PCI-9846在光学陀螺频率锁定跟踪研究中的应用

 一、引 言

光学陀螺是基于光学萨格奈克效应的一种惯性导航测量设备，该项技术综合惯性仪表理论、现代控制理论、计算机处理技术、微纳加工技术等现代工程技术于一体，广泛运用于陆海空天等诸多惯导运用领域，比如导弹、火箭、卫星、太空探测器、飞机、水面舰船、潜艇、车辆、机器人、钻井测斜及天线稳定装置等。

现有的陀螺仪主要分为机电式陀螺和光学陀螺，其中机电式陀螺由于可靠性，抗冲击性等局限逐渐被光学陀螺所取代，其中光学陀螺又分为激光陀螺和光纤陀螺，当前国内外主要多光纤陀螺进行研究运用，其中包含谐振式和干涉式两种，其中干涉型陀螺已经在多种惯性系统中得到运用，而谐振式陀螺目前还处于实验室研究阶段，它具有短光纤、小型化、无Shupe误差等优点，其作为下一代光学陀螺的主流技术代表具有十分重要的研究意义【1】。

二、陀螺检测基本原理

图1为光学陀螺检测原理示意图，图1中光纤激光器输出中心频率为的高相干激光

，该相干光经PZT进行频率为

的调制后通过保偏耦合器将激光耦合进入光学谐振环，谐振腔输出信号由InGaAs-PIN光电探测器转换为微电信号，该微电信号进入锁相放大器进行小信号解调，解调出的信号随即进行数字采集送入计算机进行软件处理【2】。其中调制信号发生器产生

进行正弦波调制，一路进行PZT光频调制，一路送入锁相放大器作为输出信号的解调参考输入。

 

 

 

设激光器输出光场表示为：

 

 

式中:J表示第一类贝塞尔函数，

为耦合器的理想耦合比，

为谐振腔输出谱线宽度，

为PZT 调制频率，

为激光器输出角频率与环形腔谐振频率

的差值，

为谐振环中光子半衰期。 由式(4)得知，B项相位与调制信号的相位相差 ，利用锁相放大器解调出包含有旋转角速度信息的B，图2为锁相放大器解调输出曲线仿真示意图，在解调曲线的线性工作区间，解调输出信号的幅值 和陀螺的旋转角速度

成简单的线性关系，通过解调输出的信号幅度值即可得到相应的旋转角速度数值。其中

为谐振环的谐振频率。本项目即通过优化系统设计达到谐振点的自动锁定和动态跟踪的研究目的。

 

 

 

图3为陀螺检测系统原理图， FL(光纤激光器)输出经频率调制后的激光，由C1(3dB耦合器)分成两束分束比为1:1的子光路，一路通过AOFS1(声光移频器1)后由C2耦合器进入谐振腔沿逆时针光路进行传输通过C4耦合到C3通过PD1(光电探测器1)进行光电探测输出，PD1经过LIA1(锁相放大器1)进行相关检测解调输出小信号，把该路信号定义为逆时针解调分路信号，逆时针分路输出信号用于系统谐振点锁定。信号送入凌华PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道1进行同步数字采样，数字信号通过PCI总线与陀螺测试软件进行数据链接，经过陀螺谐振点自锁定算法运算后将待锁定误差反馈给DA运算单元，软件将当前反馈控制数字信号经过PCI总线送入凌华PCI-6208 16-bits数字模拟输出板卡，PCI-6208输出3路模拟反馈输出信号，分别控制PZT(压电陶瓷晶体)的基准偏置电压和AOFS1，AOFS2的光频移频控制电压。 系统自控算法根据控制因子参数进行自锁定，当待锁定范围比较大时进行PZT光源调整，当待锁范围处于声光移频器的锁定误差范围时，系统进行声光细锁操作。当系统锁定到谐振点静态误差允许范围内时，系统逆时针分路锁定完成,检测软件自动计算出谐振频率值。其中

并暂存记为

。

 

 

 

逆时针分路进行谐振点自锁的同时，另一路光路通过AOFS2(声光移频器2)由C3耦合器进入谐振腔沿顺时针光路进行传输通过C4耦合到C2通过PD2进行光电探测输出，PD2(光电探测器2)经过LIA2(锁相放大器2)进行相关检测输出，此路输出信号用于陀螺开环模拟输出，与此同时，该模拟信号通过凌华PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道2进行同步数字采样，软件反馈计算与逆时针分路操作类似。

