数字调制谐振式光纤陀螺闭环检测方案的研究

谐振式光纤陀螺是采用环形谐振腔来增强萨格纳克（Sagnac）效应的，其数字闭环检测方案具有动态范围大，灵敏度高的特点。对于双频率数字调制的谐振式光纤陀螺，该文提出了两种基于数字信号处理芯片（DSP）实现的闭环检测方案，并利用Matlab软件对两种检测方案进行了全面的比较。     

谐振式光纤陀螺数字闭环系统锁频技术

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。利用数字调制、解调技术实现陀螺系统的闭环锁定,可以克服模拟电路的热漂移,使系统更加简单灵活。以谐振频率偏差作为研究对象,提出了基于一阶惯性环节的最简闭环锁定分析模型。利用该简化模型,对数字闭环系统中的频率反馈跟踪技术进行了研究,得到了在一定积分时间常数下环路的最佳增益系数,实现了环路的快速、稳定锁定,并在实验中得到进一步的验证。     

谐振式微光学陀螺频率跟踪与锁定技术研究

谐振式微光学陀螺(RMOG)是利用光学Sagnac效应和微电子机械系统(MEMS)加工工艺实现的一种新型角速度惯性传感器。为了减小光学器件受温度、应力等外界环境变化的影响,提高陀螺性能,快速精确的频率跟踪与锁定技术是非常必要的。提出了两种应用于RMOG的频率跟踪与锁定方法:单路光路(单路模式)和两相向传输光路(双路共模模式);分析比较了两种方案应用于RMOG中所得到的陀螺性能。单路模式由于受光路非互易性噪声的影响较小,锁频精度高;双路共模模式频率跟踪速度快,动态响应性能好。对RMOG的测试表明,对应于单路模式和双路共模模式,分别可以得到0.07°/s的频率锁定精度和0.09 ms.[(°)/s]-1的频率跟踪速度。     

模拟环路实现谐振式光纤陀螺的频率锁定

在分析R-FOG工作原理的基础上,采用T型反馈网络作为运放的反馈回路,构建了PI控制器,以减小运放误差对PI输出的影响,将其应用到R-FOG闭环环路中,控制激光器的输出光波频率,实现了R-FOG谐振频率的长时间(4000s)的锁定,锁定稳定度优于9×10-12,10s积分时间输出下的频率锁定精度为0.24°/s。     

T型反馈网络在谐振式光纤陀螺频率锁定中的应用

谐振式光纤陀螺（R-FOG）的频率锁定是陀螺信号检测的关键技术,尤其在长时间的测试中,谐振频率的锁定稳定度决定了陀螺的输出性能。根据光纤环形谐振腔的传输理论,分析了其谐振特性及其一次谐波特性;搭建了R-FOG测试系统,采用正弦波相位调制解调技术实现谐振谱线一次谐波的输出;在分析由运算放大器构成的传统模拟比例积分（PI）电路的漂移误差源的基础上,给出了可以有效抑制漂移误差的T型反馈网络,应用到谐振式光纤陀螺的谐振频率锁定中,得到了较好的锁定效果,经Allan方差分析,谐振频率长时间（4000s）的锁定稳定度优于910-12。     

谐振式光纤陀螺调相检测分析

谐振式光纤陀螺（R—FOG）是新一代惯性旋转传感器的代表。在陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率，而解调曲线的优化能够进一步提高检测系统的灵敏度。利用贝塞尔函数展开和光波场叠加的方法分析了谐振式光纤陀螺调相检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系，系统采用的是带有铌酸锂相位调制器的相位谱检测技术。根据解调输出信号的解析表达式，通过数值计算，分析了解调曲线的变化规律，得到了施加在铌酸锂相位调制器上调制波形的最佳调制系数和相应的最佳调制频率范围，并进一步用实验系统验证了上述分析结果。     

数字调制的谐振式光纤陀螺

谐振式光纤陀螺是利用正反方向传播光波的谐振频差来检测旋转角速率的惯性传感器。由于模拟调制的方法无法达到较高的系统性能,提出了一种数字调制方法,此方法采用两种频率组合的阶梯波作为LiNbO3调制器的控制信号,对其进行数字调制。通过理论的研究和仿真,证明此种方法是切实可行的。     

谐振式光纤陀螺闭环锁频系统

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac 效应产生的谐振频率差来检测旋转角速率的一种新型光学传感器。利用闭环锁频系统可以减小光纤环形谐振腔受温度、应力等外界环境变化的影响,提高陀螺性能。提出了数字与模拟相结合的闭环锁频系统方案设计,克服了模拟锁频电路带来的电路温漂,采用模拟解调技术来降低了对系统A/D 转换器的转换速度的要求,同时无需对复杂数字解调算法的研究。闭环锁频系统应用于陀螺测试系统中,实验测得10 s时间内的锁频精度为2.15 ()/s。     

谐振式光纤陀螺的信噪比研究

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope,RFOG)的核心敏感部件是光纤环形谐振腔(Fiber Ring Resonator,FRR),FRR在不同的束缚方式下表现为反射式与透射式两种结构,文章建立了两种结构的分析模型,推导出最佳工作状态下FRR的输出特性表达式。对于影响RFOG的主要噪声:背向散射噪声,通过建立两种相位调制RFOG结构,推导了两种不同结构FRR构成的RFOG在相位调制下的信号与背向散射噪声输出特性。分析了两种结构下谐振曲线最大斜率处的信号与背向散射噪声的信噪比表达式,最终证明两种结构的信噪比表达式相同,且与FRR的腔长负相关。     

基于调相谱技术的谐振式光纤陀螺检测电路数字化研究

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器.针对调相(PM)谱技术的R-FOG系统方案,研究了基于坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法的数字同步检测电路.通过单片可编程逻辑器件(FPGA)可同时实现调制信号产生、同步解调以及信号处理,从而使R-FOG检测系统更加稳定、灵活.对基于CORDIC算法的频率合成技术和同步检测电路做了分析和测试.将设计的数字检测电路应用于R-FOG系统,完成了陀螺转动信号的观测.     

