專利名稱：一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于模擬相位比較的調(diào)頻連續(xù)波雙干渉式光纖陀螺開環(huán)檢測電路，屬于光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖陀螺作為發(fā)展極為迅速的ー種新型慣性角速度傳感器，以其特有的技術(shù)和性能優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛用于各領(lǐng)域。國際上通用的光纖陀螺形式為單干渉式，即利用ー套光路(ー個保偏光纖環(huán))的快軸或者慢軸實現(xiàn)Sagnac干涉儀，通過分別按照順時針(CW)、逆時針(CCW)傳播的兩束主波列之間的干渉來解算載體轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的Sagnac相移。這種干涉儀雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是隨著光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，其體積、重量與精度之間的矛盾日益突出，以現(xiàn)有的技術(shù)和エ藝水平，在維持精度的前提下，進(jìn)ー步減小體積、重量很難實現(xiàn)突破，反之亦然。調(diào)頻連續(xù)波雙干渉式光纖陀螺與傳統(tǒng)的單干涉式光纖陀螺所不同的是，當(dāng)正反方向的光波進(jìn)入光纖環(huán)時，能夠同時利用保偏光纖的快軸和慢軸獨立傳輸光波，從而實現(xiàn)了ー套光路，兩套干涉儀，并且在輸出時對這兩套干涉信號做差分，從而消除環(huán)境擾動導(dǎo)致的共模誤差，提高陀螺系統(tǒng)的信噪比。由于光路的干渉原理、調(diào)制的機(jī)制以及光路輸出信號的特性與傳統(tǒng)單干渉光纖陀螺完全不一樣，所以調(diào)頻連續(xù)波雙干渉式光纖陀螺不可能利用現(xiàn)有單干涉光纖陀螺的檢測電路去解算Sagnac非互易相移，因此必須根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波干渉式光纖陀螺原理方案的具體特點研究相應(yīng)的檢測電路方案。調(diào)頻連續(xù)波雙干渉式光纖陀螺是最近提出的新型光纖陀螺，目前還沒有針對這種陀螺的檢測電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對調(diào)頻連續(xù)波雙干渉式光纖陀螺儀，設(shè)計了相應(yīng)的開環(huán)檢測電路，即通過檢測兩路輸出信號的相位差來解算Sagnac相移。本發(fā)明提出的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，包括模擬前處理和數(shù)字域處理兩部分，其中模擬前處理部分包括帶通濾波模塊、整形模塊和乘法器、AD前處理部分，數(shù)字域處理部分為FPGA處理模塊，包括AD采集器和FPGA處理模塊?；谙辔槐容^調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的快慢軸發(fā)出的兩路干渉信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換后，分別通過通濾波模塊進(jìn)行濾波，再經(jīng)過整形模塊整形，然后將整形后的兩路干渉信號輸入乘法器中進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算后經(jīng)過AD前處理部分的低通濾波以及前置放大處理后，輸入AD采集器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸入FPGA編程模塊，通過對相位差信號的幅值信息進(jìn)行累加求平均實現(xiàn)鑒相。所述的AD前處理部分包括低通濾波器和AD前置放大器8 ;乘法器的輸出信號經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行展寬，經(jīng)過低通濾波器濾波后的信號進(jìn)入AD前置放大器8，經(jīng)前置放大處理后輸入AD采集器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化。所述的FPGA處理模塊的還包括有判向模塊、程序下載模塊、與上位機(jī)通信模塊三個部分；所述的判向模塊將整形模塊的過零比較后的兩路方波信號通過兩個電平轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換為適合FPGA編程模塊的輸入的電平，然后根據(jù)兩路方波信號的上升沿到達(dá)時間的先后，來判斷陀螺是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)；程序下載模塊實現(xiàn)將程序下載到FPGA編程模塊的芯片上；與上位機(jī)通信模塊采用3. 3V供電的RS422收發(fā)器芯片，實現(xiàn)FPGA編程模塊與上位機(jī)之間通イ目。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于(I)本發(fā)明提出一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，通過檢測兩路信號的相位差來完成對調(diào)頻連續(xù)波干渉式這種新型光纖陀螺儀的定量檢測。(2)本發(fā)明提出一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，消除了調(diào)頻周期及幅值變化給相位差檢測帶來的影響。(3)本發(fā)明提出一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路。其差分檢測方式能夠較好地抑制光纖陀螺的共模誤差。


