CN102650526B - 一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，属于光纤陀螺技术领域，包括模拟前处理和数字域处理两部分，其中模拟前处理部分包括带通滤波模块、整形模块和乘法器、AD前处理部分，数字域处理部分包括AD采集器和FPGA编程模块；AD前处理部分包括低通滤波器和AD前置放大器。本发明提出一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，通过检测两路信号的相位差来完成对调频连续波干涉式这种新型光纤陀螺仪的定量检测，消除了调频周期及幅值变化给相位差检测带来的影响，差分检测方式能够较好地抑制光纤陀螺的共模误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模拟相位比较的调频连续波双干涉式光纤陀螺开环检测电路，属于光纤陀螺技术领域。
背景技术
光纤陀螺作为发展极为迅速的一种新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，已经广泛用于各领域。国际上通用的光纤陀螺形式为单干涉式，即利用一套光路(一个保偏光纤环)的快轴或者慢轴实现Sagnac干涉仪，通过分别按照顺时针(CW)、逆时针(CCW)传播的两束主波列之间的干涉来解算载体转动导致的Sagnac相移。这种干涉仪虽然结构简单，但是随着光纤陀螺应用领域的不断扩展，其体积、重量与精度之间的矛盾日益突出，以现有的技术和工艺水平，在维持精度的前提下，进一步减小体积、重量很难实现突破，反之亦然。
调频连续波双干涉式光纤陀螺与传统的单干涉式光纤陀螺所不同的是，当正反方向的光波进入光纤环时，能够同时利用保偏光纤的快轴和慢轴独立传输光波，从而实现了一套光路，两套干涉仪，并且在输出时对这两套干涉信号做差分，从而消除环境扰动导致的共模误差，提高陀螺系统的信噪比。由于光路的干涉原理、调制的机制以及光路输出信号的特性与传统单干涉光纤陀螺完全不一样，所以调频连续波双干涉式光纤陀螺不可能利用现有单干涉光纤陀螺的检测电路去解算Sagnac非互易相移，因此必须根据调频连续波干涉式光纤陀螺原理方案的具体特点研究相应的检测电路方案。调频连续波双干涉式光纤陀螺是最近提出的新型光纤陀螺，目前还没有针对这种陀螺的检测电路。
发明内容
本发明的目的是针对调频连续波双干涉式光纤陀螺仪，设计了相应的开环检测电路，即通过检测两路输出信号的相位差来解算Sagnac相移。
本发明提出的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，包括模拟前处理和数字域处理两部分，其中模拟前处理部分包括带通滤波模块、整形模块和乘法器、AD前处理部分，数字域处理部分为FPGA处理模块，包括AD采集器和FPGA处理模块。
基于相位比较调频连续波光纤陀螺的快慢轴发出的两路干涉信号经探测器转换后，分别通过通滤波模块进行滤波，再经过整形模块整形，然后将整形后的两路干涉信号输入乘法器中进行乘法运算，运算后经过AD前处理部分的低通滤波以及前置放大处理后，输入AD采集器进行信号转化，将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号输入FPGA编程模块，通过对相位差信号的幅值信息进行累加求平均实现鉴相。
所述的AD前处理部分包括低通滤波器和AD前置放大器8；乘法器的输出信号经过低通滤波器进行展宽，经过低通滤波器滤波后的信号进入AD前置放大器8，经前置放大处理后输入AD采集器进行信号转化。
所述的FPGA处理模块的还包括有判向模块、程序下载模块、与上位机通信模块三个部分；所述的判向模块将整形模块的过零比较后的两路方波信号通过两个电平转换器芯片转换为适合FPGA编程模块的输入的电平，然后根据两路方波信号的上升沿到达时间的先后，来判断陀螺是正转还是反转；程序下载模块实现将程序下载到FPGA编程模块的芯片上；与上位机通信模块采用3.3V供电的RS422收发器芯片，实现FPGA编程模块与上位机之间通信。
本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明提出一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，通过检测两路信号的相位差来完成对调频连续波干涉式这种新型光纤陀螺仪的定量检测。
(2)本发明提出一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，消除了调频周期及幅值变化给相位差检测带来的影响。
(3)本发明提出一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路。其差分检测方式能够较好地抑制光纤陀螺的共模误差。
附图说明
图1：本发明提出的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路的结构框图；
图2：本发明中调频连续双干涉式光纤陀螺输出的两路受锯齿波调制的FMCW信号的具体波形；
图3：本发明中滤波器输出波形示意图；
图4：本发明中过零比较器输出波形示意图；
图5：本发明中乘法器输出波形示意图；
图6：本发明中开环检测电路中的模拟前处理模块的原理图；
图7：本发明中开环检测电路中FPGA处理模块的原理图。
图中：1-带通滤波模块；2-整形模块；3-乘法器；4-AD前处理部分；
5-AD采集器；6-FPGA编程模块；7-低通滤波器；8-AD前置放大器；
