CN104296740B - 一种基于反熔丝fpga的光纤陀螺主控板晶振选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法，1)使用以带有DDS模块的FPGA为控制芯片的光纤陀螺控制板，由FPGA控制DDS模块产生初始调制频率A。2)观察光电探测器输出电压信号波形，是否为很尖锐的梳状周期信号。3)如果不是，由FPGA控制DDS产生在调制频率A附近的调制频率B，重复上述步骤，直到尖峰宽度达到十几ns量级为止，认为等同于陀螺的本征频率。4)将陀螺本征频率放大2j的整数倍，即可作为选用晶振的频率。该方法可以实现对光纤陀螺本征频率的精确测量，解决了本征频率设计不精确导致陀螺零偏变大的问题，为基于反熔丝技术的FPGA光纤陀螺主控板的晶振选择提供参考依据。

Description

一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法

技术领域

本发明属于惯性姿态敏感器系统领域，涉及一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振的选取方法。

背景技术

干涉型光纤陀螺是一种测量角速率的传感器，其硬件包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、探测器和信号处理装置。所述的信号处理装置包括用于检测探测器输出的光功率信号的前置放大器、A/D转换器、中心处理器FPGA、D/A转换器和后置放大器组成，如图1所示。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在空间飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

干涉式光纤陀螺环形干涉仪中，光波在Y波导和耦合器之间的两路光路的群传输时间之差的倒数的二分之一称为光纤陀螺的本征频率。光纤陀螺最小互易性结构的光功率响应是一个隆起的余弦函数，为了获得较高的灵敏度，故给该信号施加一个偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。而Y波导中的寄生非线性或振幅调制可能会削弱偏置的质量。在Y波导非线性的情况下，一种简单的解决方法是使光纤陀螺工作在本征频率(或其奇次谐波)上，因此，光纤陀螺的信号处理装置通常都是基于其本征频率来设计其控制时序的，所以需要精确设计光纤陀螺的本征频率。

光纤陀螺的本征频率一般根据公式f＝c/2nL得到一个估计值，公式中：f为光纤陀螺的本征频率，L为光纤环的光纤长度，n为光纤的折射率，c为真空中的光速。光纤的长度L和折射率n受光纤曲率、强度及环境温度的影响较大，从而导致光纤陀螺的本征频率随外界因素而变化，传统方法估算出的固定值不可能准确地等于本征频率，从而引入调制误差影响陀螺性能。所以通常陀螺的本征频率通过离线的方法人工测得，再由中心处理器FPGA将输入晶振频率分频产生本征频率进行时序控制。

由于空间用光纤陀螺为了防止FPGA在空间被单粒子打翻，提高陀螺的整机可靠性，陀螺控制板的主控FPGA芯片选用ACTEL公司的反熔丝芯片A54SX72A，该芯片的抗空间单粒子性能很好，不足之处是芯片内没有锁相环(时钟分频工具)，依靠代码编程很难精确对晶振时钟进行非2j整数倍的分频，且使用代码进行非整数分频语句繁琐，资源占用较大，且高低电平占空比不是1：1。通常光纤陀螺的本征频率都是非整数频率，所以使用基于反熔丝FPGA产生调制频率时，只能依靠精确选择非整数频率的晶振，进行2j整数倍分频来得到所需调制频率，所以对晶振选择的准确度要求极高。如果晶振选择有偏差，分频产生出的调制频率不严格等于陀螺的本征频率，会引入额外的寄生偏移误差，导致陀螺零偏过大，影响光纤陀螺性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法，解决了基于反熔丝FPGA光纤陀螺本征频率设计不精确导致陀螺零偏变大的问题。

本发明的技术方案是：一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法，其方法步骤如下：

1)选取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作为陀螺主控芯片的工艺板，并将工艺板连接光纤环，使用FPGA芯片内的DDS直接数字合成模块对输入晶振时钟f_clk进行分频；由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生初始调制频率信号f_fb＝c/2nL，其中，c为真空中的光速，n为光纤纤芯的折射率，L为光纤环长；

2)将获得的调制频率信号经过D/A转换以及后置放大器放大后，加载在Y波导上进行相位调制；光纤陀螺内的光源发出的光经过耦合器分光、Y波导相位调制、光纤环干涉后，光功率信息返回到探测器；