当顺时针子系统锁定到谐振点静态误差允许范围内时，系统顺时针分路锁定完成,检测软件自动计算出谐振频率

并暂存记为

。

 

在上述情况下，通过谐振点锁定算法得到逆时针和顺时针光波的谐振频率

和

，当陀螺静止时，

=

，当陀螺旋转运动时，顺逆时针光路会产生一个谐振频差，有：

 

 

 

其中m为整数，表示谐振腔的纵模数量;L是谐振腔的周长;n为光纤的折射率;S为光纤谐振腔所围的面积，

为光源波长，

为旋转角速率。通过上式可得到系统转动角速率为：

 

另外说明：当对于N匝的光纤谐振腔，周长L变为NL，面积S变为NS，

变为：

，然而

=

。从上式可以看出，对于多圈谐振腔与仅有一匝光纤的谐振腔公式相同，对于谐振式光纤陀螺，增加匝数即增加光纤长度，其自由谱范围 减小，相应地降低了精细度，因此不能增大萨格奈克效应。只有精细度一定，才能通过增加光纤匝数提高谐振式光纤陀螺的检测灵敏度。

 

三、电控检测系统设计

电控检测系统分为前级信号调理(光电转换电路设计、相关检测部分)、多通道同步AD转换部分、多通道DA转换部分、声光驱动部分、PZT驱动部分。系统原理图如图4所示

 

 

3.1 前级信号调理部分

光纤陀螺850nm波长一般选用Si-PIN光电探测器，1310nm和1550nm波长选用InGaAs-PIN光电探测器，与普通探测器相比具有：1、暗电流较小;2、灵敏度高;3、复合噪声较小;4、结电容较小，改善频率响应;5、响应波长范围较宽。为了使PIN光电探测器达到最佳属性，采用PIN-FET组和电路设计，PIN管反偏高输出阻抗，与FET的高输入阻抗相匹配，同时减小了外部干扰和杂散电容，大大降低了热噪声，这对低噪声器件应用设计大有益处。

对于探测器组件，主要技术指标是其增益、带宽以及噪声水平。探测器组件的增益上限为最大光功率入射情况下使其输出不饱和的最大值。通常，探测器组件的带宽是光纤陀螺本征频率的10倍以上，在本设计应用中，探测器的带宽选在4MHz以上，从而避免调制失真现象发生。前置放大器之后连接隔直电路，滤掉探测器输出信号的直流分量，为后续AD转换器的采样电压提供良好的工作范围。

对于探测器组件，主要技术指标是其增益、带宽以及噪声水平。探测器组件的增益上限为最大光功率入射情况下使其输出不饱和的最大值。通常，探测器组件的带宽是光纤陀螺本征频率的10倍以上，在本设计应用中，探测器的带宽选在4MHz以上，从而避免调制失真现象发生。前置放大器之后连接隔直电路，滤掉探测器输出信号的直流分量，为后续AD转换器的采样电压提供良好的工作范围。

光电探测器前置放大器的连接方式主要有3种：低阻抗、高阻抗和跨阻抗电路。低阻抗电路具有带宽宽、噪声低的特点，但整个电路的信噪比受放大器低输入阻抗的影响;高输入阻抗电路信噪比灵敏度高，动态范围及带宽较低。跨阻抗连接具有灵敏度高、信噪比高、带宽宽、动态范围适中等特点，本设计采用跨阻抗电路设计[4]。

前放的性能主要体现探测器组件的频率、阻容、噪声以及放大倍数等性能。图5为探测电路的电路原理图。

 

 

第一级为场效应管(FET)共源极放大器，FET具有输入阻抗高，热噪声低的特点，共源极接法有较高增益，输入为电压变量，输出为电流变量，在放大区小信号工作时，可看作系数为G的线性跨导放大器。 第二级为PNP晶体管共基极放大器，R3,R4构成直流偏置，C2为交流旁路，使基极与地交流短路，成为公共参考点，发射极输入，集电极输出。放大器的特点是频率特性好、电压增益高、无电流增益、输入阻抗低、输出阻抗高，正好与前后级匹配。 第三级为NPN晶体管共集电极放大器，此电路以集电极通过电源回路成为公共参考点，基极输入，发射极输出，又称射极跟随器。其特点是频率特性好、电压无增益、输出跟随基极电压、输入阻抗高、输出阻抗低、驱动能力强。 三级放大器件匹配良好，组成了一个频率特性好、噪声低、电压电流增益都比较高、输入对前级加载轻，输出对后级驱动能力强的放大通路。