9-探测器；10-判向模块；11-程序下载模块；12-与上位机通信模块
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路包括模拟前处理和数字域处理两部分，其中模拟前处理部分包括带通滤波模块1、整形模块2和乘法器3、AD前处理部分4，数字域处理部分为FPGA处理模块，该模块主要包括AD采集器5和FPGA编程模块6。所述的AD前处理部分4包括低通滤波器7和AD前置放大器8。
基于相位比较调频连续波光纤陀螺的快慢轴发出的两路干涉信号经探测器9转换(光信号转换为电信号)后，分别通过通滤波模块1进行滤波，再经过整形模块2整形，然后将整形后的两路干涉信号输入乘法器3中进行乘法运算，运算后经过AD前处理部分4的低通滤波以及前置放大处理后，输入AD采集器5进行信号转化，将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号输入FPGA编程模块6，通过对相位差信号的幅值信息进行累加求平均实现鉴相。
目前调频连续波光纤陀螺采用激光连续波调频方案，当调频连续波光纤陀螺的快慢轴发出的两路存在光程差的连续调频光波发生干涉时，在输出端形成了动态拍信号，干涉信号形式为：
其中，I(OPD，t)表示的输出光强与光程差和时间的关系，其中，OPD表示光程差，t表示时间，I0表示拍信号的平均强度，V表示拍信号的对比度，Δv表示光学频率调制宽度，vm表示调制频率，λ0表示真空中的中心光波长，c表示真空中光速，vb表示拍信号的频率，φb0表示拍信号的初始相位。该动态拍信号为受锯齿波调制的FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave，调频连续波)信号，其具体波形I(OPD，t)如图2波形所示，从图2中可以看出，调频连续波干涉式光纤陀螺的输出信号受调频周期的影响，且内部拍频的频率也随时间在改变，同时，输出信号受强度调制，输出相位差存在期性。另外在调制周期边缘处，动态拍信号的相位不连续，且不稳定，导致波形中还有较多的毛刺，这种信号是无法精确测量相位的。
针对以上所分析的调频连续波光纤陀螺的输出信号特点，两路调频连续波光纤陀螺的输出干涉信号分别经探测器9转换后，开环检测电路首先要通过带通滤波模块1对探测器9转换后的输出信号进行滤波，本发明中带通滤波模块1采用模拟带通滤波器来滤除带外无用信号。输出信号的中心频率大约在50KHz左右，经带通滤波模块1滤波后的调制信号的频率为10KHz，本发明的开环检测电路所采用的模拟带通滤波器的通频带为50±5KHz，可以消除附加的调频周期的影响，此外，由于光路中的背向反射和散射噪声而产生的拍信号与主拍频信号的频率不同，因此滤波也可以消除部分由背向反射和散射噪声带来的影响。
本发明的模拟带通滤波器采用带通滤波芯片MAX274实现，芯片MAX274是集成模拟连续时间滤波器，可以设计成低通和带通滤波器，而具体参数由外围的16个电阻的阻值决定。该芯片可靠性高，无外接电容，而电阻只要误差在5％以内就不会对滤波器的参数造成影响。经过模拟带通滤波器之后的信号波形如图3所示。从图3中能够看出，滤波后的波形已经不存在调频周期，且拍信号也连续、稳定，同时可以看出，带通滤波器输出信号的中心频率为50k(周期为20μs)。
对滤波后的信号做整形处理。调频连续波干涉式光纤陀螺对光源的线性调频采用的是调制其驱动电流的方法，而随着驱动电流的改变会导致光源输出的光强也随着改变，再加上两路光信号所经过的光纤长度不同等其他因素，这就导致干涉信号的幅值是随着调制信号改变的，所以传统的利用相干检测将相位信息转化为幅值信息的检测方法不能直接使用，因此，本发明经带通滤波模块1滤波后的信号通过整形模块2进行整形，整形模块2采用一个高速过零比较器，将正弦信号转换成幅值固定的方波信号，消除其幅值对于检测的影响。而具体采用的是型号为ADCMP580的比较器芯片，本发明中将该比较器芯片连接成过零比较器，这样就可以保留相位信息，同时该比较器芯片输出的是标准的差分CML电平，即高电平为0V，低电平为-0.4V，这种与输入信号无关的输出幅值正是本发明所需要的。经过整形模块2之后，输出信号转换成包含相位信息但幅值固定的方波信号。整形后的方波信号，转动信息体现在两路方波的相移，也就是相互错开的位置上。如图4所示为经过高速过零比较器处理的信号波形。
根据相干检测原理，本发明对整形后得到的两路方波信号通过乘法器3做乘法，乘法器3采用型号为ADL5391芯片实现，为大带宽乘法器，3dB带宽达到2GHz。独特的结构保证了两路信号的均衡。同时该芯片在差分输入的时候可以得到最好的性能，与整形模块2所使用的差分比较器的差分输出正好相配。过零比较后的两路在时间轴上错开的方波信号通过乘法器3之后，输出的是两路信号的公共部分，即得到一个个小脉冲，如图5所示，每个脉冲的宽度都与相位差信息有关。
本发明对乘法器3输出的周期性的窄脉冲信号经过适当的低通滤波器7进行展宽，所选用低通滤波器7的通带截止频率不能太低，本发明中采用5倍基频的低通滤波器7。经过低通滤波器7滤波后的信号的面积正比于两方波信号的相位差，所以只需检测经低通滤波器滤波后的信号面积即可。经过低通滤波器7滤波后的信号进入一个AD前置放大器8，具体型号选取AD8137YR，将信号放大了5倍，便于后续处理。
经AD前置放大器8放大后的信号进入高速AD采集器5，AD采集器5的芯片采用的型号是AD9235，该芯片能够以高达65MHz的采样速率将输入模拟信号的幅值转换为12位的数字信号，经过AD采集器5输出的数字信号最后进入FPGA编程模块6进行数据的处理。FPGA编程模块6中具体的相位差解算方法是在一个调频周期内，累加相差信号的采样值，并将多个周期的测量结果做平均，通过间接方式得出两路信号的相位差值。
