[优秀毕业论文]基于FPGA的光纤陀螺四状态调试设计.doc
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1、本科生毕业论文学 号 密 级 本科生毕业论文基于FPGA的光纤陀螺四状态调试设计院 (系)名 称: 自动化学院专 业 名 称: 电气工程及其自动化学 生 姓 名: 指 导 教 师: 讲师2011年6月摘 要近年来惯性级光纤陀螺仪的出现以及其所拥有的众多优点,使其成为舰船控制与导航系统的一个新的选择。高精度光纤陀螺仪的调制方案首选数字闭环控制方案,该方案中的铌酸锂集成光学相位调制器(Y波导)作为闭环执行部件,集光纤耦合器、光起偏器和电光相位调制器为一体,是数字闭环光纤陀螺的核心器件,其调制相位漂移将导致由转速引起的Sagnac相移中包含附加相移,另外相位漂移还会产生复位误差,这将直接影响标度因数
2、的线性度。原有的相位漂移采用带第2反馈回路的方波偏置调制方法,但该方法在低转速下补偿效率很低,为了解决这一问题,文中采用了一种新的基于四状态的双闭环检测补偿方法。相位调制器相位漂移的补偿是通过在单闭环系统中加入第2反馈回路调控反馈通道增益来实现的。通常的方法是在方波偏置调制情况下,将阶梯波复位前后的解调信号的差值信号作为第2反馈回路信号经其判断半波电压是否波动,然后再反馈到反馈放大器的增益。关键词:光纤陀螺;四状态阶梯波;闭环控制ABSTRACTIn recent years the inertial level fiber-optic gyro has appeared and owned
3、numerous advantages, making it become numerous advantages of ship control and navigation system of a new choice. High precision fiber-optic gyro modulation scheme preferred digital closed-loop control scheme, the scheme of niobium acid lithium integrated optical phase modulator (Y waveguide) closed-
4、loop actuating parts as light, set up wide optical coupler, devices and lightning phase is a digital for modulator closed-loop fiber-optic gyroscope core device, its modulation phase-shift caused by speed leads to Sagnac phase shift contains additional phase shift, another phase drift still can prod
5、uce reset error, which will directly influence scale factor linearity. The original phase-shift feedback loop 2 belt adopts the square-wave bias modulation method, but the method in low speed compensation is very inefficient and in order to solve this problem, this paper proposes a new kind of the d
6、ouble loop based on four state detection method to compensate. Phase modulator phase-shift compensation in single closed-loop system is through adding 2 feedback loop control feedback channel gain to fulfill. The common method is in the case of square-wave bias modulation, puting the ladder wave res
7、et and demodulation signal sent of signal as the first 2 feedback loop signal, after its judging half wave whether fluctuating, then voltage feedback to feedback amplifiers gain.Key words:fiber optic gyroscope;Four state ladder wave feedback; closed-loop control目 录第1章绪论11.1 课题背景及意义11.2 光纤陀螺的简介21.2.1
