CN100587400C - 基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法及装置。检测方法包括调制信号的产生和信号的解调方法，均采用基于坐标旋转数字计算机算法的相位/幅度转换模块实现。检测装置包括激光器、耦合器、相位调制器、光纤环形器、光电探测器、现场可编程门阵列芯片、数/模转换器、模/数转换器、信号采样通道、反馈电路、信号输出通道。本发明应用坐标旋转数字计算机算法，通过单片现场可编程门阵列芯片实现两路调制信号的产生、解调和信号处理，可编程配置调制信号的幅度、相位和频率，利于检测系统的稳定和集成，算法精度由迭代次数和数据字长决定；采用光纤环形器避免光纤环中的光波返回激光器，影响激光器稳定性。

Description

基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法及装置。

背景技术

谐振腔光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。由于Sagnac效应是一种非常微弱的效应，系统中信号调制和检测技术具有非常重要的地位。常用的检测电路由调制信号发生器和模拟解调信号组成。相对于模拟检测系统，数字检测系统稳定性高、设计灵活，可以有效抑制1/f噪声和温度等引起的漂移噪声。

直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)技术的关键是相位/幅度转换部分，常用的方法有存储器(Read-Only Memory，ROM)查表法、泰勒级数法、坐标旋转数字计算机(Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC)算法等。ROM查表法所需的ROM表容量随精度要求的提高呈指数增长，不易于在现场可编程门阵列芯片(Field Programmable Gate Array，FPGA)中实现。随着集成电路水平的提高，高精度的频率合成技术可用实时计算来代替ROM查找表结构。泰勒级数法由于用到大量的乘法运算亦不易于在FPGA中实现。坐标旋转数字计算机算法于1959年由J.Volder提出，通过加/减、移位运算即可完成高精度的相位-幅度转换，非常适合在FPGA中实现。

针对R-FOG系统，提出了基于坐标旋转数字计算机算法的全数字信号检测的方法。通过单片现场可编程门阵列芯片即可同时实现调制信号的产生、信号的同步解调和数字信号处理，使R-FOG检测系统更加稳定、灵活。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法及装置。基于坐标旋转数字计算机算法的调制信号产生、信号的同步解调以及信号处理可在单片现场可编程门阵列芯片上实现，有利于检测系统的集成化，提高检测电路的精度和稳定性。

基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法包括调制信号的产生方法和调制信号的解调方法两部分：

调制信号的产生方法为：在时钟控制下，现场可编程门阵列芯片中的一个频率控制寄存器控制产生正弦波的频率；频率控制寄存器作为一个相位累加器的输入，相位累加器输出的相位值作为一个相位/幅度转换模块的输入相位量z₀，z₀是需要计算三角函数值的相位量；相位/幅度转换模块的输入初始向量坐标值x₀设置为一定值，y₀设置为0，相位/幅度转换模块的输出x_N和y_N分别给出输入相位量z₀的正弦和余弦函数值，通过一个数/模转换器产生正弦波电压信号作为调制信号；

调制信号的解调方法为：在时钟控制下，现场可编程门阵列芯片中的一个相位控制寄存器控制调制信号与被解调信号之间的相位差；相位控制寄存器和调制信号产生方法中的相位累加器的输出作为一个加法器的两个输入信号，加法器输出的相位值作为一个相位/幅度转换模块的输入相位量z₀，z₀是需要计算三角函数值的相位量；通过一个模/数转换器对含有调制信号频率分量的信号进行采样，其采样值作为相位/幅度转换模块的输入初始向量坐标值x₀，y₀设置为0；相位/幅度转换模块的输出x_N通过一个低通滤波器，给出正弦波同步幅度解调信号值，再经过一个数/模转换器给出电压解调信号。

所述的相位/幅度转换模块为：相位/幅度转换的过程是通过一系列的子角度旋转操作的迭代来实现；相位/幅度转换模块的输入参量为相位量z₀、初始向量坐标值x₀和y₀；将y₀设置为0，当其子角度旋转操作迭代次数N趋于无穷时，相位/幅度转换模块的输出x_N和y_N分别趋于x₀·sin(z₀)和x₀·cos(z₀)，z_N趋于0。