圖I :本發(fā)明提出的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖2 :本發(fā)明中調(diào)頻連續(xù)雙干渉式光纖陀螺輸出的兩路受鋸齒波調(diào)制的FMCW信號的具體波形；圖3 :本發(fā)明中濾波器輸出波形示意圖；圖4 :本發(fā)明中過零比較器輸出波形示意圖；圖5 :本發(fā)明中乘法器輸出波形示意圖；圖6 :本發(fā)明中開環(huán)檢測電路中的模擬前處理模塊的原理圖；圖I :本發(fā)明中開環(huán)檢測電路中FPGA處理模塊的原理圖。圖中I-帶通濾波模塊；2_整形模塊；3_乘法器；4_AD前處理部分；5-AD采集器；6-FPGA編程模塊；7_低通濾波器；8_AD前置放大器；9-探測器；10-判向模塊；11-程序下載模塊；12-與上位機(jī)通信模塊
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)ー步的詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明ー種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路包括模擬前處理和數(shù)字域處理兩部分，其中模擬前處理部分包括帶通濾波模塊I、整形模塊2和乘法器3、AD前處理部分4，數(shù)字域處理部分為FPGA處理模塊，該模塊主要包括AD采集器5和FPGA編程模塊6。所述的AD前處理部分4包括低通濾波器7和AD前置放大器8。基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的快慢軸發(fā)出的兩路干渉信號經(jīng)探測器9轉(zhuǎn)換(光信號轉(zhuǎn)換為電信號)后，分別通過通濾波模塊I進(jìn)行濾波，再經(jīng)過整形模塊2整形，然后將整形后的兩路干渉信號輸入乘法器3中進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算后經(jīng)過AD前處理部分4的低通濾波以及前置放大處理后，輸入AD采集器5進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸入FPGA編程模塊6，通過對相位差信號的幅值信息進(jìn)行累加求平均實現(xiàn)鑒相。
目前調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺采用激光連續(xù)波調(diào)頻方案，當(dāng)調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的快慢軸發(fā)出的兩路存在光程差的連續(xù)調(diào)頻光波發(fā)生干涉時，在輸出端形成了動態(tài)拍信號，干涉信號形式為I(OPD, t) = I0 I + K cos I ^Avv>n0PD f + 0PD)
IK.CjiO )_= J0 [l + F cos {lnvbt + (j)m )]其中，I(0PD,t)表不的輸出光強(qiáng)與光程差和時間的關(guān)系,其中，OPD表不光程差，t表示時間，Itl表示拍信號的平均強(qiáng)度，V表示拍信號的對比度，Av表示光學(xué)頻率調(diào)制寬度，Vm表示調(diào)制頻率，\ 0表示真空中的中心光波長，C表示真空中光速，Vb表示拍信號的頻率，^bo表示拍信號的初始相位。該動態(tài)拍信號為受鋸齒波調(diào)制的FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave,調(diào)頻連續(xù)波)信號，其具體波形I (OPD, t)如圖2波形所示,從圖2中可以看出，調(diào)頻連續(xù)波干渉式光纖陀螺的輸出信號受調(diào)頻周期的影響，且內(nèi)部拍頻的頻率也 隨時間在改變，同時，輸出信號受強(qiáng)度調(diào)制，輸出相位差存在期性。另外在調(diào)制周期邊緣處，動態(tài)拍信號的相位不連續(xù)，且不穩(wěn)定，導(dǎo)致波形中還有較多的毛刺，這種信號是無法精確測量相位的。針對以上所分析的調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的輸出信號特點，兩路調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的輸出干渉信號分別經(jīng)探測器9轉(zhuǎn)換后，開環(huán)檢測電路首先要通過帶通濾波模塊I對探測器9轉(zhuǎn)換后的輸出信號進(jìn)行濾波，本發(fā)明中帶通濾波模塊I采用模擬帶通濾波器來濾除帶外無用信號。