一種低成本光纖陀螺檢測方案的設計與實現(xiàn)

魯 軍， 劉 軍， 王立冬， 程 群

(軍械工程學院，石家莊 050003)

0 引言

低成本是光纖陀螺發(fā)展方向之一，檢測電路是制約光纖陀螺成本的主要因素之一。從信號處理角度講，光纖陀螺檢測電路分為開環(huán)和閉環(huán)兩種方案。開環(huán)光纖陀螺受信號非線性特性影響，標度因數(shù)線性度較差，測量的動態(tài)范圍和精度都受到一定限制，一般在中低精度領域應用。閉環(huán)光纖陀螺分為模擬閉環(huán)和數(shù)字閉環(huán)。模擬閉環(huán)一般在模擬解調(diào)的基礎上，采用鋸齒波反饋來實現(xiàn)相位補償，它要求反饋鋸齒波具有非常短、并且穩(wěn)定的回掃時間，以提高標度因數(shù)穩(wěn)定性和線性度。但在具體實現(xiàn)上，由于鋸齒波的回掃時間和斜坡的非線性以及2π復位精度的影響，導致光纖陀螺標度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定性受到了限制。因而目前國內(nèi)外一般都采用數(shù)字解調(diào)、階梯波反饋的全數(shù)字閉環(huán)方案。綜合考慮光纖陀螺成本、標度因數(shù)線性度和動態(tài)范圍要求，本文提出一種模擬解調(diào)、方波調(diào)制和階梯波反饋的閉環(huán)方案。

1 信號檢測理論分析

光纖陀螺信號檢測的理論基礎是相關檢測技術。即針對信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關或互相關運算，從噪聲中提取信號的技術［1］。相關檢測在微弱信號檢測技術中的應用是鎖相放大器，即利用互相關原理設計的一種同步相干檢測儀，一般用于檢測周期的正弦或方波信號，它由信號通道、參考通道和相關器組成。相關器完成被測信號與參考信號互相關函數(shù)的運算，包括乘法器和積分器兩部分。相關器原理如圖1所示，積分器用R，C的模擬低通濾波器實現(xiàn)。

鎖相放大器分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器，本文閉環(huán)檢測方案采用的是模擬相關檢測方法。在理想情況下，調(diào)制、放大、濾波后的光纖陀螺輸出信號為

式(1)描述的是一個方波信號，其周期為2τ，振幅為ksin(Δφs)，占空比1∶1，其中:τ為光纖環(huán)的渡越時間;k為與探測器增益、光功率等有關的比例系數(shù)。為了對該信號進行相關檢測，可以通過邏輯電路產(chǎn)生相位可調(diào)、周期為2τ、振幅為±1、占空比1∶1的方波作為相關器的參考信號，進行相關運算。

2 系統(tǒng)硬件設計

檢測電路采用一種模擬解調(diào)、方波調(diào)制和階梯波反饋的閉環(huán)方案，閉環(huán)原理如圖1所示。

圖1 光纖陀螺結構框圖Fig.1 Structure diagram of FOG

本閉環(huán)光纖陀螺的檢測電路是以模擬解調(diào)為基礎的鎖相放大器，包括前置放大電路、模擬解調(diào)電路、比較器電路、D/A轉換電路及以FPGA為核心的數(shù)字信號處理電路，完成信號放大、濾波、解調(diào)以及信號反饋等功能。

2.1 模擬解調(diào)電路設計

為實現(xiàn)同步檢波，采用一個雙二選一模擬開關作乘法器，通過邏輯電路產(chǎn)生相位可調(diào)、周期為2τ的脈沖波作為模擬開關的選通脈沖(相關器的參考信號)。在脈沖波的作用下，前放信號通過模擬開關后得到兩路半周期信號，再通過差分減法電路對正半周信號進行正相放大，負半周信號進行負相放大(這是對“正信號”而言，“負信號”相反)，最終得到解調(diào)信號。這個信號可作為開環(huán)陀螺的輸出信號。簡化的模擬解調(diào)電路如圖2所示。

