一种低成本光纤陀螺检测方案的设计与实现

鲁 军， 刘 军， 王立冬， 程 群

(军械工程学院，石家庄 050003)

0 引言

低成本是光纤陀螺发展方向之一，检测电路是制约光纤陀螺成本的主要因素之一。从信号处理角度讲，光纤陀螺检测电路分为开环和闭环两种方案。开环光纤陀螺受信号非线性特性影响，标度因数线性度较差，测量的动态范围和精度都受到一定限制，一般在中低精度领域应用。闭环光纤陀螺分为模拟闭环和数字闭环。模拟闭环一般在模拟解调的基础上，采用锯齿波反馈来实现相位补偿，它要求反馈锯齿波具有非常短、并且稳定的回扫时间，以提高标度因数稳定性和线性度。但在具体实现上，由于锯齿波的回扫时间和斜坡的非线性以及2π复位精度的影响，导致光纤陀螺标度因数的线性度和稳定性受到了限制。因而目前国内外一般都采用数字解调、阶梯波反馈的全数字闭环方案。综合考虑光纤陀螺成本、标度因数线性度和动态范围要求，本文提出一种模拟解调、方波调制和阶梯波反馈的闭环方案。

1 信号检测理论分析

光纤陀螺信号检测的理论基础是相关检测技术。即针对信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，从噪声中提取信号的技术［1］。相关检测在微弱信号检测技术中的应用是锁相放大器，即利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，一般用于检测周期的正弦或方波信号，它由信号通道、参考通道和相关器组成。相关器完成被测信号与参考信号互相关函数的运算，包括乘法器和积分器两部分。相关器原理如图1所示，积分器用R，C的模拟低通滤波器实现。

锁相放大器分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，本文闭环检测方案采用的是模拟相关检测方法。在理想情况下，调制、放大、滤波后的光纤陀螺输出信号为

式(1)描述的是一个方波信号，其周期为2τ，振幅为ksin(Δφs)，占空比1∶1，其中:τ为光纤环的渡越时间;k为与探测器增益、光功率等有关的比例系数。为了对该信号进行相关检测，可以通过逻辑电路产生相位可调、周期为2τ、振幅为±1、占空比1∶1的方波作为相关器的参考信号，进行相关运算。

2 系统硬件设计

检测电路采用一种模拟解调、方波调制和阶梯波反馈的闭环方案，闭环原理如图1所示。

图1 光纤陀螺结构框图Fig.1 Structure diagram of FOG

本闭环光纤陀螺的检测电路是以模拟解调为基础的锁相放大器，包括前置放大电路、模拟解调电路、比较器电路、D/A转换电路及以FPGA为核心的数字信号处理电路，完成信号放大、滤波、解调以及信号反馈等功能。

2.1 模拟解调电路设计

为实现同步检波，采用一个双二选一模拟开关作乘法器，通过逻辑电路产生相位可调、周期为2τ的脉冲波作为模拟开关的选通脉冲(相关器的参考信号)。在脉冲波的作用下，前放信号通过模拟开关后得到两路半周期信号，再通过差分减法电路对正半周信号进行正相放大，负半周信号进行负相放大(这是对“正信号”而言，“负信号”相反)，最终得到解调信号。这个信号可作为开环陀螺的输出信号。简化的模拟解调电路如图2所示。

图2 模拟解调电路Fig.2 Circuit of analog demodulation

差分减法电路中取:

放大器正相放大与负相放大增益大小相同，总输出为

由此得到的是一个直流信号(正负与陀螺转向有关)。再根据信号带宽确定低通滤波器的带宽，实现最佳滤波。各点波形如图3所示，IN信号是前放经过时域梳妆滤波后的波形，信号FB是由逻辑电路产生的选通脉冲，U+，U-是两路半周期信号，UO是解调信号。

图3 解调电路信号波形Fig.3 The signal wave of demodulation circuit

比较器电路:利用一个迟滞比较器，把模拟解调电路作进一步延伸，将信号变成数字量。当直流解调信号幅度超过某个设定值时，产生一个逻辑增量1;当直流解调信号幅度小于某个设定值时，则产生一个逻辑减量1。对电压比较器的要求是小的失调电流、失调电压及温度漂移，足够高的输入阻抗和开环增益，高压摆率以及合适的逻辑电平。