輸出信號的中心頻率大約在50KHz左右，經(jīng)帶通濾波模塊I濾波后的調(diào)制信號的頻率為lOKHz，本發(fā)明的開環(huán)檢測電路所采用的模擬帶通濾波器的通頻帶為50土5KHz，可以消除附加的調(diào)頻周期的影響，此外，由于光路中的背向反射和散射噪聲而產(chǎn)生的拍信號與主拍頻信號的頻率不同，因此濾波也可以消除部分由背向反射和散射噪聲帶來的影響。本發(fā)明的模擬帶通濾波器采用帶通濾波芯片MAX274實現(xiàn)，芯片MAX274是集成摸擬連續(xù)時間濾波器，可以設(shè)計成低通和帶通濾波器，而具體參數(shù)由外圍的16個電阻的阻值決定。該芯片可靠性高，無外接電容，而電阻只要誤差在5%以內(nèi)就不會對濾波器的參數(shù)造成影響。經(jīng)過模擬帶通濾波器之后的信號波形如圖3所示。從圖3中能夠看出，濾波后的波形已經(jīng)不存在調(diào)頻周期，且拍信號也連續(xù)、穩(wěn)定，同時可以看出，帶通濾波器輸出信號的中心頻率為50k(周期為20ii S)。對濾波后的信號做整形處理。調(diào)頻連續(xù)波干渉式光纖陀螺對光源的線性調(diào)頻采用的是調(diào)制其驅(qū)動電流的方法，而隨著驅(qū)動電流的改變會導(dǎo)致光源輸出的光強(qiáng)也隨著改變，再加上兩路光信號所經(jīng)過的光纖長度不同等其他因素，這就導(dǎo)致干渉信號的幅值是隨著調(diào)制信號改變的，所以傳統(tǒng)的利用相干檢測將相位信息轉(zhuǎn)化為幅值信息的檢測方法不能直接使用，因此，本發(fā)明經(jīng)帶通濾波模塊I濾波后的信號通過整形模塊2進(jìn)行整形，整形模塊2采用ー個高速過零比較器，將正弦信號轉(zhuǎn)換成幅值固定的方波信號，消除其幅值對于檢測的影響。而具體采用的是型號為ADCMP580的比較器芯片，本發(fā)明中將該比較器芯片連接成過零比較器，這樣就可以保留相位信息，同時該比較器芯片輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的差分CML電平，即高電平為0V，低電平為-0. 4V，這種與輸入信號無關(guān)的輸出幅值正是本發(fā)明所需要的。經(jīng)過整形模塊2之后，輸出信號轉(zhuǎn)換成包含相位信息但幅值固定的方波信號。整形后的方波信號，轉(zhuǎn)動信息體現(xiàn)在兩路方波的相移，也就是相互錯開的位置上。如圖4所示為經(jīng)過高速過零比較器處理的信號波形。根據(jù)相干檢測原理，本發(fā)明對整形后得到的兩路方波信號通過乘法器3做乘法，乘法器3采用型號為ADL5391芯 片實現(xiàn)，為大帶寬乘法器，3dB帶寬達(dá)到2GHz。獨特的結(jié)構(gòu)保證了兩路信號的均衡。同時該芯片在差分輸入的時候可以得到最好的性能，與整形模塊2所使用的差分比較器的差分輸出正好相配。過零比較后的兩路在時間軸上錯開的方波信號通過乘法器3之后，輸出的是兩路信號的公共部分，即得到ー個個小脈沖，如圖5所示，每個脈沖的寬度都與相位差信息有夫。本發(fā)明對乘法器3輸出的周期性的窄脈沖信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)牡屯V波器7進(jìn)行展寬，所選用低通濾波器7的通帶截止頻率不能太低，本發(fā)明中采用5倍基頻的低通濾波器7。經(jīng)過低通濾波器7濾波后的信號的面積正比于兩方波信號的相位差，所以只需檢測經(jīng)低通濾波器濾波后的信號面積即可。經(jīng)過低通濾波器7濾波后的信號進(jìn)入ー個AD前置放大器8，具體型號選取AD8137YR，將信號放大了 5倍，便于后續(xù)處理。經(jīng)AD前置放大器8放大后的信號進(jìn)入高速AD采集器5，AD采集器5的芯片采用的型號是AD9235，該芯片能夠以高達(dá)65MHz的采樣速率將輸入模擬信號的幅值轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號，經(jīng)過AD采集器5輸出的數(shù)字信號最后進(jìn)入FPGA編程模塊6進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。FPGA編程模塊6中具體的相位差解算方法是在ー個調(diào)頻周期內(nèi)，累加相差信號的采樣值，并將多個周期的測量結(jié)果做平均，通過間接方式得出兩路信號的相位差值。模擬前處理部分的電路圖如圖6所示，探測器9出來的兩路信號首先分別經(jīng)過帶通濾波模塊I濾波器芯片MAX274，實現(xiàn)帶通濾波，接著分別進(jìn)入整形模塊2的比較器件芯片ADCMP580,實現(xiàn)過零比較，最后兩路信號進(jìn)入乘法器3芯片ADL5391，實現(xiàn)兩路信號相乘。FPGA處理模塊的功能框圖如圖7所示，除了包括FPGA編程模塊6和AD采集器5之夕卜，還優(yōu)選的包括有判向模塊10、程序下載模塊11、與上位機(jī)通信模塊12三個部分。判向模塊10將整形模塊2的過零比較后的兩路方波信號通過兩個電平轉(zhuǎn)換器芯片MC 100EPT21,轉(zhuǎn)換為適合FPGA編程模塊6的輸入的3. 3V電平，然后根據(jù)兩路方波信號的上升沿到達(dá)時間的先后，來判斷陀螺是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)；程序下載模塊11實現(xiàn)將程序下載到FPGA編程模塊6的芯片上，方便程序調(diào)試；與上位機(jī)通信模塊12優(yōu)選的采用3. 3V供電的RS422收發(fā)器芯片MAX3491，實現(xiàn)FPGA編程模塊6與上位機(jī)之間通信。
