束器上的多普勒效应来解释，这样，位于线圈一端的频移器可以使萨格奈克效应的多普勒频移置零,。,稳定性！,闭环工作方案与实现,闭环工作的原始方案之一：利用频移由声光调制,17,原始方案二：模拟相位斜波锯齿波调制,通过采用一个线性相位斜波，可以克服声光频移器的稳定性问题。,频率是相位的导数，运用一个相位调制器来代替频移器施加相位斜波调制,（其中 是斜率），等价于一个频移。,这种处理方案允许在零点附近正向或负向工作（与斜波斜率的符号关）。,实际上，锯齿波调制波形在复位时必须具有很快的,回扫时间,。它要求相位,调制器在很大的带宽内具有平坦的调制效率。,闭环工作方案与实现,原始方案二：模拟相位斜波锯齿波调制闭环工作方案与实现,18,设想，当处理回路为闭环时，通过调节斜率 补偿旋转引起的相位差 ，使总的相位差 为零：,锯齿波复位高度 必须等于干涉仪的响应周期2,rad,，否则这种复位会引起误差。,也即：,复位后， 由零变为,。,闭环工作方案与实现,设想，当处理回路为闭环时，通过调节斜率,19,复位误差,为简单起见，考虑干涉仪施加偏置后的正弦响应。,当 时信号为零，但在每个复位后的时间,内，信号变为 。,这种寄生信号可以作为一个方便的误差信号，用于在每个复位触发第二个,反馈回路，以检验相位调制器的调制效率。,闭环工作方案与实现,复位误差闭环工作方案与实现,20,采用第二个处理回路，复位被精确地控制在2,上，因此正、负复位的计数提供了旋转角的精确测量。,由于 ，斜率 与旋转速率,成正比：,这种模拟相位斜波反馈方案看起来很有吸引力，但它需要很短的和非常稳定的回扫时间，才能得到很高的标度因数稳定性和线性度。,一般地，10ppm的标度因数稳定性要求回扫时间小于光纤环传输时间的1%（也即小于几十纳秒）。,闭环工作方案与实现,采用第二个处理回路，复位被精确地控制在2上，,21,现用方案,数字相位斜波,利用数字方法很容易解决模拟相位斜波反馈的回扫问题。,“数字相位斜波”产生一个持续时间等于,的相位台阶 ，,取代连续斜波。由于光纤环圈的延迟，数字相位斜波引起的相位差 为常数，且等于台阶高度。,这些相位台阶和复位可以与方波偏置调制同步：方波半周期等于,。,相位台阶的幅值 通过相位置零反馈回路来设置，与旋转引起的萨格奈克相位差 大小相等、符号相反：,这个 值给出的是旋转速率的线性读出值。,闭环工作方案与实现,现用方案数字相位斜波闭环工作方案与实现,22,闭环工作方案与实现,闭环工作方案与实现,23,数字相位斜波的产生：,数字寄存器容纳相位台阶的数字值D,J,其动态范围可以很大,（大于25位）。数字积分器产生阶梯斜波的数字值D,R,。一个,D/A转换器和一个缓冲放大器产生相位调制器的模拟驱动电压。,对于N位的D/A，可以在 的动态范围内把数字,量D转化为一个模拟电压，其中V,LSB,是与最低有效位（LSB）对应,的驱动电压。,当D,R,大于 时，自动溢出产生的电压等于 。,如果调节调制通道的增益，使满足：,其中V,是产生,rad,相移的电压，此时溢出自动地产生一个复位，,它等效于模拟斜波的,2,复位，因而不会产生任何标度因数误差。,这种自动溢出可以采用一个相位斜波，也可以采用相位斜波,和方波调制的数字和。这允许Y分支的两个调制器采用,推挽,连接，,减少他们的整体非线性误差。,数字相位斜波的真正“魅力”，是运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值，都能通过转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位。这样可以非常容易地实现这项有效的技术。,闭环工作方案与实现,数字相位斜波的产生： 数字相位斜波的真正“魅力”,24,数字相位斜波技术优势：,在数字方案中，复位和台阶都与时钟时间,同步。这样，通过在每次回扫时触发第二个反馈回路，放宽了将 的值精确控制为2,的要求。由于第二个反馈回路也与,同步，因此不受方波调制的瞬态过程的干扰。,2. 尽管从2rad到0.1rad,的分辨率之间实际的动态范围高达,26,位，但数字相位斜波不需要位数很大的D/A转换器！（对D/A转换器的一般性能要求是线性度误差小于一个LSB。）,3. 实时速率测量值是相位台阶 的数字值D,J,，存储在数字逻辑电路的寄存器中。用来驱动电路的时钟必须与光纤线圈的传输时间,近似匹配，以便于限制瞬时脉冲的宽度，但台阶值与,没有直接关系。当,变化时，会轻微地改变选通的瞬时脉冲的宽度，而反馈台阶的值 保持不变。利用数字斜波和一个稳定的电子时钟，标度因数基本上只与线圈几何长度上的萨格奈克效应有关，而与折射率没有关系。,4. 数字斜波方法允许将动态范围很容易地扩展到几个条纹。存储在寄存器中的相位台阶幅值可以对应着大于,rad,的相位，,D/A,转换器的溢出自动把实际的相位调制范围限制在小于2,。,闭环工作方案与实现,数字相位斜波技术优势：闭环工作方案与实现,25,闭环工作方案与实现,闭环工作方案与实现,26,A/D转换器,D/A转换器,增益,调制器Y波导,FPGA,D/A转换器,第二回路,信号输出,探测器,滤波器,闭环工作方案与实现,采用第二个反馈回路控制调制幅值的全数字闭环方案原理图,A/D转换器D/A转换器增益调制器Y波导FPGAD/A转换,27,光纤陀螺原理课件,28,