3.2 AD/DA设计

AD/DA设计采用凌华公司的PCI9846H板卡和PCI6208组合使用，配合上位机进行数字处理操控，项目前期设计采用DAQ2501多功能数采板卡，也达到了不错的应用效果，但是由于项目的参数深入设计需要达到同步高精度高采样速率的需求，DAQ2501板卡的总AD采样数率为400KHz/s，并且不能同步采集，在软件设计上只有采用单通道分时采样设计，这样使程序设计不能进行高速采集，并且受DA数率1MHz/s的限制，对外部3通道控制时效果不够理想，使得在该设计中控制数率达不到设计指标[5]。

对此，我们选择PCI9846H板卡进行后续升级设计，由于PCI9846具有单通道40MS/s的采集速率，并且能进行多通道同步采集，使软件运行速率大大提高，数字处理时间大大降低，相比DAQ2501其采集速率提高了100倍。并且采集精度为16bits，而DAQ2501仅为12bits，在采集精度上有以下运算，当采集范围在±5V时：

 

 

 

 

从上述数值比较可以看出，采集精度提高了一个数量级。图6所示为PCI9846数据采集通道原理框图【5】。

 

 

四、软件系统设计

软件设计分为主程序设计和子程序设计，其中子程序重点介绍谐振点自动搜寻子程序和谐振点恒定子程序，其中这里面牵涉的锯齿波扫频、直流反馈控制(PZT)、PZT移频值在线计算;声光移频器手动/自动控制，AOFS移频在线反馈计算;顺时/逆时针两路同步采集反馈运算;还有显示输出、转台校准控制、人机交互、检测报表输出等部分省略介绍。

4.1 主程序设计

 

 

图7为陀螺检测主程序设计，程序上电运行后进入初始化参数设置子程序，对陀螺检测面板上的设定参数进行程序初始化;然后程序进入锯齿波扫频子程序，该步骤主要便于谐振点自动检测子程序对谐振点的大致范围进行初步估计，由于自控算法对于越接近控制值附近控制时间越短，越有利于快速检测需求，所以在该步加入锯齿扫频。当锯齿扫频得到谐振点值的大致控制区间后，程序自动进行软件控制参数修改刷新。然后程序停止锯齿扫频，进入PZT直流反馈，PZT直流反馈经过反馈算法计算反馈值大小，PZT仅对反馈进行初调整，当调整到期望值小误差范围时，程序进行声光细调整，其中PZT和声光调整逻辑如下所示：

 

 

由表1所示可以得出结论：对于PZT而言当顺时针输出和逆时针输出均大(小)于0时，反馈操作应进行反馈数值加(减)控制，当输出波形产生180度相移时，反之操作。对于AOFS而言，当控制相应分路路时，当误差信号大(小)于0时，应在采取反馈操作信号小范围内减小(增加)调节电压，减小(增加)光频。

通过上述PZT和声光移频器联合反馈调整，将系统CCW路调整到谐振点，并通过PZT移频值在线计算和AO移频在线反馈计算得到当前谐振点所处的频率值，并将该值进行数据存储，该存储区间值可进行实时刷新操作。为便于系统参数分析，固定大小区间的存储值可通过软件调出，进行报表输出分析。

当CCW路谐振点得到控制后，系统对CW也进行上述运算控制，由于系统的PZT初调整已得到控制，此时仅对CW的控制声光移频器进行细操作找到CW路的谐振点。当陀螺静止不动时，CCW和CW路探测得到的谐振频率应该相等，此时得到的旋转频率差值为零，当陀螺以某角速率旋转时，得到的CCW与CW路的谐振频差通过计算子程序(前面介绍的萨格奈克效应推算公式)在线计算出当前的旋转角速率，并显示存储输出。

4.2 谐振点自动搜寻子程序

谐振点自动搜寻子程序通过程序控制参数和反馈算法将采集得到的谐振点差值转化为反馈的各项参数进行反馈控制。数值传输函数流程图如图8所示。

 

 

从图8可以看出，设当前通路解调输出信号函数为r(s)(经过对时域信号拉氏转换的来)输入，控制期望信号输出为y(s)，其中极点添加函数再次起到减小控制波动干扰的目的，是控制逻辑避免产生震荡干扰控制的影响，系统通过协调控制反馈参数中P,a,b的数值以及极点级数即极点值，达到快速反馈控制的目的，从而进一步实现谐振点自动搜寻锁定的目的。图9为谐振点自动锁定子程序流程示意图。该控制逻辑请参考与表1中反馈逻辑关系。

