光纖陀螺原理演示文稿

光纖陀螺原理演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有26頁\編輯于星期五研討內(nèi)容：干涉式光纖陀螺基本原理簡介；信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)；閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)；基于FPGA的信號(hào)處理及時(shí)序控制；信號(hào)處理電路板介紹；FPGA程序介紹?，F(xiàn)在是2頁\一共有26頁\編輯于星期五干涉式光纖陀螺基本原理等價(jià)的概念：

環(huán)形干涉儀——光纖陀螺光纖線圈——光纖環(huán)相位調(diào)制器——Y波導(dǎo)（Y分支）群傳輸時(shí)間——渡越時(shí)間薩格奈克相位差——Sagnac——現(xiàn)在是3頁\一共有26頁\編輯于星期五干涉式光纖陀螺基本原理光纖陀螺基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)，即當(dāng)環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正比于旋轉(zhuǎn)速率的相位差。

現(xiàn)在是4頁\一共有26頁\編輯于星期五 干涉型光纖陀螺（I-FOG）就是一個(gè)光纖Sagnac干涉儀，它利用干涉測量技術(shù)把相位調(diào)制光轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹{(diào)制光；把光相位的直接測量變?yōu)楣鈴?qiáng)度的測量，從而較簡單地測出Sagnac相位變化。光纖陀螺中Sagnac相位差的響應(yīng)（光強(qiáng)I）為ΔΦS的余弦函數(shù)：干涉式光纖陀螺基本原理現(xiàn)在是5頁\一共有26頁\編輯于星期五干涉式光纖陀螺基本原理

光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后分為兩束光，其中的一束光進(jìn)入電光相位調(diào)制器（Y波導(dǎo)），經(jīng)過Y波導(dǎo)的內(nèi)部調(diào)節(jié)后輸出的兩束光為滿足光的相干條件，這兩束光在光纖環(huán)中相向傳播，感應(yīng)外部的角速度運(yùn)動(dòng)，在探測器處檢測干涉信號(hào)光強(qiáng)變化，經(jīng)過光電信號(hào)處理轉(zhuǎn)換之后，形成閉環(huán)反饋電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)Y波導(dǎo)，使Y波導(dǎo)產(chǎn)生與外部Sagnac相移大小相等方向相反的反饋相移，使數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺始終工作在零點(diǎn)相移附近，在數(shù)據(jù)處理的同時(shí)即可以獲取外部的角速度信息?，F(xiàn)在是6頁\一共有26頁\編輯于星期五信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)Φb必須和預(yù)定的靈敏度一樣穩(wěn)定！現(xiàn)在是7頁\一共有26頁\編輯于星期五“互易性偏置調(diào)制—解調(diào)”在光纖線圈的一端放置一個(gè)互易性相位調(diào)制器作為時(shí)延線，可完全克服相位偏置的漂移問題。由于互易性，兩束干涉波受到完全相同的相位調(diào)制，但不同時(shí)，其時(shí)延等于調(diào)制器和分束器之間的長、短光路的群傳輸時(shí)間之差τ。信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)現(xiàn)在是8頁\一共有26頁\編輯于星期五于是，干涉信號(hào)變?yōu)椋哼@種方法可以用一個(gè)方波調(diào)制來實(shí)現(xiàn)，即，其中方波的半周期等于τ，從而產(chǎn)生一個(gè)的偏置調(diào)制。靜止時(shí)，方波的兩種調(diào)制態(tài)給出相同的信號(hào)：旋轉(zhuǎn)時(shí)，則有：兩種調(diào)制態(tài)之差變?yōu)椋盒盘?hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)現(xiàn)在是9頁\一共有26頁\編輯于星期五

