CN114577194B - 一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统和方法，包括依次电连接的整形电路、FPGA、信号采集和计算装置，依次电连接的抖动反馈信号放大电路、相位调理电路、模数转换器和与信号采集、计算装置、模数转换器均电连接的导航计算机，FPGA的输出端与模数转换器的输入端电连接，模数转换器的输出端与信号采集和计算装置的输入端电连接。本发明采用抖动实时解调，利用抖动反馈信号和激光陀螺输出数据中抖动偏频幅度比恒定、相位差固定的线性关系，不但可以有效消除抖动偏频信号，还可以保证惯性导航系统实时性，能有效克服整周采样方法和滤字滤波方法的缺点，满足激光陀螺惯导系统在不同使用环境的陀螺信号解调功能。

Description

一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统和方法
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统和方法。
背景技术
激光陀螺(RLG)是激光技术和Sagnac效应相结合产生的高性能角速率敏感元件。与传统机电陀螺相比，环形激光陀螺具有动态范围宽、比例因子线性度好、启动迅速、对加速度不敏感等一系列优点，是捷联惯性系统的理想元件，在航海、航空、航天和陆地等领域具有广泛应用。激光陀螺利用Sagnac效应,在环形光路中,沿顺、逆时针方向相对运行的两束光的光程差与该环形光路相对于惯性空间的转动速率成线性关系。当转动速率很小时，激光陀螺输出会出现死区，称闭锁效应。因此二频机抖激光陀螺通过机械抖动偏频方案来解决闭锁效应问题。由于输出信号中引入了抖动偏频，在实际工程中测量惯性空间转动角速率需要去除抖动偏频信号。这就是机抖激光陀螺需要进行信号解调原因。
激光陀螺信号的解调设计就是采用恰当的方法，对两路信号进行判向与计数，得到总的输出脉冲信号，然后再扣除掉了偏频引起的频差和零位漂移引起的频差从而解调出待测转速及其转动方向。扣除抖动偏频的频差通常采用的技术有整周期采样和数字滤波两种方案。
如果激光陀螺信号采样周期设置为抖动周期的整数倍且在抖动周期结束的时刻采样，那么抖动偏频引入的等效转速在每两个相邻的半个周期内正好是一正一负抵消。所以只要选取计数的采样周期为整数倍抖动周期，即可消除偏频信号引入的频差。
在捷联惯导系统中，由于三个激光陀螺和三个加速度计的采样时刻要保持严格同步，并且有固定的导航解算周期，而三个激光陀螺本身抖动频率不一致，为了避免共振，惯导系统中挑选的三只激光陀螺机抖频率频差还会尽量大。因此整周期采样，只适合单陀螺性能测试、寻北仪等应用场所，不适于在捷联惯性导航系统中使用。
惯性导航系统在使用过程中，频谱范围通常在0～200赫兹之间，而90激光陀螺抖动频率在400赫兹左右，50激光陀螺抖动频率在600 赫兹左右，所以通过设计数字低通滤波器可以很好的去除抖动偏频信号，得到激光陀螺的待测信号。因此采用高速采样和数字滤波的方法去除抖动偏频信号是激光陀螺惯性导航系统中常见的方法,数字滤波方法包括FIR滤波、IIR滤波、自适应滤波等。但数字滤波器缺点是数字计算工作量比较大；另外存在信号延迟的固有弊端，在某些高动态应用环境和延迟要求较小的场所,如姿态实时控制应用时将会对实时性性能有一定影响。比如，以FIR滤波器为例，采样频率为4KHZ， FIR滤波器100阶，则会延时
(100-1)/(2*4000)＝0.012375s,即12.375ms。
二频机抖激光陀螺数字滤波方式信号解调可以参考哈尔滨工程大学孙枫的发明专利《一种基于FPGA的机抖激光陀螺抖动解调装置及解调方法》，专利号：CN 101281036A。
整周期采样缺点是不能有效消除抖动的随机抖动幅度和其它一些因素引起的噪声；采样周期很难做到与激光陀螺的实际偏频换向周期的严格一致；捷联惯导系统需要定时采样和导航计算，定时采样无法做到与三轴的激光陀螺机抖频率一致。
数字滤波方法缺点是数字计算量比较大，对系统硬件提出了比较高的要求。同时由于数字滤波器会导致频域和时域发生改变，导致系统的姿态实时性产生了滞后。
发明内容
本发明是为了解决导致系统的姿态实时性滞后问题，利用抖动反馈信号和激光陀螺输出数据中抖动偏频幅度比恒定、相位差固定的线性关系，进行抖动实时解调，不但可以有效消除抖动偏频信号，还可以保证惯性导航系统实时性，能有效克服整周采样方法和数字滤波方法的缺点，满足激光陀螺惯导系统在不同使用环境的陀螺信号解调功能。
本发明提供一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统，包括依次电连接的整形电路、FPGA、信号采集和计算装置，依次电连接的抖动反馈信号放大电路、相位调理电路、模数转换器和与信号采集和计算装置、模数转换器均电连接的导航计算机，FPGA的输出端与模数转换器的输入端电连接，模数转换器的输出端与信号采集和计算装置的输入端电连接；