 

 

五、系统测试

系统测试分为光电转换信号检测、激光器扫频解调信号检测、谐振点自锁信号检测、系统反馈信号检测、声光模拟转动信号测试、转台控制测试、动态转动测试等。本文仅部分测试进行测试说明。

5.1 调制解调信号测试

光电转换信号检测部分主要为了检测谐振腔的光学特性，通过采用PCI6208生成三角波扫频信号对激光器进行频率扫频，得到图10系统调制解调光电探测器输出信号测试图。

激光器扫频解调信号检测曲线测试即陀螺测试系统中两路锁相放大器的模拟输出解调曲线，图11为测试采用四通道示波器进行显示输出。图11中红线为示波器通道1信号，该信号为CW路即谐振点实时锁定路显示输出，蓝线为示波器通道2信号，该信号为CCW路即开环输出陀螺信号显示输出，其中绿线为示波器通道3信号，该信号为扫频(反馈)信号的显示输出。(注：以下输出测试显示均以该规则进行演示输出。)

 

 

 

 

从图11看出，尽管探测器输出信号有少许不一致，但是经过对外光路的微小调节和锁相放大器的调节同样能达到解调曲线输出重合性比较好的状态，这对后续陀螺信号的检测提供了很好的前提条件。从图11所实测的解调输出图形与图2所示仿真图形形态类似，说明系统当前所处的测试状态与理论是相符合的。

5.2 谐振点锁定信号测试

谐振点自锁信号检测测试图形如图12所示，谐振点锁定测试是为了检验谐振点锁定系统的锁定效果，包括谐振点由失锁状态到锁定状态的锁定时间，锁定时过冲幅值参数的测试。

 

 

图12(a)所做的测试实验是在调整幅值为0.05，积分时间参数为60的前提下实验图形，可以准确读出谐振点由1伏锁到0伏时所花费的锁定时间为600ms,锁定的过冲幅值为140mV。

图12(b)所做的测试实验是在调整幅值为0.05，积分时间参数为75的前提下实验图形，可以准确读出谐振点由1伏锁到0伏时所花费的锁定时间为960ms,锁定的过冲幅值为24mV。

比较图12(a)和图12(b)两幅图可以得出结论，当增加时间时可以得到很好的锁定现象，即锁定过冲能控制到很小，但是锁定时间增加了，这充分证明了控制理论的控制时间和过冲幅值的相矛盾的特点。在实际使用中应根据当前的系统状态，找到比较合适的时间-幅值配比，得到合适的实验条件。

5.3 模拟转动信号测试

图13为声光模拟转动信号测试，声光模拟转动信号测试是对实测系统的验证性实验，在CW路谐振点锁定的前提下，通过改变CCW路声光驱动1的移频频率，在四通道示波器上读出当前的开环输出模拟信号幅值，来等效当前陀螺转动时的等效速率。在此试验中结合软件的等效扫频测量模式进行试验，试验结果如图13所示：

 

 

 

 

图13中不同移频值的对应曲线正方向(中频与移频值之和)移频往下，反方向(中频与移频值之差)移频往上，从图13中六幅测试波形图可以看出，移频值的大小决定当前输出信号幅值的大小。

5.4 系统零漂测试

零漂测试是系统处于锁定状态时，转台静止不动，在四通道示波器上观察陀螺两路输出解调信号幅值随时间的变化关系，在此测试了6秒、12秒、30秒、60秒的零漂，测试波形图如图14所示。

 

 

 

 

从图14可以看出，陀螺的零漂幅值随时间的增加有所起伏波动，但是其波动值小于40mV,在12秒测试时的零漂值小于25mV。达到了比较好的静态零漂效果。

六、总结

在本项目试验中，采用凌华科技PCI-9846和PCI-6208板卡结合凌华工控机等主要硬件平台进行设计，配合上位机系统软件及外光路等诸多光、机、电、算设备器件协调设计及运用。对光学陀螺系统进行了设计试验，得到了很好的测试结果。其中凌华科技的模组器件在其中起到了很大的作用，体现了很高的技术水平，在软件的结合上面能很好的与我们的测试试验软件进行无缝衔接，大大缩短了项目的研制周期，为项目的最终顺利完成验收起到了相当大的作用。