所述的一系列的子角度旋转操作的迭代为：子角度旋转操作可表示为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^0\right)\end{array}\right.j\≤2$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\·2^{-j+2}\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\·2^{-j+2}\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^{-j+2}\right)\end{array}\right.j>2$

其中，x_j、y_j和z_j作为子角度旋转操作的输入变量，x_j+1、y_j+1和z_j+1为子角度旋转操作的输出变量，上述关系式在现场可编程门阵列芯片中通过加/减、移位运算实现； $x_0=\frac{1}{2}\·\underset{j=0}{\overset{N-3}{\mathrm{\Π}}}\sqrt{\frac{1}{1+2^{-2j}}},$ N为迭代操作的总次数，y₀＝0，z₀是要计算三角函数值的角度值；当z_j＞0或z_j＜0时，δ_j分别取为+1和一1；一系列的子角度旋转操作迭代的次序为j＝0，1，2，3......。

基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺的信号检测装置中的激光器与第一耦合器、第一相位调制器、第一光纤环形器、第二耦合器、第二光纤环形器、第二相位调制器、第一耦合器相连接；第一相位调制器与第一数/模转换器相连接；第二相位调制器与第二数/模转换器相连接；第一光纤环形器与第一光电探测器、第一信号采样通道、第一模/数转换器相连接；第二光纤环形器与第二光电探测器、第二信号采样通道、第二模/数转换器相连接；第二耦合器与光纤谐振环相连接；第三数/模转换器与反馈电路、激光器相连接；第四数/模转换器与陀螺信号输出通道相连接；现场可编程门阵列芯片分别与第一数/模转换器、第二数/模转换器、第三数/模转换器、第四数/模转换器、第一模/数转换器、第二模/数转换器相连接。

所述的信号采样通道的电路为：第一运算放大器的正输入端作为信号输入端，第一运算放大器的负输入端与第一运算放大器的输出端相连接，第一运算放大器的输出端与第一电容的一端相连接；第一电容的另一端与第一电阻、第二电阻的一端相连接，第一电阻的另一端接地；第二运算放大器的正输入端与第二电阻的另一端相连接，第二运算放大器的负输入端与第三电阻、第四电阻的一端相连接，第二运算放大器的输出端与第四电阻的另一端、第二电容的一端相连接，第三电阻的另一端接地；第二电容的另一端与第五电阻的一端、第三电容的一端相连接，第三电容的另一端与第六电阻的一端、第三运算放大器的正输入端相连接，第六电阻的另一端接地；第三运算放大器的负输入端与第七电阻的一端、第八电阻的一端相连接，第三运算放大器的输出端与第五电阻的另一端、第八电阻的另一端、第九电阻的一端相连接，第七电阻的另一端接地；第九电阻的另一端与第十电阻的一端、第四电容的一端相连接；第四运算放大器的正输入端与第十电阻的另一端、第五电容的一端相连接，第四运算放大器的负输入端与第十一电阻的一端、第十二电阻的一端相连接，第四运算放大器的输出端与第四电容的另一端、第十二电阻的另一端相连接，第十一电阻的另一端、第五电容的另一端接地。

所述的反馈电路的电路为：第十三电阻的一端作为输入端，第十三电阻的另一端与第六电容的一端、第十四电阻的一端相连接；第五运算放大器的正输入端与第十四电阻的另一端、第七电容的一端相连接，第五运算放大器的负输入端与第十五电阻的一端、第十六电阻的一端相连接，第五运算放大器的输出端与第六电容的另一端、第十六电阻的另一端、第十七电阻的一端相连接，第十五电阻的另一端、第七电容的另一端接地；第六运算放大器的正输入端与第十八电阻的一端相连接，第六运算放大器的负输入端与第十七电阻的另一端、第十九电阻的一端相连接，第六运算放大器的输出端与第十九电阻的另一端、第二十二电阻的一端相连接，第十八电阻的另一端接地；第七运算放大器的正输入端与第二十一电阻的一端相连接，第七运算放大器的负输入端与第二十二电阻的另一端、第二十三电阻的一端、第二十五电阻的一端相连接，第七运算放大器的输出端与第二十五电阻的另一端相连接，第二十一电阻的另一端接地；第二十三电阻的另一端与第二十电阻的一端、第二十四电阻的一端相连接，第二十电阻的另一端与电源相连接，第二十四电阻的另一端接地。

