学士学位论文 摘 要摘 要光纤陀螺作为一种基于Sagnac效应的惯性传感器在国防建设、民用导航等领域发挥着不可替代的作用相同的测量精度下谐振式光纤陀螺的光纤长度远小于干涉式光纤陀螺，是未来陀螺小型化、高精度的发展趋势但由于Sagnac效应十分微弱，陀螺信号受到各类噪声影响难以检测，传统调制解调的信号检测方式较为复杂，且在抑制噪声提高精度等方面尚未表现出理想效果，故需设计一种全新的信号检测系统本论文根据谐振式光纤陀螺相关理论模型，提出了一种基于拍频检测的谐振式光纤陀螺信号检测的方案，并结合TDC时间测量技术，设计了一种基于陀螺信号检测的高精度频率计系统结合 “直接法+内插法”原理和TDC芯片的工作原理，提出一种新的测量方案，提高了测量精度并有效地解决了TDC芯片普遍存在的“死区”问题系统以FPGA作为系统控制中心，结合TDC芯片对待测信号进行测量，然后把测量结果进行数据处理后输出，实现了频率信号的测量另外，在信号测量系统前端设计了信号调理电路，对待测信号进行预处理，便于系统对待测信号频率的检测本文设计的频率计有效抑制了陀螺光学噪声，简化了信号检测系统设计，并能在较宽的测量范围内保证较高的测量精度，满足陀螺信号检测的系统要求。
关键词：谐振式光纤陀螺，拍频检测，TDC，频率计Abstract目 录1 绪 论 11.1 课题研究背景及意义 11.2 谐振式光纤陀螺信号检测的研究现状 21.3 论文主要内容及章节安排 42 基于拍频检测的谐振式光纤陀螺系统 62.1 谐振式光纤陀螺的基本原理 62.1.1 Sagnac效应 62.1.2 谐振腔的谐振特性 72.1.3 传统谐振式光纤陀螺基本结构 82.2 基于拍频检测的谐振式光纤陀螺方案设计 82.2.1 自注入原理 82.2.2 拍频检测原理 92.2.3 陀螺系统结构 102.3 陀螺系统对信号检测系统的要求 112.4 本章小结 123 高精度频率检测系统方案设计 133.1 常用频率检测方法 133.1.1 直接测频法 133.1.2 同步测频法 143.1.3 游标法 153.1.4 延迟链法 163.1.5 差拍法 163.2 高精度频率检测方案设计 173.2.1 信号处理方案 173.2.1 频率测量方案 183.3 检测系统整体结构 213.4 本章小结 214 高精度频率检测系统硬件设计 224.1 硬件电路整体方案 224.2 微处理器 234.2.1 FPGA芯片 234.2.2 复位电路 234.2.3 下载调试及配置电路 244.2.4 晶振电路 254.3 时间数字转换器 254.3.1 TDC-GP22测量芯片简介 254.3.2 TDC-GP22电路设计 274.4 信号调理模块 284.4.1 滤波电路 294.4.2 放大电路 304.4.3 整形电路 314.4.4 电平转换电路 314.5 显示模块 324.6 电源模块 324.7 指示灯电路 354.8 通信模块 354.8.1 SPI通信 354.8.2 USB转串口 364.9 系统PCB板设计 364.10 本章小结 375 高精度频率检测系统软件设计 385.1 软件设计整体方案 385.1.1 系统模块组成 385.1.2 整体检测流程 385.2 闸门控制模块 395.3 细测量控制模块 405.3.1 TDC-GP22控制 405.3.2 SPI通信模块 425.3.3 数据筛选模块 445.4 粗测量模块 445.5 数据处理模块 465.6 LCD显示模块 465.7 串口通信模块 475.8 顶层模块 485.9 本章小结 496 系统调试 506.1 开发环境 506.2 系统调试 506.2.1 硬件调试 506.2.2 软件调试 526.3 性能测试 556.4 本章小结 557 总结与展望 56参考文献 57致 谢 59附件一 系统结构图 60附件二 硬件电路图 612学士学位论文 摘 要1 绪 论1.1 课题研究背景及意义光纤陀螺是基于Sagnac效应的一种测量载体转动角速度的光学惯性传感器[1]。