整形电路用于将激光陀螺输出的转动角速度信号由模拟信号转换为TTL脉冲信号输出，转动角速度信号包括SIN模拟信号和COS模拟信号，TTL脉冲信号包括SIN脉冲信号和COS脉冲信号，FPGA用于接收TTL脉冲信号进行鉴相倍频后转换为激光陀螺脉冲计数值并向计算装置输出；抖动反馈信号放大电路用于将抖动反馈差分信号进行放大并输出至相位调理电路，相位调理电路用于将抖动反馈差分信号进行移相和反相放大后输出至模数转换器，模数转换器用于保持与 FPGA采样周期一致的同时将抖动反馈差分信号转换为抖动角速度数字信号，信号采集和计算装置用于将激光陀螺脉冲计数值和抖动角速度数字信号进行计算得到消除抖动偏频信号后的陀螺信号并输出至导航计算机，导航计算机进行导航实时解算。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统，作为优选方式，整形电路包括与SIN模拟信号相连的第一分压电阻，与COS 模拟信号相连的第二分压电阻和与第一分压电阻、第二分压电阻均连接的比较器；整形电路的输出端包括第一整形电路输出端、第二整形电路输出端和整形电路时钟输出端，第一整形电路输出端用于输出 SIN脉冲信号，第二整形电路输出端用于输出COS脉冲信号；
FPGA包括鉴相倍频和可逆计数器，鉴相倍频电路包括与第一整形电路输出端依次电连接的第一D触发逻辑电路、第二D触发逻辑电路，与第二整形电路输出端的依次电连接的第三D触发逻辑电路、第四D触发逻辑电路，与第一D触发逻辑电路输出端、第四D触发逻辑电路输出端均电连接的第一鉴相倍频电路，与第二D触发逻辑电路输出端、第三D触发逻辑电路输出端均电连接的第二鉴相倍频电路和分别与第一鉴相倍频电路、第二鉴相倍频电路的输出端均电连接的第一非门、第二非门，第一非门和第二非门的输出端均与可逆计数器的输入端电连接，第一D触发逻辑电路、第二D触发逻辑电路、第三D触发逻辑电路和第四D触发逻辑电路的时钟输入端口均与整形电路时钟输出端口电连接；
可逆计数器用于将SIN脉冲信号和COS脉冲信号进行计数并输出激光陀螺脉冲计数值，可逆计数器采样率为4KHZ。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统，作为优选方式，信号采集和计算装置包括数字信号处理器；
抖动反馈信号放大电路包括仪表放大器，反馈抖动差分信号JD1 的输出端与仪表放大器的负输入脚连接，反馈抖动差分信号JD2的输出端与仪表放大器的正输入脚连接，仪表放大器设置增益电阻，仪表放大器的输出端与相位调理电路的输入端电连接。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统，作为优选方式，相位调理电路包括依次电连接的移相器电路和反相放大电路，反相放大电路的输出端与模数转换器的输入端电连接；移相器电路包括双通道低噪声放大器、第一移相电容和第二移相电容；
反相放大电路包括第一电阻和第二电阻，反相放大电路的放大器为双通道低噪声放大器的另一通道。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统，作为优选方式，模数转换器为四倍过采样、最大采样率为50KSPS，模数转换器的采样与FPGA的脉冲计数时刻同步。
本发明提供一种新型二频机抖激光陀螺信号解调方法，包括以下步骤：
S1、获得激光陀螺脉冲计数值：整形电路将激光陀螺输出的转动角速度信号由模拟信号转换为TTL脉冲信号并输出，FPGA接收TTL 脉冲信号进行鉴相倍频后转换为激光陀螺脉冲计数值输出；
S2、获得抖动角速度数字信号：抖动反馈信号放大电路将抖动反馈差分信号进行放大并输出，相位调理电路将抖动反馈差分信号进行移相和反相放大后输出至模数转换器，模数转换器保持与FPGA采样周期一致的同时将抖动反馈差分信号转换为抖动角速度数字信号输出；
S3、获得扣除抖动信号的角速度值：信号采集和计算装置将激光陀螺脉冲计数值和抖动角速度数字信号根据以下公式进行计算并输出至导航计算机，
ΔNz＝ΔNF-KΔNAD；
其中，ΔNz为单位时间扣除抖动角速率的脉冲数，ΔNF为单位时间内激光陀螺脉冲计数值，ΔNAD为抖动角速度数字信号的采样增量值，K为增益系数；
S4、获得消除抖动偏频信号后的陀螺信号：导航计算机根据ΔNz进行导航实时解算得到消除抖动偏频信号后的陀螺信号。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调方法，作为优选方式，步骤S3中，K的计算方法为：
静态时，ΔNF远大于ΔNz，长时间积分后可得：
|ΔNF|＝K|ΔNAD|。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调方法，作为优选方式，步骤S3中包括以下步骤：
S31、根据激光陀螺输出函数公式Ⅰ与和抖动反馈角速率信号函数Ⅱ的增益成比例且有固定相位差的线性关系，得到公式：
ΔNz＝ΔNF-KΔNAD；
S32、信号采集和计算装置将激光陀螺脉冲计数值和抖动角速度数字信号进行计算并输出至导航计算机。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调方法，作为优选方式，激光陀螺输出函数公式Ⅰ为：
Figure BDA0003423682140000051
其中，N为时间t内正反行波频率差所积累的脉冲数，Ωr为激光陀螺的转动角速率，Ωin为外界输入角速率，Ωd为抖动幅度，Ω0为零偏引起的角速率，ωd为抖动角频率，Ωdcos(ωdt)为抖动角频率ωd的抖动偏频信号。
本发明所述的一种新型二频机抖激光陀螺信号解调方法，作为优选方式，抖动反馈角速率信号函数Ⅱ为：
Figure BDA0003423682140000061
其中，ΔNd为抖动反馈信号在t到t+Δt时间内的增量，
Figure BDA0003423682140000063