8、 光纤陀螺的数字闭环信号调制原理21.2.2 国内研究情况及应用31.2.3 光纤陀螺的发展趋势41.3 课题研究的主要内容5第2章 干涉式光纤陀螺的工作原理62.1 萨格奈克效应62.1.1 真空中的萨格奈克效应62.1.2 介质中的萨格奈克效应82.2 光纤陀螺的噪声分析112.2.1 光纤陀螺的光路噪声122.2.2 光纤陀螺的电路噪声132.3 闭环光纤陀螺信号调制132.3.1 四状态方波调制原理132.3.2 阶梯波调制原理182.4 本章小结22第3章数字部分的电路设计(FPGA技术)233.1 FPGA简介233.1.1 FPGA芯片结构233.1.2 FPGA的基本特点283
9、.2 硬件描述语言VHDL293.2.1 VHDL简介293.2.2 VHDL的主要优点303.3 仿真软件QuartusII313.3.1 QuartusII软件概述313.3.2 QuartusII软硬件操作流程333.4 本章小结34第4章 基于FPGA的光纤陀螺四状态的设计与仿真354.1 系统总体设计方案354.2 主要模块设计374.2.1 数据接收模块374.2.2 数据解调模块384.2.3 四状态方波调制模块394.2.4 调制信号模块404.2.5 加法模块424.2.6 时钟模块424.2.7 第二闭环的数字部分模块454.3 本章小结46结论47参考文献48致谢50附录
10、A:部分模块完整程序和设计原理图51附录B:本设计原理图及其仿真波形59第1章绪论惯性系统是随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术,其完全自主、不受干扰、输出信息量大、实时性强等优点使其在军用飞行器载体和民用相关领域获得了广泛的应用。1.1 课题背景及意义以往的导航系统,如舰船用陀螺罗经、方位水平仪、平台罗经等,都采用机械式平台的结构,具有结构复杂、体积大、重量重、价格高,可靠性难以进一步提高的问题。惯性测量组合是现在所有火箭、飞机、导弹、船舶和地面车辆的惯性导航、制导和控制系统的核心。一般来说,惯性测量组合主要由以下几个部分组成1:(1)陀螺传感器,用于敏感角度和角速度;(2)加速度传
11、感器,用于敏感比力,从而获得速度、位置的变化量;(3)数据处理部件,用于处理陀螺和加速度传感器数据,形成系统状态信息。随着以计算机为“数字平台”的捷联技术的发展,捷联式惯性测量单元构成的系统在某些应用中正在逐步取代传统的框架式系统,这对惯性器件(陀螺仪和加速度计)也提出了更高的要求,而传统的机电陀螺很难满足这方面的要求。光纤陀螺作为一种新型的固态陀螺系统,应用于惯性测量组合中,具有令人称道的特性。与机电陀螺相比,光纤陀螺具有以下优点2:(1)没有机械运动部件,对机电陀螺的许多误差源不敏感,如重力加速度效应等,同时比机电陀螺更能承受环境的振动和冲击;(2)测量范围很大,可以从0.01/h以下到4
12、00/s以上,而机电陀螺中高转速测量需要对力矩器输入大电流,但制造大电流的力矩器不是一件容易的事;(3)可靠性高,平均无故障时间已达2500小时以上;(4)结构简单而且坚固,容易加工,成本低;(5)能直接数字输出。光纤陀螺以其特有的优点受到广泛的重视,在航空、航天、航海、兵器的导航系统、姿态控制系统中以及其它一些领域中,有十分广阔的应用前景3。作为惯性测量组合的基础测量单元,光纤陀螺的精度将决定惯性导航系统的精度,因而提高光纤陀螺精度的研究具有重要意义。1.2 光纤陀螺的简介1.2.1 光纤陀螺的数字闭环信号调制原理在光纤陀螺中,旋转引起的萨格奈克相移与角速率成正比,而探测器的输出响应是萨格奈
13、克相移的余弦函数,因而相对角的速率是非线性和周期性的,需要加入偏置调制或反馈控制等信号处理技术以实现所需的灵敏度和动态范围。对所有的光学干涉仪这是一个共性问题,因为只有光强才能被现有的平方律光探测器直接测量,即如果现有的光探测器能够直接监测光信号的相位,就不存在非线性响应问题。采用闭环信号处理方法可以把光纤陀螺的非线性响应转化为线性响应4。对光波进行幅值为的方波调制时,陀螺输出也是与调制方波同频率的方波信号。同采用PZT调制的全光纤陀螺的解调原理一样,其开环输出与旋转角速率的正弦函数成正比,因此很难实现大的动态范围。而闭环处理技术是解决输出非线性问题的关键。闭环光纤陀螺又分为模拟和数字两种方案
14、,模拟闭环光纤陀螺采用锯齿波反馈实现相位补偿,它要求锯齿波的回扫时间极短,但在具体实现的过程中,由于模拟器件系统性能所限,回扫时间,锯齿形斜波非线性和复位都很难精确控制其精度,导致光纤陀螺的标度因数性能受到影响。因而,国外大多采用阶梯波反馈的数字闭环方案。目前应用中的闭环光纤陀螺通常采用方波调制与数字相位斜波反馈控制相结合的方式完成对陀螺工作点的锁定,使其精确的工作在闭环状态 。然而光纤陀螺的调制方式有多种变化(其中包括目前常用的直接由方波调制方式演变的四态波调制方式),这些变化完全能通过改变施加在相位调制器件的调制波形和时序得以实现不同的调制方式可能会对陀螺某些方面性能有直接影响,此次实验的
15、目的就是希望通过简单的调制方式改变,实现光纤陀螺某些性能上的改善。1.2.2 国内研究情况及应用我国在光纤陀螺方面的研究起步比较晚,从上世纪 80 年代末才真正投入这一研究领域。经过近二十年的发展,目前也取得了一定的进展,上海航天局803 所、浙江大学光学仪器重点实验室、北京航空航天大学以及航天工业总公司第三研究院等几家研究单位均取得了一些成果。国内光纤陀螺的研究大致可以分为三个阶段:在研究初期的十多年里,由于受器件水平的制约,主要进行开环光纤陀螺的研究;90年代中期开始进行光纤陀螺闭环控制方案的研究;90年代末期以后进行中低精度光纤陀螺的工程化和产品的开发研究。目前国内低精度( )光纤陀螺主