3)光电探测器接收到步骤2)产生的干涉后的光功率信息，将其转换为电流信号，再经过跨阻放大、滤波处理后输出电压信号至前置放大器；

4)观察光电探测器输出的电压信号，信号波形为周期τ＝nL/c的周期性脉冲信号；判断若光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度小于等于0.003τ，则判定由步骤1)产生的初始调制频率f_fb与理论的陀螺本征频率相等，并将此时初始调制频率f_fb作为实际的陀螺本征频率；若光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度大于0.003τ，判定由步骤1)产生的调制频率f_fb与实际的陀螺本征频率不相等，则由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生新的调制频率f_fd，并重复步骤2)～步骤4)，直到光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度小于0.003τ为止，并将此时的调制频率f_fd作为实际的陀螺本征频率；所述的调制频率f_fd是在初始调制频率f_fb上以步长k步进产生，k为正整数；

5)将步骤4)获得的实际陀螺本征频率放大2j的整数倍后，作为选取的晶振频率，其中所述的j为大于等于8的正整数，且晶振的上限频率为40兆赫兹。

本发明与现有技术相比的有益成果是：该方法可以实现可变频率步进步长，最小可达到1Hz频率的步进步长，调整速度快，实时性高，可以实现对光纤陀螺本征频率的精确测量，为基于反熔丝技术的FPGA光纤陀螺主控板的晶振选择提供精确参考，减小寄生频率偏移，降低光纤陀螺偏置误差。

附图说明

图1为光纤陀螺功能原理框图；

图2为调制频率等于陀螺本征频率时得到的调制方波；

图3为调制频率等于陀螺本征频率时得到的光电探测器信号；

图4为调制频率等于陀螺本征频率时得到的反馈阶梯波；

图5为调制频率不等于陀螺本征频率时得到的调制方波；

图6为调制频率不等于陀螺本征频率时得到的光电探测器信号；

图7为调制频率不等于陀螺本征频率时得到的反馈阶梯波；

图8为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

1.调制频率不准导致的频率偏移误差分析

1.1调制频率等于本征频率情况分析

光纤陀螺功能原理框图见图1所示。由于LiNbO₃晶体的各项异性，电光效应与电场方向有关。当在正极与负极间加上调制电压V_m(t)时，将在Y分支波导的两臂上产生方向相反的一对电场，外加电场引起对应的光折射率变化Δn也是相反的，即两臂波导中传导光的相位变化也是相反的。相当于两臂施加的是符号相反的两个相位调制信号。

如图2所示，上臂的相位调制信号为ф_m(t)，下臂的相位调制信号为-ф_m(t)。这样，施加本征频率的调制方波信号V_m(t)时，在t时刻，顺时针光波在Y波导的上臂受到的相位调制为ф_cw1＝ф_m(t)，在t-τ时刻，在Y波导的下臂受到符号相反的相位调制ф_cw2＝-ф_m(t-τ)。同理，在t时刻，逆时针光波在Y波导的下臂受到的相位调制为ф_ccw1＝-ф_m(t)，在t-τ时刻，在Y波导的上臂受到符号相反的相位调制ф_ccw2＝ф_m(t-τ)。

这样，顺时针光波和逆时针光波各得到了两次相位调制：

ф_cw(t)＝ф_cw1+ф_cw2＝ф_m(t)-ф_m(t-τ)

ф_ccw(t)＝ф_ccw1+ф_ccw2＝-ф_m(t)+ф_m(t-τ)

其中，ф_m(t)是方波电压信号V_m(t)产生的相位调制。

则方波调制信号Δф_m(t)为

Δф_m(t)＝ф_cw(t)-ф_ccw(t)＝2[ф_m(t)-ф_m(t-τ)]

经过方波调制信号调制后光电探测器输出的波形如图3所示。可见，当调制频率与陀螺本征频率相等时，光电探测器的输出信号是很尖锐的梳状周期为τ的信号。

图4为调制频率等于陀螺本征频率时的反馈阶梯波波形。在闭环光纤陀螺中，反馈相位差ф_fb是采用阶梯波ф_f(t)来实现的。阶梯波由一系列幅值小、持续时间等于光纤环传输时间τ的相位台阶ф_fb构成。阶梯波也不能无限上升，必须进行2π复位。两束反向传播光波之间因为阶梯波ф_f(t)调制而产生的相位差Δф_f(t)为ф_fb或者ф_fb-2π。