为抖动驱动信号与抖动反馈信号的相位差。
本发明实现的原理：
一、激光陀螺信号输出原理。
由于激光陀螺正、反两束激光的频差与输入角速度的关系可用下式描述:
f＝4Aω/Lλ (1)
其中：f为正、反两束激光的频差，A为激光环路所包围的面积，L为环路光程长度，也称为腔长，ω为外界输入角速度。
将上式对时间t求积分，可得时间t内由于正、反向行波频率差所积累的周期数为：
Figure BDA0003423682140000062
机抖激光陀螺的转动角速率Ωr，由外界输入角速率Ωin与抖动Ωd引起，因此可以用公式表示为：
Ωr＝Ωin+Ωd sin(ωdt) (3)
将(3)代入公式(2)
Figure BDA0003423682140000071
由公式(4)可知，机械抖动激光陀螺的光电管接收到的电信号频率不仅包含了待测转速引起的频差，还包含抖动偏频转速引起的频差和朗谬尔流、温度梯度所致的气体流等原因造成的零位漂移。零位漂移是激光陀螺自身固有的一种误差，只能通过控制环形光路内的误差源来降低。而抖动偏频转速引起的频差是需要在信号采集后通过解调扣除的。
二，抖动反馈信号函数建立
二频机抖激光陀螺抖动控制系统是一个幅度控制和频率跟踪的闭环系统，对于以抖动幅度为Ωd，抖动角频率为ωd的抖动偏频信号可表示为Ωd cos(ωdt)。
则抖动反馈信号在t到t+Δt时间内的增量可以表示为：
Figure BDA0003423682140000072
所以
Figure BDA0003423682140000073
Figure BDA0003423682140000074
式(6)中，K是抖动幅度增益，
Figure BDA0003423682140000075
是抖动驱动信号与抖动反馈信号的相位差。
从式(6)的抖动反馈信号看出其与式(4)中激光陀螺输出数据中抖动偏频部份是幅度比恒定，相位差固定的线性关系。因此，可以通过A/D采集抖动反馈信号得到与激光陀螺输出信号中的抖动偏频部分脉冲成线性关系的值，从而达到抖动信号解调的目的。
本发明实现的步骤：
本发明实现步骤主要包括激光陀螺信号整形、FPGA实现鉴相倍频计数、抖动角速率信号调理、AD信号采集、数据解调部份。
一、激光陀螺信号整形电路设计
由于机抖激光陀螺惯导系统包含三轴陀螺，三轴原理功能完全一致，本发明仅以一轴设计为例描述实施步骤。
激光陀螺输出相位差90°的SIN、COS信号，这两个信号就是激光陀螺输出的转动角速度信号，包含了抖动偏频信号、惯性空间转动的角速度信号、零偏信号。SIN、COS信号首先与两个分压电阻相连，然后再与高速比较器HAI-4900构成回滞比较器，把小幅度的模拟信号变成TTL脉冲信号供FPGA作为激光陀螺角速率数字信号输入。
二、FPGA实现鉴相倍频计数
由于输入的SIN、COS信号是相位差90°的脉冲信号，当SIN信号相位超前COS信号时，转动角速度方向为正转，当COS信号相位超前SIN信号时，转动角速度代表是反转，所以需要通过SIN、COS 信号的相位差进行鉴相，确定产生的脉冲方向；倍频的目的是提高信号的分辨率供可逆计数器进行脉冲计数。
激光陀螺的鉴相通过边沿D触发逻辑电路来实现，并在进行鉴相的同时对整形后的方波信号A和B实现计数倍频。当激光陀螺向某一方向，如顺时针方向转动时，A路信号就超前B路信号90度相位，结果只有CW1有脉冲信号输出；当陀螺向逆时针方向转动的时候， B路信号超前A路信号90度相位，结果只有CW2有脉冲信号输出。这样就实现了对激光陀螺转动方向的判断，同时还可以看到CW1或 CW2输出的脉冲数是激光陀螺输出信号的四倍，起到了倍频作用。
可逆计数器完成对两路脉冲信号进行准确的计数，其输出值代表一定时间内的激光陀螺敏感角增量。可逆计数器以4KHZ的采样率进行计数。在每个采样周期结束后把计数脉冲传输给导航计算机进行解调计算。可逆计数器采用Verilog HDL语言编写。
三、抖动角速率信号调理
激光陀螺的反馈抖动信号是一个差分微弱信号，幅度可低至mV 级，因此需要对此信号进行放大。JD1，JD2为反馈抖动差分信号，接入AMP-02的正负输入脚。R3是AMP-02增益设置电阻，AMP02 的增益G＝50KΩ/R3+1，增益选择与各厂家生产的激光陀螺的内部放大倍数有关，当JD1、JD2差分信号较小时，R3选小一些，当JD1、 JD2差分信号较大时，R3选大一些，减小AMP02增益。R3的选择以AMP02输出端的电压最大幅度达5V左右为宜，本发明中 R1＝R2＝100KΩ，R3＝10KΩ。
从激光陀螺输出函数公式(4)和抖动反馈角速率信号函数(6) 可以看到二者是有固定相位差正交信号，因此采用移相，再通过反相使其相位一致。
四、AD信号采集
激光陀螺的反馈抖动信号采用AD7606同步采样，把反相电路的 ADV1信号引入AD7606的输入引脚即可。
由于FPGA中脉冲计数周期为4KHZ，因此AD7606的同步启动信号与FPGA中计数周期边沿信号一致，保证激光陀螺数据信号和抖动角速率采样信号同步性。
AD7606是真双极性16位8通道同步AD转换器。采样频率可设置，最高为8通道200KSPS，本发明设置OS0 OS1，OS2三个引脚分别为0、1、0，使AD7606为四倍过采样，最大采样率为50KSPS。 RANGE引脚与3.3V相连，设置为1，使得AD7606测量范围为-10V～ +10V，PAR引脚与地相连，设置为0，采用并口通信。CONVSTA， CONVSTB两个引脚分别控制4通道AD启动转换，使这两个引脚同时与FPGA输出的4KHZ同步信号相连，保证AD采集与FPGA中的脉冲计数时刻同步。AD7606的其它引脚采用官方推荐连接即可。