所述的陀螺信号输出通道的电路为：第二十六电阻的一端作为输入端，第二十六电阻的另一端与第八电容的一端、第二十七电阻的一端相连接；第八运算放大器的正输入端与第二十七电阻的另一端、第九电容的一端相连接，第八运算放大器的负输入端与第二十八电阻的一端、第二十九电阻的一端相连接，第八运算放大器的输出端与第八电容的另一端、第二十九电阻的另一端相连接，第九电容的另一端、第二十八电阻的另一端接地。

本发明具有的有益效果：

1)本发明应用基于坐标旋转数字计算机算法，通过现场可编程门阵列芯片实现正弦波调制信号的产生和同步解调，系统精度由算法中的迭代次数和数据字长决定，可实现高精度；

2)本发明在现场可编程门阵列芯片中，可在线灵活配置调制信号的幅度、相位和频率；

3)本发明通过单片现场可编程门阵列芯片，实现两路调制信号的产生、同步解调和信号处理，有利于谐振式光纤陀螺检测系统的稳定和集成化；

4)本发明采用光纤环形器，可避免光纤环形谐振腔中的光波返回激光器，从而对激光器的稳定性产生影响。

附图说明

图1是基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺系统装置结构图；

图2是坐标旋转数字计算机算法的原理示意图；

图3是逆时针光路信号调制、解调系统框图；

图4是信号采样通道框图；

图5是调谐激光器输出光频率的反馈电路框图；

图6是陀螺信号输出通道框图；

图中：激光器1、反馈电路2、第一耦合器3、第一相位调制器4、第一数/模转换器5、第二数模转换器6、第二相位调制器7、第三数/模转换器8、现场可编程门阵列芯片9、第四数/模转换器10、第一模/数转换器11、第二模/数转换器12、陀螺信号输出通道13、第一信号采样通道14、第二信号采样通道15、第一光纤环形器16、第一光电探测器17、第二光电探测器18、第二光纤环形器19、第二耦合器20、光纤谐振环21。

具体实施方式

图1所示，基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺的信号检测装置中的激光器1与第一耦合器3、第一相位调制器4、第一光纤环形器16、第二耦合器20、第二光纤环形器19、第二相位调制器7、第一耦合器3相连接；第一相位调制器4与第一数/模转换器5相连接；第二相位调制器7与第二数/模转换器6相连接；第一光纤环形器16与第一光电探测器17、第一信号采样通道14、第一模/数转换器11相连接；第二光纤环形器19与第二光电探测器18、第二信号采样通道15、第二模/数转换器12相连接；第二耦合器20与光纤谐振环21相连接；第三数/模转换器8与反馈电路2、激光器1相连接；第四数/模转换器10与陀螺信号输出通道13相连接；现场可编程门阵列芯片9分别与第一数/模转换器5、第二数/模转换器6、第三数/模转换器8、第四数/模转换器10、第一模/数转换器11、第二模/数转换器12相连接。

由激光器1发出的激光经50％耦合器3分成两束，这两束激光分别经过相位调制器(Phase Modulator，PM)4和7进行调制，再由光纤耦合器20耦合进入光纤谐振环(Fiber ring resonator，FRR)，形成逆时针(Counter Clockwise，CCW)和顺时针(Clockwise，CW)的两个谐振光束，分别由光纤环形器19和16耦合到光电探测器18和17；从光电探测器18出来的信号经过信号采样通道15后由高速模/数转换器12送入现场可编程门阵列芯片9，由现场可编程门阵列芯片解调提取谐振频率偏差，用以控制激光器输出光频率，从而使激光频率锁定在CCW光路谐振点；从光电探测器17出来的信号经过信号采样通道14后由高速模/数转换器11送入现场可编程门阵列芯片9，由现场可编程门阵列芯片解调后经过高速数/模转换器10和陀螺信号输出通道13后，给出陀螺开环角速度信号。