0It0t偏置調(diào)制光強(qiáng)響應(yīng)檢測光強(qiáng)信號(hào)靜止旋轉(zhuǎn)信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)現(xiàn)在是10頁\一共有26頁\編輯于星期五用鎖定放大器對(duì)探測器信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，可以測量這個(gè)“偏置”信號(hào)ΔΙ，當(dāng)時(shí)有最大靈敏度，此時(shí)。由于這種調(diào)制—解調(diào)方法能夠產(chǎn)生一個(gè)具有穩(wěn)定偏置的正弦響應(yīng)(未加調(diào)制的余弦響應(yīng)的導(dǎo)數(shù))，目前已經(jīng)作為最佳的偏置技術(shù)被廣泛采納。穩(wěn)定的零點(diǎn)信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)現(xiàn)在是11頁\一共有26頁\編輯于星期五0tV0tΔφm0tφm信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)現(xiàn)在是12頁\一共有26頁\編輯于星期五偏置調(diào)制狀態(tài)選擇的依據(jù)：最佳性能來自于最佳的信噪比；考慮理論光子噪聲及探測器熱噪聲，偏置工作點(diǎn)可以選在之間，不會(huì)削弱信噪比。信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)現(xiàn)在是13頁\一共有26頁\編輯于星期五信號(hào)的偏置調(diào)制與解調(diào)四狀態(tài)——現(xiàn)在是14頁\一共有26頁\編輯于星期五閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)前面描述的調(diào)制—解調(diào)檢測方案能夠保持環(huán)形干涉儀的互易性，因而可以得到很好的零偏性能。當(dāng)然，倘若高性能光纖陀螺儀必須有一個(gè)穩(wěn)定的和低噪聲的零偏，它也同樣需要在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)而不僅僅在零點(diǎn)附近具有好的精度。重要的測量參數(shù)是旋轉(zhuǎn)的積分角位移而不只是速率，任何過去的誤差都將影響未來的信息。這一約束意味著，在任何速率上都需要一個(gè)精確的測量值（也即要有一個(gè)精確的標(biāo)度因數(shù)）。這就是說，干涉儀的固有響應(yīng)是正弦型的，而所需的陀螺儀速率響應(yīng)信號(hào)應(yīng)是線性的。這個(gè)問題可以采用閉環(huán)信號(hào)處理方法來解決?，F(xiàn)在是15頁\一共有26頁\編輯于星期五解調(diào)出的偏置信號(hào)（或開環(huán)信號(hào)）作為一個(gè)誤差信號(hào)反饋回系統(tǒng)中，以產(chǎn)生一個(gè)附加的反饋相位差ΔφFB。ΔφFB與旋轉(zhuǎn)引起的相位差ΔφS大小相等、符號(hào)相反，總的相位差ΔφT=ΔφS+ΔφFB被司服控制在零位上。在這種閉環(huán)方案中，新的測量信號(hào)是反饋相位，它與反饋的光功率和檢測通道的增益無關(guān)，這樣就得到了一個(gè)穩(wěn)定性好的線性響應(yīng)。旋轉(zhuǎn)速率的測量值變?yōu)椋洪]環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是16頁\一共有26頁\編輯于星期五閉環(huán)工作的原始方案之一：利用頻移——由聲光調(diào)制器（AOM）也稱為布喇格元件產(chǎn)生頻移。事實(shí)上，薩格奈克效應(yīng)可以用線圈分束器上的多普勒效應(yīng)來解釋，這樣，位于線圈一端的頻移器可以使薩格奈克效應(yīng)的多普勒頻移置零。穩(wěn)定性！閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是17頁\一共有26頁\編輯于星期五原始方案二：模擬相位斜波——鋸齒波調(diào)制通過采用一個(gè)線性相位斜波，可以克服聲光頻移器的穩(wěn)定性問題。頻率是相位的導(dǎo)數(shù)，運(yùn)用一個(gè)相位調(diào)制器來代替頻移器施加相位斜波調(diào)制（其中是斜率），等價(jià)于一個(gè)頻移。這種處理方案允許在零點(diǎn)附近正向或負(fù)向工作（與斜波斜率的符號(hào)關(guān)）。實(shí)際上，鋸齒波調(diào)制波形在復(fù)位時(shí)必須具有很快的回掃時(shí)間。它要求相位調(diào)制器在很大的帶寬內(nèi)具有平坦的調(diào)制效率。閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是18頁\一共有26頁\編輯于星期五設(shè)想，當(dāng)處理回路為閉環(huán)時(shí)，通過調(diào)節(jié)斜率補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)引起的相位差，使總的相位差為零：鋸齒波復(fù)位高度必須等于干涉儀的響應(yīng)周期2πrad，否則這種復(fù)位會(huì)引起誤差。也即：復(fù)位后，由零變?yōu)?。閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是19頁\一共有26頁\編輯于星期五復(fù)位誤差為簡單起見，考慮干涉儀施加偏置后的正弦響應(yīng)。當(dāng)時(shí)信號(hào)為零，但在每個(gè)復(fù)位后的時(shí)間τ內(nèi)，信號(hào)變?yōu)?。