五、数据解调
由于激光陀螺输出函数公式(4)和抖动反馈角速率信号函数(6) 增益成比例，有固定相位差的线性关系，在步骤三中，已经通过相位调理电路使得二者相位一致了。因此结合公式(3)、(4)、(6)可以得出这样一个公式：ΔNz＝ΔNF-KΔNAD (7)
其中ΔNz为单位时间扣除抖动角速率的脉冲数，即激光陀螺在惯性空间采样时间内转动角速度的积分；ΔNF为单位时间内FPGA的计数脉冲；ΔNAD是反馈抖动角速率AD采样增量值；K为增益系数，此值与激光陀螺内部抖动反馈信号放大系数，本发明中第三步的信号调理电路的增益设置电阻等有关，可通过标定计算得出。
K值的求取:由于静态时，ΔNF远大于ΔNz，长时间积分后可得
|ΔNF|＝K|ΔNAD|。 (8)
所以可以通过静态标定测出K值，然后把K值写入计算平台，再由公式(7)算出机抖激光陀螺真实的转动角速率信号。
此处计算采用采用DSP控制器，以4KZ周期分别读取FPGA中的激光陀螺脉冲计数值和AD7606抖动角速度值，通过公式(7)公式(8)计算出扣除抖动信号的角速度值，然后通过串口把计算结果提供给导航计算机进行导航解算。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用抖动实时解调，利用抖动反馈信号和激光陀螺输出数据中抖动偏频幅度比恒定、相位差固定的线性关系，不但可以有效消除抖动偏频信号，还可以保证惯性导航系统实时性，能有效克服整周采样方法和滤字滤波方法的缺点，满足激光陀螺惯导系统在不同使用环境的陀螺信号解调功能。
(2)本发明可实现激光陀螺输出信号的四倍倍频，通过激光陀螺的反馈抖动信号先移相再180°反相使其相位一致，最终达到延时最大仅一个导航解算周期1ms和传输时间0.2ms共1.2ms，满足用户对姿态实时性要求。
附图说明
图1为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统结构示意图；
图2为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统方法流程图；
图3为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统抖动控制原理框图；
图4为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统激光陀螺SIN COS信号示意图；
图5为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统鉴相和倍频原理框图；
图6为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统在FPGA开发平台上进行的功能仿真图；
图7为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统使用示波器实测的激光陀螺角速率信号经过鉴相倍频后从FPGA的输出图；
图8为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统角速率信号放大图；
图9为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统移相器电路图；
图10为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统反相放大电路图；
图11为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统AD7606电路图；
图12为一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统应用图。
附图标记：
1、整形电路；2、FPGA；21、鉴相倍频电路；211、第一D 触发逻辑电路；212、第二D触发逻辑电路；213、第三D触发逻辑电路；214、第四D触发逻辑电路；215、第一鉴相倍频电路；216、第二鉴相倍频电路；217、第一非门；218、第二非门；22、可逆计数器；3、信号采集和计算装置；4、抖动反馈信号放大电路；5、相位调理电路；6、模数转换器；7、导航计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统，包括依次电连接的整形电路1、FPGA2、信号采集和计算装置3，依次电连接的抖动反馈信号放大电路4、相位调理电路5、模数转换器6和与信号采集和计算装置3、模数转换器6均电连接的导航计算机7，FPGA2的输出端与模数转换器6的输入端电连接，模数转换器6的输出端与信号采集和计算装置3的输入端电连接；
整形电路1用于将激光陀螺输出的转动角速度信号由模拟信号转换为TTL脉冲信号输出，转动角速度信号包括SIN模拟信号和COS 模拟信号，TTL脉冲信号包括SIN脉冲信号和COS脉冲信号，FPGA2 用于接收TTL脉冲信号进行鉴相倍频后转换为激光陀螺脉冲计数值并向信号采集和计算装置3和模数转换器6输出，抖动反馈信号放大电路4用于将抖动反馈差分信号进行放大并输出至相位调理电路5，相位调理电路5用于将抖动反馈差分信号进行移相和反相放大后输出至模数转换器6，模数转换器6用于保持与FPGA2采样周期一致的同时将抖动反馈差分信号转换为抖动角速度数字信号，信号采集和计算装置3用于将激光陀螺脉冲计数值和抖动角速度数字信号进行计算得到消除抖动偏频信号后的陀螺信号并输出至导航计算机7，导航计算机7 进行导航实时解算；