经过多年的发展，光纤陀螺已广泛应用于海陆空三位一体的高端军事装备及石油勘探、汽车导航等民用导航等领域光纤陀螺通过检测Sagnac效应引起的两束光的光程差来获得陀螺转动角速度，根据检测方式的不同可将其分为干涉式光纤陀螺、谐振式光纤陀螺、布里渊式光纤陀螺[2]其中干涉式光纤陀螺是发展最为成熟的一种，已经进入工程应用阶段，但由于高精度的干涉式光纤陀螺需要数千米长的光纤，很难解决其体积大、成本高、维护保养难度大等缺点基于受激布里渊散射原理的光纤陀螺对光源要求较高，受到陀螺器件性能的限制，目前仍处于理论研究阶段谐振式光纤陀螺若要实现与干涉式光纤陀螺相同的精度仅需十几米光纤，缩小了陀螺体积、降低了陀螺体积及光纤的互易性噪声，对于实现高精度、小型化的陀螺具有很大优势，受到各研究机构的广泛关注与研究[3]，是惯性传感器中重要的一个研究方向之一但是光学Sagnac效应是十分微弱，且谐振式光纤陀螺中存在较多的干扰噪声，由光学Sagnac效应产生的陀螺信号很容易被噪声淹没[4]，所以谐振式光纤陀螺信号检测系统是陀螺系统的关键部分，信号检测系统的检测精度将对谐振式光纤陀螺最终的检测精度产生影响在谐振式光纤陀螺信号检测中，由于激光器频率远高于谐振频率差导致谐振频差难以检测，传统谐振式光纤陀螺采用对传播方向相反的两路光波分别进行相位调制，然后通过相应的解调处理来获得两路光波的频率差信号，从而来抑制噪声来实现陀螺信号检测的方式较为复杂，且在抑制谐振式光纤陀螺中的背向散射噪声和克尔噪声方面尚未表现出理想的效果，故需要设计一种全新的谐振式光纤陀螺信号检测方案。
基于拍频检测谐振式光纤陀螺系统利用拍频检测原理改变原有的信号检测方式，利用光混频器使陀螺谐振腔的两路谐振光进发生耦合产生拍频光，通过检测拍频信号获取频差信号，降低了待测信号频率，抑制了谐振式光纤陀螺中的噪声，提高了信号检测精度，是国内外的研究趋势拍频信号检测的精度直接影响谐振式光纤陀螺检测的精度，因此，高精度的频率计是基于拍频检测光纤陀螺的研究重点为提高基于拍频检测的谐振式光纤陀螺的检测精度，设计一种能够实现高精度频率检测系统，本系统能够满足对基于拍频检测的谐振式光纤陀螺的频率检测要求，对基于拍频检测的谐振式光纤陀螺性能的发展改善和提升有非常大的应用价值和现实意义1.2 谐振式光纤陀螺信号检测的研究现状1981年，美国麻省理工学院的G.A.Sanders等人提出用相位调制解调技术来抑制背向散射噪声方案[5]1988年，G.A.Sanders等人提出采用集成光学LiNbO3相位调制器来替代原来体积庞大的声光移频器，同时利用锯齿波信号进行调制的光波移频方案[6]1990年，日本东京大学K.Hotate教授领导的研究小组提出了可以抑制背向散射噪声的二进制相移键控调制方法[7]，1991年，该研究小组又提出了可以抑制陀螺零偏的部分数字反馈信号检测方法，1997年，该研究小组建立了全数字化的基于数字相位斜坡调制的RFOG信号检测系统，降低了瑞利散射噪声和光学克尔噪声[8]。