16、要采用开环方案,技术已经成熟,正在向产品转化。中精度( )光纤陀螺的研究也有很大的进展,己经有多种方案的实验室样机,目前全保偏数字闭环光纤陀螺精度可达。高精度( )光纤陀螺也正在研究之中。经过20多年的努力,国内光纤陀螺的研究工作取得了很大的成就,在元器件方面,光源、光电探测器、耦合器、集成光学调制器、光纤环等都达到了国产化,技术指标基本满足陀螺性能要求;在陀螺控制方案上进行了多种探索,技术上渐趋成熟,积累了很多经验。但与国外相比还有很大的差距,主要集中在器件性能不稳定,生产工艺滞后。国内光纤陀螺的当务之急是中低精度光纤陀螺的工程化和产品化,以满足国防部门和民用领域的需求。温度特性、振动特性、
17、可靠性、小型化和高性价比成了研究的重点,尤其是温度特性是重中之重,是首要必需解决的问题。克服温度的影响,改善器件性能、在结构、工艺上的研究和从电路上进行补偿修正是努力方向5-9。1.2.3 光纤陀螺的发展趋势从近期看改进的光纤陀螺将取代许多系统中使用的激光陀螺和机械陀螺,精度最高将会达到,应用主要集中在0.00015/h15/h范围内。光纤陀螺精度和成本由于受到光纤通信技术、集成光学技术和光纤传感技术发展的限制,主要应用在战术级和速率级。当基本需求极大时,光纤陀螺系统成本降到1500020000美元之间。光纤陀螺上的物理技术突破将可以满足未来任何小型化的战略系统的要求。从长远看,随着光纤通信技
18、术、集成光学技术和光纤传感技术的发展,更多先进的成果将应用在光纤陀螺中,使得光纤陀螺的性能得以整体提高,应用范围更加广泛。干涉型光纤陀螺的应用领域将集中在惯导级上,精度范围为0.0015/h0.00015/h,有望取代静电悬浮陀螺10。光纤陀螺发展的方向:一是向更高精度、更高可靠性的方向发展,为航天、航空、航海提供高精度的惯性元件;二是向体积小、高度集成、价格便宜、结构更牢固的超小型化方向发展,为战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器;三是朝多轴化方向发展11。30年来,人们在光纤陀螺理论方案的设计、器件的研制以及实现工艺等方面取得了明显进展,尤其在干涉光纤陀螺研制方面进展顺利,技术日趋成熟,形
19、成诸多规格产品和高性能光纤陀螺样机。但就技术而言,在光纤陀螺光路形成、信号检测和处理等方面形成了一种趋势,主要表现在以下两方面12:(1) 采用闭环检测方案光纤陀螺是利用光纤Sagnac效应来敏感转动角速度,通过直接测量干涉仪的输出光电流就可以确定转动角速度。然而由于此干涉仪输出表现为余弦函数,故而输出特性仅在小角速度范围内为线性,动态范围有限,如何扩大动态范围,可采用模拟相位跟踪法和组合波反馈调制法(倍频调制和双频调制)实现检测电路的闭环;也可采用移频器的方法实现光路上的闭环。采用闭环检测方案,成为当前提高光纤陀螺标度因数和扩大动态范围最主要的技术。(2) 信号处理趋于全数字化 众所周知,干
20、涉型光纤陀螺的输出是余弦响应,为了获得高灵敏度,必须采取调制/解调技术来实现偏置。然而,用常规的模拟解调技术存在严重的偏置漂移,全数字处理技术为解决偏置提供了一条理想的途径。数字电路不存在电流电压波动和温度变化引起的偏置漂移,而且易于实现电路的小型化和集成化。该数字解调器由混频器、采样保持放大器、模/数转换器以及数字信号处理器等组成。由陀螺光学部分到达探测器的输出信号先进入混频器,在保持振幅和相位信息的状态下,其频率被降值转换。混频器的输出信号通过采样保持放大器和模/数转换器作为 AC 信号转换成数字信号进入数字信号处理器。数字信号处理器将采样信号与参考信号相乘积分获得解调信号。1.3 课题研
21、究的主要内容光纤陀螺的信号处理以FPGA为核心,来实现闭环电路的时序控制、数字解调、数字滤波波形合成与阶梯波反馈,不仅非常适合高速数据处理系统,而且FPGA为核心,使体积尺寸、功耗都比分立元件系统降低很多,使FOG的性能指标有很大的改进,提高了系统的可靠性;另一方面,采用数字方案可以有效避免模拟解调电路存在的器件漂移问题,通过正负半周相减解调出来的信号不再存在由于电路本身造成的偏置漂移分量。数字电路部分包括:数据接收、相关解调、滤波、波形发生器、串行通信模块。FPGA接收模数转换器送来的数字信号,进行数字解调、积分、滤波等一系列处理过程,并把处理后的结果累加形成四状态阶梯波,然后反馈回调制器产
22、生补偿相移和经过平均滤波作为以数字形式的输出。第2章 干涉式光纤陀螺的工作原理2.1 萨格奈克效应Sagnac效应是干涉型光纤陀螺的工作基础,它揭示了在同一环形光路中两对向传播光相位差与光路相对于惯性空间的旋转角速度之间的解析关系。由狭义相对论的相对性原理和真空中光速不变原理可知,光在真空中和介质中传播时,Sagnac效应数值关系的推导是不同的,因而下面将分别对这两个方面进行讨论13。2.1.1 真空中的萨格奈克效应光在真空中传播时不存在媒质的折射率,这时我们假设一个简单的“理想”圆形光路的情形如图 2.1 所示14,它是无穷多边形的极限情况。系统静止时,进入该系统的光被分成两束反向传播广波,
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