整形电路1包括与SIN模拟信号相连的第一分压电阻，与COS模拟信号相连的第二分压电阻和与第一分压电阻、第二分压电阻均连接的比较器；整形电路1的输出端包括第一整形电路输出端、第二整形电路输出端和整形电路时钟输出端，第一整形电路输出端用于输出 SIN脉冲信号，第二整形电路输出端用于输出COS脉冲信号；
FPGA2包括电连接的鉴相倍频电路21和可逆计数器22，鉴相倍频电路21包括与第一整形电路输出端依次电连接的第一D触发逻辑电路211、第二D触发逻辑电路212，与第二整形电路输出端的依次电连接的第三D触发逻辑电路213、第四D触发逻辑电路214，与第一D触发逻辑电路211输出端、第四D触发逻辑电路214输出端均电连接的第一鉴相倍频电路215，与第二D触发逻辑电路212输出端、第三D触发逻辑电路213输出端均电连接的第二鉴相倍频电路216 和分别与第一鉴相倍频电路215、第二鉴相倍频电路216的输出端均电连接的第一非门217、第二非门218，第一非门217和第二非门218 的输出端均与可逆计数器22的输入端电连接，第一D触发逻辑电路 211、第二D触发逻辑电路212、第三D触发逻辑电路213和第四D 触发逻辑电路214的时钟输入端口均与整形电路时钟输出端口电连接；
可逆计数器22用于将SIN脉冲信号和COS脉冲信号进行计数并输出激光陀螺脉冲计数值，可逆计数器22采样率为4KHZ；
信号采集和计算装置3包括数字信号处理器；
抖动反馈信号放大电路4包括仪表放大器，反馈抖动差分信号 JD1的输出端与仪表放大器的负输入脚连接，反馈抖动差分信号JD2 的输出端与仪表放大器的正输入脚连接，仪表放大器设置增益电阻 R3，仪表放大器的输出端与相位调理电路5的输入端电连接；
相位调理电路5包括依次电连接的移相器电路和反相放大电路，反相放大电路的输出端与模数转换器6的输入端电连接；移相器电路包括双通道低噪声放大器、第一移相电容和第二移相电容；
反相放大电路包括第一电阻和第二电阻，反相放大电路的放大器为双通道低噪声放大器的另一通道；
模数转换器6为四倍过采样、最大采样率为50KSPS，模数转换器6的采样与FPGA2的脉冲计数时刻同步。
如图2所示，一种新型二频机抖激光陀螺信号解调方法，包括以下步骤：
S1、获得激光陀螺脉冲计数值：整形电路1将激光陀螺输出的转动角速度信号由模拟信号转换为TTL脉冲信号并输出，FPGA2接收 TTL脉冲信号进行鉴相倍频后转换为激光陀螺脉冲计数值输出；
S2、获得抖动角速度数字信号：抖动反馈信号放大电路4将抖动反馈差分信号进行放大并输出，相位调理电路5将抖动反馈差分信号进行移相和反相放大后输出至模数转换器6，模数转换器6保持与 FPGA2采样周期一致的同时将抖动反馈差分信号转换为抖动角速度数字信号输出；
S3、获得扣除抖动信号的角速度值：信号采集和计算装置3将激光陀螺脉冲计数值和抖动角速度数字信号根据以下公式进行计算并输出至导航计算机7，
ΔNz＝ΔNF-KΔNAD；
其中，ΔNz为单位时间扣除抖动角速率的脉冲数，ΔNF为单位时间内激光陀螺脉冲计数值，ΔNAD为抖动角速度数字信号的采样增量值，K为增益系数；
S31、根据激光陀螺输出函数公式Ⅰ与和抖动反馈角速率信号函数Ⅱ的增益成比例且有固定相位差的线性关系，得到公式：
ΔNz＝ΔNF-KΔNAD；
激光陀螺输出函数公式Ⅰ为：
Figure BDA0003423682140000141
其中，N为时间t内正反行波频率差所积累的脉冲数，Ωr为激光陀螺的转动角速率，Ωin为外界输入角速率，Ωd为抖动幅度，Ω0为零偏引起的角速率，ωd为抖动角频率，Ωdcos(ωdt)为抖动角频率ωd的抖动偏频信号；
抖动反馈角速率信号函数Ⅱ为：
Figure BDA0003423682140000142
其中，ΔNd为抖动反馈信号在t到t+Δt时间内的增量，
Figure BDA0003423682140000143
为抖动驱动信号与抖动反馈信号的相位差；
K的计算方法为：
静态时，ΔNF远大于ΔNz，长时间积分后可得：
|ΔNF|＝K|ΔNAD|；
S32、信号采集和计算装置3将激光陀螺脉冲计数值和抖动角速度数字信号进行计算并输出至导航计算机7；
S4、获得消除抖动偏频信号后的陀螺信号：导航计算机7根据ΔNz进行导航实时解算得到消除抖动偏频信号后的陀螺信号。
实施例2
如图1-2所示，一种新型二频机抖激光陀螺信号解调系统和方法，本发明实现的原理：
一、激光陀螺信号输出原理。
由于激光陀螺正、反两束激光的频差与输入角速度的关系可用下式描述:
f＝4Aω/Lλ (1)
其中:△f为正、反两束激光的频差，A为激光环路所包围的面积，L为环路光程长度，也称为腔长，ω为外界输入角速度。
将上式对时间t求积分，可得时间t内由于正、反向行波频率差所积累的周期数为：
Figure BDA0003423682140000151
机抖激光陀螺的转动角速率Ωr，由外界输入角速率Ωin与抖动Ωd引起，因此可以用公式表示为：
Ωr＝Ωin+Ωd sin(ωdt) (3)
将3代入公式2
Figure BDA0003423682140000152