圖2 模擬解調(diào)電路Fig.2 Circuit of analog demodulation

差分減法電路中取:

放大器正相放大與負相放大增益大小相同，總輸出為

由此得到的是一個直流信號(正負與陀螺轉向有關)。再根據(jù)信號帶寬確定低通濾波器的帶寬，實現(xiàn)最佳濾波。各點波形如圖3所示，IN信號是前放經(jīng)過時域梳妝濾波后的波形，信號FB是由邏輯電路產(chǎn)生的選通脈沖，U+，U-是兩路半周期信號，UO是解調(diào)信號。

圖3 解調(diào)電路信號波形Fig.3 The signal wave of demodulation circuit

比較器電路:利用一個遲滯比較器，把模擬解調(diào)電路作進一步延伸，將信號變成數(shù)字量。當直流解調(diào)信號幅度超過某個設定值時，產(chǎn)生一個邏輯增量1;當直流解調(diào)信號幅度小于某個設定值時，則產(chǎn)生一個邏輯減量1。對電壓比較器的要求是小的失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫度漂移，足夠高的輸入阻抗和開環(huán)增益，高壓擺率以及合適的邏輯電平。

本解調(diào)方案只用1個模擬開關、1個比較器及少量的外圍元件便可實現(xiàn)對光纖陀螺的信號檢測。此方法實現(xiàn)起來較為容易，且可靠性高，電路易于集成，成本較低。

2.2 數(shù)字邏輯設計

目前光纖陀螺的數(shù)字信號處理部分普遍采用數(shù)字信號處理器DSP結合現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)，由FPGA完成組合與時序邏輯功能，再充分利用DSP對信號處理的靈活性，完成光纖陀螺閉環(huán)檢測。本文采用一片復雜的可編程邏輯器件來完成數(shù)字信號處理，這樣可減小電路的尺寸，降低成本，而且整個電路集成在一個芯片上，減少了與外界的干擾，提高了可靠性。

圖4是數(shù)字信號處理部分的主電路原理框圖，由EP1K50TC144-3及外圍電路組成。EPF10K10TC作為信號處理及控制的核心，大部分數(shù)字邏輯功能由其完成，整個數(shù)字系統(tǒng)組成非常簡單。在外圍電路中，MAX961是一高速遲滯比較器，將模擬解調(diào)信號“數(shù)字化”后送給EPF10K10TC144進行處理。EPC2是Altera公司提供的存儲器件配置數(shù)據(jù)的串行PROM，下載插座JTAG提供在線可編程的接口。TPS767D325是基準電源，為 EP1K50TC144-3提供3.3 V I/O引腳電壓和2.5 V核電壓。DAC16FS是D/A轉換器，將數(shù)字相位階梯波轉換為模擬階梯波執(zhí)行反饋控制功能。

圖4 硬件電路原理框圖Fig.4 Schematic diagram of hardware circuit

邏輯電路原理如圖5所示。

圖5 邏輯電路原理框圖Fig.5 Schematic diagram of logic circuit

計數(shù)器在整個閉環(huán)檢測電路中起累加器的作用，屬于閉環(huán)控制中必不可少的積分環(huán)節(jié)。如果要求陀螺的動態(tài)范圍從0.1(°)/h 到 500(°)/s，則計數(shù)器需要24位。考慮到陀螺正反轉向，采用可逆計數(shù)器。當比較器產(chǎn)生一個邏輯增量1時，在數(shù)字開關的作用下，計數(shù)器進行加計數(shù);當比較器產(chǎn)生一個邏輯減量1時，計數(shù)器進行減計數(shù)。在一個方波周期內(nèi)，控制信號將計數(shù)器數(shù)據(jù)存入鎖存器一次。