這種寄生信號(hào)可以作為一個(gè)方便的誤差信號(hào)，用于在每個(gè)復(fù)位觸發(fā)第二個(gè)反饋回路，以檢驗(yàn)相位調(diào)制器的調(diào)制效率。閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是20頁\一共有26頁\編輯于星期五采用第二個(gè)處理回路，復(fù)位被精確地控制在2π上，因此正、負(fù)復(fù)位的計(jì)數(shù)提供了旋轉(zhuǎn)角的精確測量。由于，斜率與旋轉(zhuǎn)速率Ω成正比：這種模擬相位斜波反饋方案看起來很有吸引力，但它需要很短的和非常穩(wěn)定的回掃時(shí)間，才能得到很高的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性和線性度。一般地，10ppm的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性要求回掃時(shí)間小于光纖環(huán)傳輸時(shí)間的1%（也即小于幾十納秒）。閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是21頁\一共有26頁\編輯于星期五現(xiàn)用方案——數(shù)字相位斜波利用數(shù)字方法很容易解決模擬相位斜波反饋的回掃問題。“數(shù)字相位斜波”產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間等于τ的相位臺(tái)階，取代連續(xù)斜波。由于光纖環(huán)圈的延遲，數(shù)字相位斜波引起的相位差為常數(shù)，且等于臺(tái)階高度。這些相位臺(tái)階和復(fù)位可以與方波偏置調(diào)制同步：方波半周期等于τ。相位臺(tái)階的幅值通過相位置零反饋回路來設(shè)置，與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差大小相等、符號(hào)相反：這個(gè)值給出的是旋轉(zhuǎn)速率的線性讀出值。閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是22頁\一共有26頁\編輯于星期五閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是23頁\一共有26頁\編輯于星期五數(shù)字相位斜波的產(chǎn)生：數(shù)字寄存器容納相位臺(tái)階的數(shù)字值DJ,其動(dòng)態(tài)范圍可以很大（大于25位）。數(shù)字積分器產(chǎn)生階梯斜波的數(shù)字值DR。一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)緩沖放大器產(chǎn)生相位調(diào)制器的模擬驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)于N位的D/A，可以在的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)把數(shù)字量D轉(zhuǎn)化為一個(gè)模擬電壓，其中VLSB是與最低有效位（LSB）對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)DR大于時(shí)，自動(dòng)溢出產(chǎn)生的電壓等于。如果調(diào)節(jié)調(diào)制通道的增益，使?jié)M足：其中Vπ是產(chǎn)生πrad相移的電壓，此時(shí)溢出自動(dòng)地產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位，它等效于模擬斜波的2π復(fù)位，因而不會(huì)產(chǎn)生任何標(biāo)度因數(shù)誤差。這種自動(dòng)溢出可以采用一個(gè)相位斜波，也可以采用相位斜波和方波調(diào)制的數(shù)字和。這允許Y分支的兩個(gè)調(diào)制器采用推挽連接，減少他們的整體非線性誤差。數(shù)字相位斜波的真正“魅力”，是運(yùn)用數(shù)字邏輯和D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)任何臺(tái)階值，都能通過轉(zhuǎn)換器的自動(dòng)溢出，自然產(chǎn)生一個(gè)合適的同步復(fù)位。這樣可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)有效的技術(shù)。閉環(huán)工作方案與實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是24頁\一共有26頁\編輯于星期五數(shù)字相位斜波技術(shù)優(yōu)勢：在數(shù)字方案中，復(fù)位和臺(tái)階都與時(shí)鐘時(shí)間τ同步。這樣，通過在每次回掃時(shí)觸發(fā)第二個(gè)反饋回路，放寬了將的值精確控制為2π的要求。由于第二個(gè)反饋回路也與τ同步，因此不受方波調(diào)制的瞬態(tài)過程的干擾。2.盡管從2πrad到0.1μrad的分辨率之間實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)26位，但數(shù)字相位斜波不需要位數(shù)很大的D/A轉(zhuǎn)換器?。▽?duì)D/A轉(zhuǎn)換器的一般性能要求是線性度誤差小于一個(gè)LSB。）3.實(shí)時(shí)速率測量值是相位臺(tái)階的數(shù)字值DJ，存儲(chǔ)在數(shù)字邏輯電路的寄存器中。用來驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘必須與光纖線圈的傳輸時(shí)間τ近似匹配，以便于限制瞬時(shí)脈沖的寬度，但臺(tái)階值與τ沒有直接關(guān)系。當(dāng)τ變化時(shí)，會(huì)輕微地改