由公式4可知，机械抖动激光陀螺的光电管接收到的电信号频率不仅包含了待测转速引起的频差，还包含抖动偏频转速引起的频差和朗谬尔流、温度梯度所致的气体流等原因造成的零位漂移。零位漂移是激光陀螺自身固有的一种误差，只能通过控制环形光路内的误差源来降低。而抖动偏频转速引起的频差是需要在信号采集后通过解调扣除的。
二，抖动反馈信号函数建立
从图3可以看出二频机抖激光陀螺抖动控制系统是一个幅度控制和频率跟踪的闭环系统，
对于以抖动幅度为Ωd，抖动角频率为ωd的抖动偏频信号可表示为Ωd cos(ωdt)。
则抖动反馈信号在t到t+Δt时间内的增量可以表示为：
Figure BDA0003423682140000161
所以
Figure BDA0003423682140000162
Figure BDA0003423682140000163
式(6)中，K是抖动幅度增益，
Figure BDA0003423682140000164
是抖动驱动信号与抖动反馈信号的相位差。
从式(6)的抖动反馈信号看出其与式(4)中激光陀螺输出数据中抖动偏频部份是幅度比恒定，相位差固定的线性关系。因此，可以通过A/D采集抖动反馈信号得到与激光陀螺输出信号中的抖动偏频部分脉冲成线性关系的值，从而达到抖动信号解调的目的。
本发明实现的步骤：
本发明实现步骤主要包括激光陀螺信号整形、FPGA实现鉴相倍频计数、抖动角速率信号调理、AD信号采集、数据解调部份。
一、激光陀螺信号整形电路设计
由于机抖激光陀螺惯导系统包含三轴陀螺，三轴原理功能完全一致，本发明仅以一轴设计为例描述实施步骤。
图4为激光陀螺输出相位差90°的SIN、COS信号，这两个信号就是激光陀螺输出的转动角速度信号，包含了抖动偏频信号、惯性空间转动的角速度信号、零偏信号。从图中看到需要对SIN、COS信号进行整形为可供FPGA识别的数字信号。SIN、COS信号首先与两个分压电阻相连，然后再与高速比较器HAI-4900构成回滞比较器，把小幅度的模拟信号变成TTL脉冲信号供FPGA作为激光陀螺角速率数字信号输入。
二、FPGA实现鉴相倍频计数
由于输入的SIN、COS信号是相位差90°的脉冲信号，当SIN信号相位超前COS信号时，转动角速度方向为正转，当COS信号相位超前SIN信号时，转动角速度代表是反转，所以需要通过SIN、COS 信号的相位差进行鉴相，确定产生的脉冲方向；倍频的目的是提高信号的分辨率供可逆计数器进行脉冲计数。FPGA采用ACTEL公司的 FLASH型A3P125实现鉴相倍频计数功能，A3P125无需配置芯片，具有单芯片工作能力，上电即工作，可靠性高，保密性强，功耗低等特点。
图5为鉴相倍频原理框图，激光陀螺的鉴相通过边沿D触发逻辑电路来实现，并在进行鉴相的同时对整形后的方波信号A和B实现计数倍频。当激光陀螺向某一方向，如顺时针方向转动时，A路信号就超前B路信号90度相位，结果只有CW1有脉冲信号输出；当陀螺向逆时针方向转动的时候，B路信号超前A路信号90度相位，结果只有CW2有脉冲信号输出。这样就实现了对激光陀螺转动方向的判断，同时还可以看到CW1或CW2输出的脉冲数是激光陀螺输出信号的四倍，起到了倍频作用。
图6是在FPGA开发平台上进行的功能仿真图，图7是使用示波器实测的激光陀螺角速率信号经过鉴相倍频后从FPGA的输出图，实际设计功能与仿真一致，能实现鉴相倍频功能。
可逆计数器完成对两路脉冲信号进行准确的计数，其输出值代表一定时间内的激光陀螺敏感角增量。可逆计数器以4KHZ的采样率进行计数。在每个采样周期结束后把计数脉冲传输给导航计算机进行解调计算。可逆计数器采用Verilog HDL语言编写。
三、抖动角速率信号调理
激光陀螺的反馈抖动信号是一个差分微弱信号，幅度可低至mV 级，因此需要对此信号进行放大。放大器选用AMP02高精度仪表放大器，具有低漂移、宽增益等特点。电路连接如图8，JD1，JD2为反馈抖动差分信号，接入AMP-02的正负输入脚。R3是AMP-02增益设置电阻，AMP02的增益G＝50KΩ/R3+1，增益选择与各厂家生产的激光陀螺的内部放大倍数有关，当JD1、JD2差分信号较小时，R3选小一些，当JD1、JD2差分信号较大时，R3选大一些，减小AMP02 增益。R3的选择以AMP02输出端的电压最大幅度达5V左右为宜，本发明中R1＝R2＝100KΩ，R3＝10KΩ。
移相电路如图9，放大器选用OPA2227，OPA2227是双通道低噪声，宽带宽高精度放大器。C1选取1uF，C2选取0.1uF，R5选取3M Ω实现移相。
图10是反相放大电路，放大器使用移相电路放大器OPA2227另一通道，实现相位180°变换，R6＝R7＝10KΩ。从激光陀螺输出函数公式4和抖动反馈角速率信号函数6可以看到二者是有固定相位差正交信号，因此采用图9移相，再通过图10反相使其相位一致。
四、AD信号采集
激光陀螺的反馈抖动信号采用AD7606同步采样，把图10的 ADV1信号引入图11中AD7606的输入引脚即可。
由于FPGA中脉冲计数周期为4KHZ，因此AD7606的同步启动信号与FPGA中计数周期边沿信号一致，保证激光陀螺数据信号和抖动角速率采样信号同步性。