光纤陀螺的实用化进展

扼要论述了各种光纤陀螺的开发与实用化现状。其中，干涉型光纤陀螺已基本实用化；谐振型光纤陀螺虽处于基础研究阶段，但却是小型化和高性能化陀螺的重要发展方向之一；光纤环形激光陀螺正在作为一种新型陀螺加以研究开发。     

基于串联谐振式逆变器的频率跟踪控制系统的研究

为提高串联谐振式逆变器的输出效率,减小装置功率器件的开关损耗,必须控制逆变器的工作频率,使之始终与负载的谐振频率保持同步。文中针对传统模拟锁相环的缺点和单纯的数字锁相环当负载参数变化较大时,可能会出现的"失锁"现象,提出采用PID与数字锁相环相结合的频率跟踪控制策略,对串联谐振式逆变器的工作频率进行实时控制,使之能自动跟踪上负载的谐振频率。在MATLAB环境下,对采用PID控制前后的两种频率跟踪控制策略进行了比较,结果表明采用基于PID与数字锁相环相结合的频率跟踪控制具有更好的频率调节特性。在此基础上提出了采用TMS320F2812对该频率跟踪控制系统进行软硬件设计的方法。     

基于FPGA的压电半球谐振陀螺数字测控系统设计

为了控制并提高压电半球谐振陀螺仪的检测精度,采用力反馈模式下的驱动检测方法实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的半球谐振陀螺数字式闭环测控系统,并完成了硬件实现。最后,通过对数字测控系统的仿真和转台测试实验,得到陀螺标度因数为1.428mV/(°/s),验证了此方法的有效性。     

双路闭环谐振式微光学陀螺

通过建模仿真,从改善陀螺输出带宽以及提高互易性噪声抑制能力出发,对单路闭环谐振式微光学陀螺(R-MOG)和双路闭环R-MOG进行了分析研究。相比于单路闭环R-MOG,双路闭环R-MOG在抑制互易性噪声的同时,能较好地改善输出带宽,并进一步提高陀螺系统的线性度。在此基础上,搭建了双路闭环R-MOG的实验系统,并进行了陀螺零偏稳定性以及输出响应特性测试。实验结果表明,陀螺1h的零偏稳定性为0.53°/s,在±1000°/s转速范围内,陀螺系统的线性度为99.995%。     

谐振式微光学陀螺中相位调制非线性研究

通过在相位调制器上施加线性变化的调制信号来实现对光波频率的方波调制是目前谐振式微光学陀螺(RMOG)中普遍采用的调制方法。而实现理想的方波频率调制要求完全线性的调制波形,极大地增加了系统实现难度。研究了调制曲线非线性对谐振腔输出的影响,仿真计算了具有二阶和三阶非线性误差的调制曲线引起的谐振曲线偏移和畸变。分析了解调输出误差与调制曲线非线性度的关系。通过搭建RMOG实验系统,测试了实际产生三角波调制信号的高阶非线性系数以及陀螺输出的标度因数。实验验证了理论分析计算方法的正确性以及采用模拟三角波产生方法改善微光学陀螺中相位调制非线性的可行性。     

基于谐振式光学陀螺的RS422传输系统设计

为实现谐振式光学陀螺中现场可编程门阵列（FPGA）主控芯片与上位机之间的数据传输需求,便于实时调整陀螺的各项参数、优化陀螺的工作状态。该文采用全双工通信RS422串口与USB接口实现了基于FPGA的谐振式光学陀螺数字检测系统与MATLAB上位机的连接。在分析了陀螺的工作原理的基础上,重点开展了RS422串口在陀螺系统中的软硬件和上位机通信功能设计。实验结果表明,该数据传输系统工作稳定,灵活可靠,能较好地实现谐振式光学陀螺与MATLAB上位机间的数据传输。     

硅微传感器的热挠曲及谐振频率的计算

分析了硅微机械谐振式传感器在热激励下的挠曲及谐振频率变化 ,建立了相应的数学模型 ,并对热挠曲灵敏度进行了优化设计。同时通过算例和测试数据的对比 ,验证了谐振频率计算模型的正确性。     

采用多模光纤透镜的光纤麦克风理论与实验研究

对现有强度调制型光纤麦克风做了分析和讨论,采用单模光纤(SMF)熔接多模光纤(MMF)的方法设计了一种新的反射式光纤麦克风。适当长度的折射率分布为抛物线形的多模光纤具有准直透镜的作用,直接熔接在单模光纤上,可以使光纤麦克风进一步微型化、成本低廉化。用单频正弦波信号做声源测试该光纤麦克风,输出正弦波电压信号与声源频率一致,振幅随声源振幅线性变化。结果表明,该结构的光纤麦克风在原理和实验上可以用于语音通信中。