基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法，包括调制信号的产生方法和调制信号的解调方法两部分：

图2给出了逆时针光路信号调制、解调系统框图。虚线框图表示FPGA芯片，产生正弦波调制信号，通过驱动相位调制器对光波进行相位调制，同时通过对光电探测器的输出信号进行同步解调。

调制信号的产生方法为：正弦波信号由一个累加器和一个CORDIC算法的相位/幅度转换模块产生。在时钟控制下，现场可编程门阵列芯片中的一个频率控制字(Frequency Control Word，FCW)寄存器控制产生正弦波的频率；频率控制寄存器作为一个相位累加器的输入，相位累加器输出的相位值作为一个相位/幅度转换模块的输入相位量z₀，z₀是需要计算三角函数值的相位量；相位/幅度转换模块的输入初始向量坐标值x₀设置为一定值，y₀设置为0，此时相位/幅度转换模块的输出x_N和y_N分别给出输入相位量z₀的正弦和余弦函数值，输出x_N通过一个数/模转换器产生正弦波电压信号作为调制信号；

调制信号的解调方法为：在时钟控制下，现场可编程门阵列芯片中的一个相位控制字(Phase Control Word，PCW)寄存器控制调制信号与被解调信号之间的相位差；相位控制寄存器和调制信号产生方法中的相位累加器的输出作为一个加法器的两个输入信号，加法器输出的相位值作为一个相位/幅度转换模块的输入相位量z₀，z₀是需要计算三角函数值的相位量；通过一个模/数转换器对含有调制信号频率分量的信号进行采样，其采样值作为相位/幅度转换模块的输入初始向量坐标值x₀，y₀设置为0；相位/幅度转换模块的输出x_N通过一个低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)，给出正弦波同步幅度解调信号值，再经过一个数/模转换器得到电压解调信号。将电压解调信号，通过反馈电路(Feedback Circuit，FBC)调谐激光器输出光频率，使激光频率锁定在CCW光路的谐振频率上。

所述的相位/幅度转换模块为：相位/幅度转换的过程是通过一系列的子角度旋转操作的迭代来实现；相位/幅度转换模块的输入参量为相位量z₀、初始向量坐标值x₀和y₀；将y₀设置为0，当其子角度旋转操作迭代次数N趋于无穷时，相位/幅度转换模块的输出x_N和y_N分别趋于x₀·sin(z₀)和x₀·cos(z₀)，z_N趋于0。从而实现相位/幅度的转换。

所述的一系列的子角度旋转操作的迭代为：

坐标旋转数字计算机算法有旋转和定向两种模式。旋转模式的基本概念是将x轴上的单位向量通过一系列的子角度旋转θ_j(j是整数)旋转到预定的角度上。经过N次的子角度旋转操作，即可得到正弦值sinθ和余弦值cosθ，其中θ是所有子角度θ_j之和。

图3所示为坐标旋转数字计算机算法的原理示意图，向量V_j(x_j，y_j)经过子角度θ_j旋转操作得到向量V_j+1(x_j+1，y_j+1)，其关系可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=(x_j-y_j\·\tan {\mathrm{\θ}}_j)\·\cos {\mathrm{\θ}}_j\\ y_{j+1}=(y_j+x_j\·\tan {\mathrm{\θ}}_j)\·\cos {\mathrm{\θ}}_j\end{array}\right.---\left(1\right)$

为了易于在FPGA中通过简单的加/减、移位运算实现上式的运算，旋转子角度θ_j设为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_j={\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^{-j}\right)\\ K_j=\cos {\mathrm{\θ}}_j=\sqrt{\frac{1}{1+2^{-2j}}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，δ_j取+1或-1。经过N次子角度旋转，校正因子K定义为：