模拟前处理部分的电路图如图6所示，探测器9出来的两路信号首先分别经过带通滤波模块1滤波器芯片MAX274，实现带通滤波，接着分别进入整形模块2的比较器件芯片ADCMP580，实现过零比较，最后两路信号进入乘法器3芯片ADL5391，实现两路信号相乘。
FPGA处理模块的功能框图如图7所示，除了包括FPGA编程模块6和AD采集器5之外，还优选的包括有判向模块10、程序下载模块11、与上位机通信模块12三个部分。判向模块10将整形模块2的过零比较后的两路方波信号通过两个电平转换器芯片MC 100EPT21，转换为适合FPGA编程模块6的输入的3.3V电平，然后根据两路方波信号的上升沿到达时间的先后，来判断陀螺是正转还是反转；程序下载模块11实现将程序下载到FPGA编程模块6的芯片上，方便程序调试；与上位机通信模块12优选的采用3.3V供电的RS422收发器芯片MAX3491，实现FPGA编程模块6与上位机之间通信。
Claims (8)
1.一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：包括模拟前处理和数字域处理两部分，其中模拟前处理部分包括带通滤波模块、整形模块和乘法器、AD前处理部分，数字域处理部分为FPGA处理模块，包括AD采集器和FPGA处理模块；
基于相位比较调频连续波光纤陀螺的快慢轴发出的两路干涉信号经探测器转换后，分别通过带通滤波模块进行滤波，再经过整形模块整形，然后将整形后的两路干涉信号输入乘法器中进行乘法运算，运算后经过AD前处理部分的低通滤波以及前置放大处理后，输入AD采集器进行信号转化，将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号输入FPGA编程模块，通过对相位差信号的幅值信息进行累加求平均实现鉴相；
所述的FPGA处理模块的还包括有判向模块、程序下载模块、与上位机通信模块三个部分；所述的判向模块将整形模块的过零比较后的两路方波信号通过两个电平转换器芯片转换为适合FPGA编程模块的输入的电平，然后根据两路方波信号的上升沿到达时间的先后，来判断陀螺是正转还是反转；程序下载模块实现将程序下载到FPGA编程模块的芯片上；与上位机通信模块采用3.3V供电的RS422收发器芯片，实现FPGA编程模块与上位机之间通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的AD前处理部分包括低通滤波器和AD前置放大器；乘法器的输出信号经过低通滤波器进行展宽，经过低通滤波器滤波后的信号进入AD前置放大器，经前置放大处理后输入AD采集器进行信号转化。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的带通滤波模块采用模拟带通滤波器来滤除带外无用信号，通频带为50±5KHz，滤波后的调制信号的频率为10KHz。
4.根据权利要求3所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的模拟带通滤波器采用带通滤波芯片MAX274。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的整形模块采用型号为ADCMP580的比较器芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的乘法器为ADL5391芯片。
7.根据权利要求2所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的AD前置放大器为AD8137YR芯片。
8.根据权利要求1所述的一种基于相位比较调频连续波光纤陀螺的开环检测电路，其特征在于：所述的AD采集器为AD9235芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jin Jing Inventor after: Song Jingming Inventor after: Teng Fei Inventor after: Li Zhimin Inventor after: Pan Xiong Inventor after: Xiao Zhi Inventor after: Xu Xiaobin Inventor before: Jin Jing Inventor before: Song Jingming Inventor before: Li Zhimin Inventor before: Pan Xiong Inventor before: Teng Fei Inventor before: Xiao Zhi Inventor before: Xu Xiaobin |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: JIN JING SONG JINGMING LI ZHIMIN PAN XIONG TENG FEI XIAO ZHI XU XIAOBIN TO: JIN JING SONG JINGMING TENG FEI LI ZHIMIN PAN XIONG XIAO ZHI XU XIAOBIN |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141029 |