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谐振式光学陀螺是一种基于光学 Sagnac 效应的惯性角速度传感器,在惯性领域有广泛的应用前景,是陀螺小型化发展的研究方向。为了实现陀螺系统的高精度、小型化,需要设计闭环检测系统实现高精度的角速度检测。本文以 FPGA 为核心控制芯片,设计并实现了谐振式光学陀螺双路闭环检测系统,并对系统各组成模块的性能进行了实验测试。本论文主要开展了如下工作:
(1)研究了光学Sagnac效应、陀螺检测系统的正弦波相位调制解调技术,推导了正弦波相位调制解调输出的公式,理论计算和实验验证了正弦波调制信号的最佳幅值和频率;研究了双路闭环检测技术中的激光器谐振频率伺服回路和基于 PM 的谐振频率伺服回路,分析了数字锯齿波信号的最佳幅值和台阶持续时间。
(2)设计了双路闭环检测系统各个组成模块的电路,包括信号输出模块(数模转换、信号放大和信号发生)、信号采集模块(光电转换放大、PI控制开关、锁相解调和模数转换)、伺服控制模块;理论分析了方波调制下不同占空比和调制系数的陀螺解调输出信号,输出在谐振频率处有一个峰值,可以用于载波抑制、转动角速度输出以及判定谐振频率锁定,有待进一步的研究;优化了谐振频率快速锁定算法,利用锯齿波扫频锁定的方法和两级 DAC 输出控制激光器中心频率的方法实现了谐振频率的快速精确锁定。
(3)基于上述闭环检测方案构建了陀螺测试系统,测试了谐振腔谐振曲线、解调曲线、环路锁定、零偏稳定性以及陀螺线性度。测试结果表明,在1s积分时间情况下,两级DAC输出控制的等效频率锁定精度峰峰值为9.78 °/s,输出标准差为2.78 °/s,锁定精度比单级DAC输出控制提高了约4.14倍;在1 s积分时间情况下,陀螺1小时的零偏稳定性为39.4355 °/s,在积分时间为120 s时,零偏稳定性达到8.11 °/s。
(1)研究了光学Sagnac效应、陀螺检测系统的正弦波相位调制解调技术,推导了正弦波相位调制解调输出的公式,理论计算和实验验证了正弦波调制信号的最佳幅值和频率;研究了双路闭环检测技术中的激光器谐振频率伺服回路和基于 PM 的谐振频率伺服回路,分析了数字锯齿波信号的最佳幅值和台阶持续时间。
(2)设计了双路闭环检测系统各个组成模块的电路,包括信号输出模块(数模转换、信号放大和信号发生)、信号采集模块(光电转换放大、PI控制开关、锁相解调和模数转换)、伺服控制模块;理论分析了方波调制下不同占空比和调制系数的陀螺解调输出信号,输出在谐振频率处有一个峰值,可以用于载波抑制、转动角速度输出以及判定谐振频率锁定,有待进一步的研究;优化了谐振频率快速锁定算法,利用锯齿波扫频锁定的方法和两级 DAC 输出控制激光器中心频率的方法实现了谐振频率的快速精确锁定。
(3)基于上述闭环检测方案构建了陀螺测试系统,测试了谐振腔谐振曲线、解调曲线、环路锁定、零偏稳定性以及陀螺线性度。测试结果表明,在1s积分时间情况下,两级DAC输出控制的等效频率锁定精度峰峰值为9.78 °/s,输出标准差为2.78 °/s,锁定精度比单级DAC输出控制提高了约4.14倍;在1 s积分时间情况下,陀螺1小时的零偏稳定性为39.4355 °/s,在积分时间为120 s时,零偏稳定性达到8.11 °/s。