1.2调制频率不等于本征频率时误差分析

当光纤环长不够精确，计算得到的调制频率不等于陀螺本征频率时，方波调制示意图如图5所示。经过计算得到的Δф_m(t)就不仅是二态调制了(±π/2)，而是三态调制(±π/2，0)。经过三态调制的光功率经过光电探测器输出波形如图6所示。与图3相比，光电探测器的输出信号不再是很尖锐的梳状周期为τ的信号，而是存在很宽高电平的梳状信号。这样就压缩了A/D转换器可以采样的电平信号宽度。同时，反馈阶梯波同样产生了额外的寄生毛刺，如图7所示，增加了噪声，降低了陀螺的精度。

2.基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法

针对上述问题，本方法使用以带有DDS模块IP核的Xilinx公司的VetexII系列FPGA为控制芯片的光纤陀螺控制板，连接光纤环，通过DDS精确分频，计算出准确的调制频率，并根据调制频率选择晶振。如图8所述，方法步骤如下：

1)选取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作为陀螺主控芯片的工艺板，并将工艺板连接光纤环，使用FPGA芯片内的DDS直接数字合成模块对输入晶振时钟f_clk进行分频；由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生初始调制频率信号f_fb＝c/2nL，其中，c为真空中的光速，n为光纤纤芯的折射率，L为光纤环长；

2)将获得的调制频率信号经过D/A转换器、后置放大器后，加载在Y波导上进行相位调制。光源发出的光经过耦合器分光、Y波导相位调制、光纤环干涉后，光功率信息返回到探测器；

3)光电探测器接收到干涉后的光功率信息，将其转换为电流信号，再经过跨阻放大、滤波处理后输出电压信号至前置放大器；

4)观察光电探测器输出的电压信号，信号波形为周期性脉冲信号，周期τ＝nL/c，判断若光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度小于一个周期τ的0.3％，则判定由步骤1)产生的初始调制频率f_fb与理论的陀螺本征频率相等，并将此时初始调制频率f_fb作为实际的陀螺本征频率；若光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度大于一个周期τ的0.3％，判定由步骤1)产生的调制频率f_fb与实际的陀螺本征频率不相等，则由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生新的调制频率f_fd，并重复步骤2)～步骤4)，直到光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度小于一个周期τ的0.3％为止，并将此时的调制频率f_fd作为实际的陀螺本征频率；所述的调制频率f_fd是在初始调制频率f_fb上以步长k步进产生，k＝1，2，3…(正整数)；

5)将步骤4)获得的实际陀螺本征频率放大2j的整数倍后，作为所需的晶振频率，其中所述的j＝8，9，10…(正整数)，晶振的上限频率为40兆赫兹。

Claims (1)

1.一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法，其方法步骤如下：

1)选取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作为陀螺主控芯片的工艺板，并将工艺板连接光纤环，使用FPGA芯片内的DDS直接数字合成模块对输入晶振时钟f_clk进行分频；由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生初始调制频率信号f_fb＝c/2nL，其中，c为真空中的光速，n为光纤纤芯的折射率，L为光纤环长；

2)将获得的调制频率信号经过D/A转换以及后置放大器放大后，加载在Y波导上进行相位调制；光纤陀螺内的光源发出的光经过耦合器分光、Y波导相位调制、光纤环干涉后，光功率信息返回到探测器；

3)光电探测器接收到步骤2)产生的干涉后的光功率信息，将其转换为电流信号，再经过跨阻放大、滤波处理后输出电压信号至前置放大器；

4)观察光电探测器输出的电压信号，信号波形为周期τ＝nL/c的周期性脉冲信号；判断若光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度小于等于0.003τ，则判定由步骤1)产生的初始调制频率f_fb与理论的陀螺本征频率相等，并将此时初始调制频率f_fb作为实际的陀螺本征频率；若光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度大于0.003τ，判定由步骤1)产生的调制频率f_fb与实际的陀螺本征频率不相等，则由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生新的调制频率f_fd，并重复步骤2)～步骤4)，直到光电探测器的输出电压信号的脉冲宽度小于0.003τ为止，并将此时的调制频率f_fd作为实际的陀螺本征频率；所述的调制频率f_fd是在初始调制频率f_fb上以步长k步进产生，k为正整数；

5)将步骤4)获得的实际陀螺本征频率放大2j的整数倍后，作为选取的晶振频率，其中所述的j为大于等于8的正整数，且晶振的上限频率为40兆赫兹。