2005年，美国Honeywell公司首次提出了多光源结构的谐振式光纤陀螺并申请了专利，2013年，该公司首次实现了小型化的谐振式光子晶体光纤陀螺，2018年，该公司提出根据温度实时补偿谐振腔自由谱宽的多光源谐振式光纤陀螺系统谐振式光纤陀螺在国内发展的比较晚，现主要有浙江大学、北京航天航空大学、东南大学、中北大学、国防科技大学等机构从事谐振式光学陀螺研究2003年，浙江大学的金仲和等人开始对谐振式光纤陀螺进行深入的研究[9]2006年，浙江大学设计了基于DSP和FPGA的谐振式光纤陀螺全数字锯齿波调制、全数字解调和环路锁定的闭环信号检测系统[10]2008年，浙江大学马慧莲等人基于FPGA搭建了三角波调制的谐振式光纤陀螺数字检测系统[11]2013年，浙江大学俞旭辉设计实现了用于抑制激光器频率噪声的稳频环路[12]2014年，浙江大学马慧莲小组实现了基于正弦波调制的双路闭环锁定检测系统，有效提高了系统的线性度和动态范围[13]同年，中北大学提出一种用双相位锁相放大器对谐振式光纤陀螺系统中谐振腔输出信号进行解调的方法[14]2015年，中北大学臧俊斌等人研究发现了使光纤陀螺锁频精度达到最高时的最佳偏置频率[15]。
2016年，中北大学郑华等人通过对陀螺输入输出信号的关系进行研究分析，推导出了谐振腔输入功率波动和检测误差之间的关系表达式[16]2017年，北京自动化控制设备研究所李建华等人通过实验探究了半导体激光器光源的最优工作区间，通过拍频检测原理确立了激光器电流与温度的最优工作区域[17]同年，西安飞行自动控制研究所提出了一种三频差动的谐振式光纤陀螺，并指出理论上该方法可大幅降低背向散射噪声2018年，中北大学张成飞等人提出了一种自适应逼近式谐振式光纤陀螺频率锁定的方法，并在谐振式光纤陀螺测试中达到了良好的效果[18]同年，北京航空航天大学冯丽爽等人对多激光器谐振式光纤陀螺中光源相对频率噪声抑制效果进行了仿真和实验，提出了边带锁频方法[19]2019年，北京自动化控制设备研究所李建华等人对谐振式光纤陀螺中的光源模块进行了研究，并对窄线宽的半导体激光器之间的拍频信号进行了实验测试，发现基于拍频检测方案的谐振式光纤陀螺具有大动态范围与高分辨率等潜在优势，为基于拍频检测方案的谐振式光纤陀螺系统的研究打下基础[20]综上，谐振式光学陀螺信号检测技术经过这么多年的发展在抑制噪声提高检测精度方面存在诸多问题，这也是限制谐振式光学陀螺目前不能工程化的主要因素。
因此需要一种全新的检测方案来提升谐振式光学陀螺的检测精度频率检测技术近几年来不断改良利用现场可编程逻辑阵列(FPGA)或定制专用集成电路(ASIC)，通过时间放大、延迟链等方法，设计一种时间数字转换电路，能够有效获得较高测频精度[21]2006年，中国科学技术大学Jain Son等人利用FPGA的设计延迟单元，实现了分辨率可以达到50ps的精确时间测量[22]2008年，Fermilab实验室的Zonghan Shi与Jinyuan Wu等人对时间数字转换芯片中的进位链延迟进行了一些改进，使得可以在低成本的FPGA中实现分辨率在10ps~20ps的方案虽然利用FPGA进行TDC设计的设计周期短、研发成本低，但不同芯片之间存在可移植性较差的问题，故一般都是采用专用的TDC芯片设计高精度的系统西欧粒子物理研究中心开发的HPTDC，有32个通道，分辨率为25ps，但由于成本高且限制出口等原因，限制了其发展德国ACAM公司生产的时间数字转换芯片TDC-GP22，具有成本低、可靠性高、灵活性强等特点，其分辨率45ps从国内外的研究现状来看，现研究机构对于谐振式光纤陀螺信号检测技术的研究主要集中在调制解调方案优化、谐振频率锁频回路性能优化和系统噪声抑制三个方面，然而现有的谐振式光纤陀螺信号检测方案在抑制谐振式光纤陀螺噪声，提高检测精度方面尚未表现出理想的效果，阻碍谐振式光学陀螺进入工程化阶段。