$K=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Π}}}{K}_j=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Π}}}\sqrt{\frac{1}{1+2^{-2j}}}---\left(3\right)$

通过K将初始单位向量预校正为V₀(K，0)，可避免(1)式中每次子角度旋转操作中的幅度放大因子cosθ_j。因此CORDIC算法的子角度旋转操作表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\·2^{-j}\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\·2^{-j}\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^{-j}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，x₀＝K，y₀＝0，z₀是预定要计算正弦值和余弦值的角度θ，当z_j＞0或z_j＜0时，δ_j分别取为+1和-1。当子角度旋转操作次数N为无限大时，x_N和y_N分别等于cos(θ)和sin(θ)，从而实现了相位/幅度的转换。根据(2)式，子旋转角度之和的最大值可表示为：

为使CORDIC算法角度计算的范围Ф覆盖±180°，可增加两次j＝0的子角度旋转操作。修正后的CORDIC算法相位/幅度转换操作可以描述为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^0\right)\end{array}\right.j\≤2$ (6)

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\·2^{-j+2}\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\·2^{-j+2}\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^{-j+2}\right)\end{array}\right.j>2$

由于增加了两次j＝0的子角度旋转操作，N为迭代操作的总次数，校正因子K修正为：

$K={K_0}^2\·\underset{j=0}{\overset{N-3}{\mathrm{\Π}}}{K}_j=\frac{1}{2}\·\underset{j=0}{\overset{N-3}{\mathrm{\Π}}}\sqrt{\frac{1}{1+2^{-2j}}}---\left(7\right)$

因此，(6)式中的x_j、y_j和z_j作为子角度旋转操作的输入变量，x_j+1、y_j+1和z_j+1为子角度旋转操作的输出变量，(6)式在现场可编程门阵列芯片中通过加/减、移位运算实现；x₀＝K，y₀＝0，z₀的输入是要计算三角函数值的角度值；一系列的子角度旋转操作迭代的次序为j＝0，1，2，3......。

设总迭代次数为N，(6)式描述的基于CORDIC算法的相位/幅度转换模块的误差可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\cos z_0-x_N\≤2^{-(N-3)}\\ \sin z_0-y_N\≤2^{-(N-3)}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由(8)式可以看出，算法的精度由迭代次数和运算操作中的数据寄存器的位数决定，因此可在线调整算法的精度，可以达到很高的精度。

图4所示，所述的信号采样通道的电路为：第一运算放大器1的正输入端作为信号输入端，第一运算放大器1的负输入端与第一运算放大器1的输出端相连接，第一运算放大器1的输出端与第一电容C₁的一端相连接；第一电容C₁的另一端与第一电阻R₁、第二电阻R₂的一端相连接，第一电阻R₁的另一端接地；第二运算放大器的正输入端与第二电阻R₂的另一端相连接，第二运算放大器的负输入端与第三电阻R₃、第四电阻R₄的一端相连接，第二运算放大器的输出端与第四电阻R₄的另一端、第二电容C₂的一端相连接，第三电阻R₃的另一端接地；第二电容C₂的另一端与第五电阻R₅的一端、第三电容C₃的一端相连接，第三电容C₃的另一端与第六电阻R₆的一端、第三运算放大器的正输入端相连接，第六电阻R₆的另一端接地；第三运算放大器的负输入端与第七电阻R₇的一端、第八电阻R₈的一端相连接，第三运算放大器的输出端与第五电阻R₅的另一端、第八电阻R₈的另一端、第九电阻R₉的一端相连接，第七电阻R₇的另一端接地；第九电阻R₉的另一端与第十电阻R₁₀的一端、第四电容C₄的一端相连接；第四运算放大器的正输入端与第十电阻R₁₀的另一端、第五电容C₅的一端相连接，第四运算放大器的负输入端与第十一电阻R₁₁的一端、第十二电阻R₁₂的一端相连接，第四运算放大器的输出端与第四电容C₄的另一端、第十二电阻R₁₂的另一端相连接，第十一电阻R₁₁的另一端、第五电容C₅的另一端接地。