本解调方案只用1个模拟开关、1个比较器及少量的外围元件便可实现对光纤陀螺的信号检测。此方法实现起来较为容易，且可靠性高，电路易于集成，成本较低。

2.2 数字逻辑设计

目前光纤陀螺的数字信号处理部分普遍采用数字信号处理器DSP结合现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)，由FPGA完成组合与时序逻辑功能，再充分利用DSP对信号处理的灵活性，完成光纤陀螺闭环检测。本文采用一片复杂的可编程逻辑器件来完成数字信号处理，这样可减小电路的尺寸，降低成本，而且整个电路集成在一个芯片上，减少了与外界的干扰，提高了可靠性。

图4是数字信号处理部分的主电路原理框图，由EP1K50TC144-3及外围电路组成。EPF10K10TC作为信号处理及控制的核心，大部分数字逻辑功能由其完成，整个数字系统组成非常简单。在外围电路中，MAX961是一高速迟滞比较器，将模拟解调信号“数字化”后送给EPF10K10TC144进行处理。EPC2是Altera公司提供的存储器件配置数据的串行PROM，下载插座JTAG提供在线可编程的接口。TPS767D325是基准电源，为 EP1K50TC144-3提供3.3 V I/O引脚电压和2.5 V核电压。DAC16FS是D/A转换器，将数字相位阶梯波转换为模拟阶梯波执行反馈控制功能。

图4 硬件电路原理框图Fig.4 Schematic diagram of hardware circuit

逻辑电路原理如图5所示。

图5 逻辑电路原理框图Fig.5 Schematic diagram of logic circuit

计数器在整个闭环检测电路中起累加器的作用，属于闭环控制中必不可少的积分环节。如果要求陀螺的动态范围从0.1(°)/h 到 500(°)/s，则计数器需要24位。考虑到陀螺正反转向，采用可逆计数器。当比较器产生一个逻辑增量1时，在数字开关的作用下，计数器进行加计数;当比较器产生一个逻辑减量1时，计数器进行减计数。在一个方波周期内，控制信号将计数器数据存入锁存器一次。

数字相位阶梯波发生器的数字部分由一个用于保存相位阶梯波台阶高度值(台阶高度即反馈相位，如果要求陀螺的动态范围比较大，如0.1(°)/h到500(°)/s，则该寄存器一般需24位)的寄存器 Rstep、一个用于产生相位阶梯波的瞬时数值的数字积分器(加法器)和一个用于保存产生相位阶梯波的瞬时值的寄存器Rr三部分构成。其中寄存器Rstep在同步时钟的作用下，所存数值与寄存器Rr的数值经过加法器的累加，其结果送D/A转换器及驱动电路转换成模拟阶梯波电压，去驱动相位调制器PM，从而在光纤线圈中引入一个附加相移。当使用N位的全加器和N位D/A转换器时，可以得到一个动态范围为0～(2N-1)VLSB的阶梯波电压信号，当加法器累加值大于(2N-1)时，自动溢出，经D/A转换后，产生一值为2NVLSB的电压，如果驱动电路的增益调节适当(即2NVLSB=2Vπ，Vπ为半波电压)，则加法器的溢出自动产生一个2π复位。

其他的时序、运算、存储、数据格式转换电路都在FPGA中完成。另外，目前的频率合成电路大都采用锁相环(PLL)完成，利用EP1K50TC144-3提供的高速存储器作查找表，采用直接数字频率合成技术(DDS)完成，提高了频率分辨率。我们采用原理图与硬件描述语言Verilog HDL相结合的方式进行编程，硬件描述语言是设计FPGA的主流，采用它完成主要设计，原理图只描述顶层设计。

3 测试结果

从整个光纤陀螺的成本和小型化考虑，检测电路配套的光路采用0.85 μm波长方案。即指陀螺系统采用中心波长为0.85 μm激光作为Sagnac效应的相干光，相应的光电子器件的光波工作波长都在0.85 μm附近。对一个采用本文检测电路方案的单轴光纤陀螺进行了性能测试。图6为零漂测试曲线，表1给出测试结果。

图6 零漂测试曲线Fig.6 Test curve of bias stability

表1 测试结果Table 1 Test result

4 结论

低成本并使其小型化对光纤陀螺的工程化、实用化具有重要的实践意义。由图6和表1所示的测试结果表明，指标达到了低精度光纤陀螺的性能要求，系统进行的理论分析和计算与实际测试结果相符。说明在检测电路设计方面，前放电路、模拟解调电路、比较器电路、D/A转换电路及以FPGA为核心的数字信号处理电路的设计是正确的;采用的模拟解调、方波调制和阶梯波反馈的闭环方案可作为一种实用的低成本、小型化信号检测方案。此外，在弱信号放大、模数共地、隔离屏蔽、算法设计等方面需采取措施，以进一步提高系统性能。

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