權(quán)利要求
1.一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于包括模擬前處理和數(shù)字域處理兩部分，其中模擬前處理部分包括帶通濾波模塊、整形模塊和乘法器、AD前處理部分，數(shù)字域處理部分為FPGA處理模塊，包括AD采集器和FPGA處理模塊； 基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的快慢軸發(fā)出的兩路干涉信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換后，分別通過通濾波模塊進(jìn)行濾波，再經(jīng)過整形模塊整形，然后將整形后的兩路干涉信號輸入乘法器中進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算后經(jīng)過AD前處理部分的低通濾波以及前置放大處理后，輸入AD采集器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸入FPGA編程模塊，通過對相位差信號的幅值信息進(jìn)行累加求平均實現(xiàn)鑒相。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的AD前處理部分包括低通濾波器和AD前置放大器；乘法器的輸出信號經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行展寬，經(jīng)過低通濾波器濾波后的信號進(jìn)入AD前置放大器，經(jīng)前置放大處理后輸入AD采集器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的FPGA處理模塊的還包括有判向模塊、程序下載模塊、與上位機(jī)通信模塊三個部分；所述的判向模塊將整形模塊的過零比較后的兩路方波信號通過兩個電平轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換為適合FPGA編程模塊的輸入的電平，然后根據(jù)兩路方波信號的上升沿到達(dá)時間的先后，來判斷陀螺是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)；程序下載模塊實現(xiàn)將程序下載到FPGA編程模塊的芯片上；與上位機(jī)通信模塊采用3. 3V供電的RS422收發(fā)器芯片，實現(xiàn)FPGA編程模塊與上位機(jī)之間通fg。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的帶通濾波模塊采用模擬帶通濾波器來濾除帶外無用信號，通頻帶為50 土 5KHz，濾波后的調(diào)制信號的頻率為IOKHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的模擬帶通濾波器采用帶通濾波芯片MAX274。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的整形模塊采用型號為ADCMP580的比較器芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的乘法器為ADL5391芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的AD前置放大器為AD8137YR芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，其特征在于所述的AD采集器為AD9235芯片。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，屬于光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域，包括模擬前處理和數(shù)字域處理兩部分，其中模擬前處理部分包括帶通濾波模塊、整形模塊和乘法器、AD前處理部分，數(shù)字域處理部分包括AD采集器和FPGA編程模塊；AD前處理部分包括低通濾波器和AD前置放大器。本發(fā)明提出一種基于相位比較調(diào)頻連續(xù)波光纖陀螺的開環(huán)檢測電路，通過檢測兩路信號的相位差來完成對調(diào)頻連續(xù)波干涉式這種新型光纖陀螺儀的定量檢測，消除了調(diào)頻周期及幅值變化給相位差檢測帶來的影響，差分檢測方式能夠較好地抑制光纖陀螺的共模誤差。
文檔編號G01C19/72GK102650526SQ20121012429
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者宋鏡明, 徐小斌, 李志敏, 滕飛, 潘雄, 肖智, 金靖 申請人:北京航空航天大學(xué)