信号采样通道由光电探测器与电压跟随器、RC高通滤波器、放大器、带通滤波器、模/数转换器相连接组成。信号采样通道对光电探测器的输出信号进行滤波和预放大处理。由于被检测信号微弱，而噪声相对较大，因此要求信号通道的前置放大器具备低噪声、高增益和大的动态范围，同时需满足与光电探测器的输出阻抗相匹配，具有较高的共模抑制比，以达到最佳的噪声抑制性能。

图4为信号采样通道框图。带通滤波器(Band Pass Filter，BFP)，由低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)和高通滤波器(High Pass Filter，HPF)组合而成，对被解调信号进行选频。LPF和HPF均采用有源二阶结构，光电探测器与一跟随器相连进行阻抗匹配。跟随器由第一运算放大器组成；第一电容C₁和第一电阻R₁组成隔直流电路；放大电路由第二运算放大器和第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄组成；高通滤波器由第三运算放大器和第二电容C₂、第三电容C₃、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈组成；低通滤波器由第四运算放大器和第四电容C₄、第五电容C₅、第九电阻R₉、第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第十二电阻R₁₂组成。

调谐激光器输出光频率的控制信号通道由数/模转换器、反馈电路、激光器相接组成。

图5所示为所述的反馈电路2的电路框图：第十三电阻R₁₃的一端作为输入端，第十三电阻R₁₃的另一端与第六电容C₆的一端、第十四电阻R₁₄的一端相连接；第五运算放大器的正输入端与第十四电阻R₁₄的另一端、第七电容C₇的一端相连接，第五运算放大器的负输入端与第十五电阻R₁₅的一端、第十六电阻R₁₆的一端相连接，第五运算放大器的输出端与第六电容C₆的另一端、第十六电阻R₁₆的另一端、第十七电阻R₁₇的一端相连接，第十五电阻R₁₅的另一端、第七电容C₇的另一端接地；第六运算放大器的正输入端与第十八电阻R₁₈的一端相连接，第六运算放大器的负输入端与第十七电阻R₁₇的另一端、第十九电阻R₁₉的一端相连接，第六运算放大器的输出端与第十九电阻R₁₉的另一端、第二十二电阻R₂₂的一端相连接，第十八电阻R₁₈的另一端接地；第七运算放大器的正输入端与第二十一电阻R₂₁的一端相连接，第七运算放大器的负输入端与第二十二电阻R₂₂的另一端、第二十三电阻R₂₃的一端、第二十五电阻R₂₅的一端相连接，第七运算放大器的输出端与第二十五电阻R₂₅的另一端相连接，第二十一电阻R₂₁的另一端接地；第二十三电阻R₂₃的另一端与第二十电阻R₂₀的一端、第二十四电阻R₂₄的一端相连接，第二十电阻R₂₀的另一端与电源相连接，第二十四电阻R₂₄的另一端接地。

反馈电路由低通滤波器、反相放大器、反相加法器组成。由于激光器频率调谐端不能加负电压，因此需要加法器作为电平移位电路。低通滤波器由第五运算放大器和第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄、第十五电阻R₁₅、第十六电阻R₁₆、第六电容C₆、第七电容C₇组成；反相放大器由第六运算放大器和第十七电阻R₁₇、第十八电阻R₁₈、第十九电阻R₁₉组成；第二十电阻R₂₀、第二十四电阻R₂₄提供一个直流平移电平；反相加法器由第七运算放大器和第二十一电阻R₂₁、第二十二电阻R₂₂、第二十三电阻R₂₃、第二十五电阻R₂₅组成。