AD7606是真双极性16位8通道同步AD转换器。采样频率可设置，最高为8通道200KSPS，本发明设置OS0 OS1，OS2三个引脚分别为0、1、0，使AD7606为四倍过采样，最大采样率为50KSPS。 RANGE引脚与3.3V相连，设置为1，使得AD7606测量范围为-10V～ +10V，PAR引脚与地相连，设置为0，采用并口通信。CONVSTA， CONVSTB两个引脚分别控制4通道AD启动转换，使这两个引脚同时与FPGA输出的4KHZ同步信号相连，保证AD采集与FPGA中的脉冲计数时刻同步。AD7606的其它引脚采用官方推荐连接即可。
五、数据解调
由于激光陀螺输出函数公式4和抖动反馈角速率信号函数6增益成比例，有固定相位差的线性关系，在步骤三中，已经通过相位调理电路使得二者相位一致了。因此结合公式(3)、(4)、(6)可以得出这样
一个公式：ΔNz＝ΔNF-KΔNAD (7)
其中ΔNz为单位时间扣除抖动角速率的脉冲数，即激光陀螺在惯性空间采样时间内转动角速度的积分；
ΔNF为单位时间内FPGA的计数脉冲；ΔNAD是反馈抖动角速率AD采样增量值；K为增益系数，此值与激光陀螺内部抖动反馈信号放大系数，本发明中第三步的信号调理电路的增益设置电阻等有关，可通过标定计算得出。
K值的求取:由于静态时，ΔNF远大于ΔNz，长时间积分后可得
|ΔNF|＝K|ΔNAD|。 (8)
所以可以通过静态标定测出K值，然后把K值写入计算平台，再由公式(7)算出机抖激光陀螺真实的转动角速率信号。
此处计算采用DSP控制器TMS320F2812。TMS320F2812以4KZ 周期分别读取FPGA中的激光陀螺脉冲计数值和AD7606抖动角速度值，通过公式(7)公式(8)计算出扣除抖动信号的角速度值，然后通过串口把计算结果提供给导航计算机进行导航解算。
TMS320F2812是TMS320C2000系列之一，TMS320F2812是集微控制器和高性能DSP的特点于一身，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。TMS320C2000系列DSP片上整合了Flash存储器、快速的A/D转换器、增强的CAN模块、事件管理器、正交编码电路接口、多通道缓冲串口等外设。运算速度高达 150MIPS，完全满足本发明的解调计算。
本实施例应用在某型炮载激光陀螺捷联惯导系统中，惯导系统的姿态信息在炮击过程中需要实时跟踪载体的姿态信息，用此姿态信息供火控稳定系统进行实时姿态控制，用户指标要求姿态滞后时间不大于2ms，若采用数字滤波方式实现解调，无法满足其实时性要求。采用本发明后，姿态延时在信号解调环节仅10us，延迟时间不足数字滤波方式的延迟时间1％，激光惯导系统姿态输出信息延时最大仅一个导航解算周期1ms和传输时间0.2ms共1.2ms，满足用户对姿态实时性要求。
图12是采用本发明的某90型激光陀螺捷联惯导系统，其精度为：
航向：0.04°；横滚：0.01°；俯仰：0.01°；
纯惯性位置精度：0.5nmil/h；速度精度0.6m/s(两小时内)
从采用本发明的激光陀螺捷联惯导系统精度可以知道，采用本发明不仅可以极大提高系统实时性，而且仍然能保证高精度激光陀螺捷联惯导系统的各项精度指标。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二频机抖激光陀螺信号解调系统，其特征在于：包括依次电连接的整形电路(1)、FPGA(2)、信号采集和计算装置(3)，依次电连接的抖动反馈信号放大电路(4)、相位调理电路(5)、模数转换器(6)和与所述信号采集和计算装置(3)、所述模数转换器(6)均电连接的导航计算机(7)，所述FPGA(2)的输出端与所述模数转换器(6)的输入端电连接，所述模数转换器(6)的输出端与所述信号采集和计算装置(3)的输入端电连接；
所述整形电路(1)用于将激光陀螺输出的转动角速度信号由模拟信号转换为TTL脉冲信号输出，所述转动角速度信号包括SIN模拟信号和COS模拟信号，所述TTL脉冲信号包括SIN脉冲信号和COS脉冲信号，所述FPGA(2)用于接收所述TTL脉冲信号进行鉴相倍频后转换为激光陀螺脉冲计数值并向所述信号采集和计算装置(3)和所述模数转换器(6)输出，所述抖动反馈信号放大电路(4)用于将抖动反馈差分信号进行放大并输出至所述相位调理电路(5)，所述相位调理电路(5)用于将所述抖动反馈差分信号进行移相和反相放大后输出至所述模数转换器(6)，所述模数转换器(6)用于保持与所述FPGA(2)采样周期一致的同时将所述抖动反馈差分信号转换为抖动角速度数字信号，所述信号采集和计算装置(3)用于将所述激光陀螺脉冲计数值和所述抖动角速度数字信号进行计算得到消除抖动偏频信号后的陀螺信号并输出至所述导航计算机(7)，所述导航计算机(7)进行导航实时解算。
2.根据权利要求1所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调系统，其特征在于：所述整形电路(1)包括与所述SIN模拟信号相连的第一分压电阻，与所述COS模拟信号相连的第二分压电阻和与所述第一分压电阻、第二分压电阻均连接的比较器；所述整形电路(1)的输出端包括第一整形电路输出端、第二整形电路输出端和整形电路时钟输出端，所述第一整形电路输出端用于输出所述SIN脉冲信号，所述第二整形电路输出端用于输出所述COS脉冲信号；