數(shù)字相位階梯波發(fā)生器的數(shù)字部分由一個用于保存相位階梯波臺階高度值(臺階高度即反饋相位，如果要求陀螺的動態(tài)范圍比較大，如0.1(°)/h到500(°)/s，則該寄存器一般需24位)的寄存器 Rstep、一個用于產(chǎn)生相位階梯波的瞬時數(shù)值的數(shù)字積分器(加法器)和一個用于保存產(chǎn)生相位階梯波的瞬時值的寄存器Rr三部分構成。其中寄存器Rstep在同步時鐘的作用下，所存數(shù)值與寄存器Rr的數(shù)值經(jīng)過加法器的累加，其結果送D/A轉換器及驅動電路轉換成模擬階梯波電壓，去驅動相位調(diào)制器PM，從而在光纖線圈中引入一個附加相移。當使用N位的全加器和N位D/A轉換器時，可以得到一個動態(tài)范圍為0～(2N-1)VLSB的階梯波電壓信號，當加法器累加值大于(2N-1)時，自動溢出，經(jīng)D/A轉換后，產(chǎn)生一值為2NVLSB的電壓，如果驅動電路的增益調(diào)節(jié)適當(即2NVLSB=2Vπ，Vπ為半波電壓)，則加法器的溢出自動產(chǎn)生一個2π復位。

其他的時序、運算、存儲、數(shù)據(jù)格式轉換電路都在FPGA中完成。另外，目前的頻率合成電路大都采用鎖相環(huán)(PLL)完成，利用EP1K50TC144-3提供的高速存儲器作查找表，采用直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)完成，提高了頻率分辨率。我們采用原理圖與硬件描述語言Verilog HDL相結合的方式進行編程，硬件描述語言是設計FPGA的主流，采用它完成主要設計，原理圖只描述頂層設計。

3 測試結果

從整個光纖陀螺的成本和小型化考慮，檢測電路配套的光路采用0.85 μm波長方案。即指陀螺系統(tǒng)采用中心波長為0.85 μm激光作為Sagnac效應的相干光，相應的光電子器件的光波工作波長都在0.85 μm附近。對一個采用本文檢測電路方案的單軸光纖陀螺進行了性能測試。圖6為零漂測試曲線，表1給出測試結果。

圖6 零漂測試曲線Fig.6 Test curve of bias stability

表1 測試結果Table 1 Test result

4 結論

低成本并使其小型化對光纖陀螺的工程化、實用化具有重要的實踐意義。由圖6和表1所示的測試結果表明，指標達到了低精度光纖陀螺的性能要求，系統(tǒng)進行的理論分析和計算與實際測試結果相符。說明在檢測電路設計方面，前放電路、模擬解調(diào)電路、比較器電路、D/A轉換電路及以FPGA為核心的數(shù)字信號處理電路的設計是正確的;采用的模擬解調(diào)、方波調(diào)制和階梯波反饋的閉環(huán)方案可作為一種實用的低成本、小型化信號檢測方案。此外，在弱信號放大、模數(shù)共地、隔離屏蔽、算法設計等方面需采取措施，以進一步提高系統(tǒng)性能。

［1］曾慶勇.微弱信號檢測［M］.杭州:浙江大學出版社，1994.

［2］張春熹.高精度光纖陀螺及其相關技術研究［D］.北京:北京航空航天大學，1999.

［3］張唏.光纖陀螺閉環(huán)檢測與控制［D］.北京:北京航空航天大學，2001.

［4］LEFèVRE H C(法).光纖陀螺儀［M］.張桂才，王巍，譯.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［5］褚振勇，翁木云.FPGA設計及應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［6］鄒燕，劉軍，李鵬，低成本光纖陀螺及其軍事應用［J］.激光與紅外，2005(12):962-964.

［7］邢懷飛，韓紹坤，陳淑芬，等.一種低成本的光纖陀螺信號處理方法［J］.光學技術，2005(5):790-792.

［8］邱寶良，李安琪，肖文，等.全數(shù)字處理的低成本光纖陀螺系統(tǒng)研究［J］.中國慣性技術學報，2005(2):31-34.

［9］孟俊芳，魯浩，張彥.彈載開環(huán)光纖陀螺V/F變換器設計［J］.電光與控制，2009，16(5):90-92.

［10］張金保，宋凝芳，馬東營，等.光纖陀螺本征頻率和半波電壓測量方法研究［J］.電光與控制，2009，16(7):17-20.