FPGA计算出的信号解调值，通过数/模转换器、低通滤波器输出，此信号即为陀螺转动信号。

图6所示为所述的陀螺信号输出通道13的电路框图：第二十六电阻R₂₆的一端作为输入端，第二十六电阻R₂₆的另一端与第八电容C₈的一端、第二十七电阻R₂₇的一端相连接；第八运算放大器的正输入端与第二十七电阻R₂₇的另一端、第九电容C₉的一端相连接，第八运算放大器的负输入端与第二十八电阻R₂₈的一端、第二十九电阻R₂₉的一端相连接，第八运算放大器的输出端与第八电容C₈的另一端、第二十九电阻R₂₉的另一端相连接，第九电容C₉的另一端、第二十八电阻R₂₈的另一端接地。

低通滤波器采用有源二阶低通滤波器，由第八运算放大器和第二十六电阻R₂₆、第二十七电阻R₂₇、第二十八电阻R₂₈、第二十九电阻R₂₉、第八电容C₈、第九电容C₉组成。

Claims (3)

1.一种基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法，其特征在于包括调制信号的产生方法和调制信号的解调方法两部分：

调制信号的产生方法为：在时钟控制下，现场可编程门阵列芯片中的一个频率控制寄存器控制产生正弦波的频率；频率控制寄存器作为一个相位累加器的输入，相位累加器输出的相位值作为第一相位/幅度转换模块的输入相位量z₀，z₀是需要计算三角函数值的相位量；所述第一相位/幅度转换模块的输入初始向量坐标值x₀设置为一定值，y₀设置为0，所述第一相位/幅度转换模块的输出x_N和y_N分别给出输入相位量z₀的正弦和余弦函数值，通过第一数/模转换器产生正弦波电压信号作为调制信号；

调制信号的解调方法为：在时钟控制下，现场可编程门阵列芯片中的一个相位控制寄存器控制调制信号与被解调信号之间的相位差；相位控制寄存器和调制信号产生方法中的相位累加器的输出作为一个加法器的两个输入信号，加法器输出的相位值作为第二相位/幅度转换模块的输入相位量z₀，z₀是需要计算三角函数值的相位量；通过一个模/数转换器对含有调制信号频率分量的信号进行采样，其采样值作为所述第二相位/幅度转换模块的输入初始向量坐标值x₀，y₀设置为0；所述第二相位/幅度转换模块的输出x_N通过一个低通滤波器，给出正弦波同步幅度解调信号值，再经过第二数/模转换器给出电压解调信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法，其特征在于所述的第一相位/幅度转换模块或第二相位/幅度转换模块为：相位/幅度转换的过程是通过一系列的子角度旋转操作的迭代来实现；第一相位/幅度转换模块或第二相位/幅度转换模块的输入参量为相位量z₀、初始向量坐标值x₀和y₀；将y₀设置为0，当其子角度旋转操作迭代次数N趋于无穷时，第一相位/幅度转换模块或第二相位/幅度转换模块的输出x_N和y_N分别趋于x₀·sin(z₀)和x₀·cos(z₀)，z_N趋于0。

3.根据权利要求2所述的一种基于坐标旋转数字计算机算法的谐振式光纤陀螺信号检测方法，其特征在于所述的一系列的子角度旋转操作的迭代为：子角度旋转操作可表示为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^0\right)\end{array}\right.,j\≤2$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1}=x_j-{\mathrm{\δ}}_j\·y_j\·2^{-j+2}\\ y_{j+1}=y_j+{\mathrm{\δ}}_j\·x_j\·2^{-j+2}\\ z_{j+1}=z_j-{\mathrm{\δ}}_j\·\arctan \left(2^{-j+2}\right)\end{array}\right.,j>2$

其中，x_j、y_j和z_j作为子角度旋转操作的输入变量，x_j+1、y_j+1和z_j+1为子角度旋转操作的输出变量，上述关系式在现场可编程门阵列芯片中通过加/减、移位运算实现； $x_0=\frac{1}{2}\·\underset{j=0}{\overset{N-3}{\mathrm{\Π}}}\sqrt{\frac{1}{1+2^{-2j}}},$ N为迭代操作的总次数，y₀＝0，z₀是要计算三角函数值的角度值；当z_j＞0时，δ_j取+1，当z_j＜0时，δ_j取-1；一系列的子角度旋转操作迭代的次序为j＝0，1，2，3......。

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