所述FPGA(2)包括电连接的鉴相倍频电路(21)和可逆计数器(22)，所述鉴相倍频电路(21)包括与所述第一整形电路输出端依次电连接的第一D触发逻辑电路(211)、第二D触发逻辑电路(212)，与所述第二整形电路输出端的依次电连接的第三D触发逻辑电路(213)、第四D触发逻辑电路(214)，与所述第一D触发逻辑电路(211)输出端、所述第四D触发逻辑电路(214)输出端均电连接的第一鉴相倍频电路(215)，与所述第二D触发逻辑电路(212)输出端、所述第三D触发逻辑电路(213)输出端均电连接的第二鉴相倍频电路(216)和分别与所述第一鉴相倍频电路(215)、所述第二鉴相倍频电路(216)的输出端均电连接的第一非门(217)、第二非门(218)，所述第一非门(217)和所述第二非门(218)的输出端均与所述可逆计数器(22)的输入端电连接，所述第一D触发逻辑电路(211)、所述第二D触发逻辑电路(212)、所述第三D触发逻辑电路(213)和所述第四D触发逻辑电路(214)的时钟输入端口均与所述整形电路时钟输出端口电连接；
所述可逆计数器(22)用于将所述SIN脉冲信号和所述COS脉冲信号进行计数并输出所述激光陀螺脉冲计数值，所述可逆计数器(22)采样率为4KHZ。
3.根据权利要求1所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调系统，其特征在于：
所述信号采集和计算装置(3)包括数字信号处理器；
所述抖动反馈信号放大电路(4)包括仪表放大器，反馈抖动差分信号JD1的输出端与所述仪表放大器的负输入脚连接，反馈抖动差分信号JD2的输出端与所述仪表放大器的正输入脚连接，所述仪表放大器设置增益电阻，所述仪表放大器的输出端与所述相位调理电路(5)的输入端电连接。
4.根据权利要求1所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调系统，其特征在于：所述相位调理电路(5)包括依次电连接的移相器电路和反相放大电路，所述反相放大电路的输出端与所述模数转换器(6)的输入端电连接；所述移相器电路包括双通道低噪声放大器、第一移相电容和第二移相电容；
所述反相放大电路包括第一电阻和第二电阻，所述反相放大电路的放大器为所述双通道低噪声放大器的另一通道。
5.根据权利要求1所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调系统，其特征在于：所述模数转换器(6)为四倍过采样、最大采样率为50KSPS，所述模数转换器(6)的采样与所述FPGA(2)的脉冲计数时刻同步。
6.一种二频机抖激光陀螺信号解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、获得激光陀螺脉冲计数值：整形电路(1)将激光陀螺输出的转动角速度信号由模拟信号转换为TTL脉冲信号并输出，FPGA(2)接收所述TTL脉冲信号进行鉴相倍频后转换为激光陀螺脉冲计数值输出；
S2、获得抖动角速度数字信号：抖动反馈信号放大电路(4)将抖动反馈差分信号进行放大并输出，相位调理电路(5)将所述抖动反馈差分信号进行移相和反相放大后输出至模数转换器(6)，所述模数转换器(6)保持与所述FPGA(2)采样周期一致的同时将所述抖动反馈差分信号转换为抖动角速度数字信号输出；
S3、获得扣除抖动信号的角速度值：信号采集和计算装置(3)将所述激光陀螺脉冲计数值和所述抖动角速度数字信号根据以下公式进行计算并输出至导航计算机(7)，
ΔNz＝ΔNF-KΔNAD；
其中，ΔNz为单位时间扣除抖动角速率的脉冲数，ΔNF为单位时间内所述激光陀螺脉冲计数值，ΔNAD为抖动角速度数字信号的采样增量值，K为增益系数；
S4、获得消除抖动偏频信号后的陀螺信号：所述导航计算机(7)根据ΔNz进行导航实时解算得到消除抖动偏频信号后的陀螺信号。
7.根据权利要求6所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调方法，其特征在于：步骤S3中，K的计算方法为：
静态时，ΔNF远大于ΔNz，长时间积分后可得：
|ΔNF|＝K|ΔNAD|。
8.根据权利要求6所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调方法，其特征在于：步骤S3中包括以下步骤：
S31、根据激光陀螺输出函数公式Ⅰ与和抖动反馈角速率信号函数Ⅱ的增益成比例且有固定相位差的线性关系，得到公式：
ΔNz＝ΔNF-KΔNAD；
S32、所述信号采集和计算装置(3)将所述激光陀螺脉冲计数值和所述抖动角速度数字信号进行计算并输出至所述导航计算机(7)。
9.根据权利要求8所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调方法，其特征在于：所述激光陀螺输出函数公式Ⅰ为：
Figure FDA0003423682130000041
其中，N为时间t内正反行波频率差所积累的脉冲数，Ωr为激光陀螺的转动角速率，Ωin为外界输入角速率，Ωd为抖动幅度，Ω0为零偏引起的角速率，ωd为抖动角频率，Ωdsin(ωdt)为抖动角频率ωd的抖动偏频信号。
10.根据权利要求9所述的一种二频机抖激光陀螺信号解调方法，其特征在于：抖动反馈角速率信号函数Ⅱ为：
Figure FDA0003423682130000042
其中，ΔNd为抖动反馈信号在t到t+Δt时间内的增量，
Figure FDA0003423682130000043
为抖动驱动信号与抖动反馈信号的相位差。
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