PCI-9846在光學陀螺頻率鎖定跟蹤研究中的應用

一、引 言

光學陀螺是基于光學薩格奈克效應的一種慣性導航測量設備，該項技術綜合慣性儀表理論、現代控制理論、計算機處理技術、微納加工技術等現代工程技術于一體，廣泛運用于陸海空天等諸多慣導運用領域，比如導彈、火箭、衛(wèi)星、太空探測器、飛機、水面艦船、潛艇、車輛、機器人、鉆井測斜及天線穩(wěn)定裝置等。

現有的陀螺儀主要分為機電式陀螺和光學陀螺，其中機電式陀螺由于可靠性，抗沖擊性等局限逐漸被光學陀螺所取代，其中光學陀螺又分為激光陀螺和光纖陀螺，當前國內外主要多光纖陀螺進行研究運用，其中包含諧振式和干涉式兩種，其中干涉型陀螺已經在多種慣性系統(tǒng)中得到運用，而諧振式陀螺目前還處于實驗室研究階段，它具有短光纖、小型化、無Shupe誤差等優(yōu)點，其作為下一代光學陀螺的主流技術代表具有十分重要的研究意義【1】。

二、陀螺檢測基本原理

圖1為光學陀螺檢測原理示意圖，圖1中光纖激光器輸出中心頻率為的高相干激光

，該相干光經PZT進行頻率為

的調制后通過保偏耦合器將激光耦合進入光學諧振環(huán)，諧振腔輸出信號由InGaAs-PIN光電探測器轉換為微電信號，該微電信號進入鎖相放大器進行小信號解調，解調出的信號隨即進行數字采集送入計算機進行軟件處理【2】。其中調制信號發(fā)生器產生

進行正弦波調制，一路進行PZT光頻調制，一路送入鎖相放大器作為輸出信號的解調參考輸入。

設激光器輸出光場表示為：

式中:J表示第一類貝塞爾函數，

為耦合器的理想耦合比，

為諧振腔輸出譜線寬度，

為PZT 調制頻率，

為激光器輸出角頻率與環(huán)形腔諧振頻率

的差值，

為諧振環(huán)中光子半衰期。 由式(4)得知，B項相位與調制信號的相位相差 ，利用鎖相放大器解調出包含有旋轉角速度信息的B，圖2為鎖相放大器解調輸出曲線仿真示意圖，在解調曲線的線性工作區(qū)間，解調輸出信號的幅值 和陀螺的旋轉角速度

成簡單的線性關系，通過解調輸出的信號幅度值即可得到相應的旋轉角速度數值。其中

為諧振環(huán)的諧振頻率。本項目即通過優(yōu)化系統(tǒng)設計達到諧振點的自動鎖定和動態(tài)跟蹤的研究目的。

圖3為陀螺檢測系統(tǒng)原理圖， FL(光纖激光器)輸出經頻率調制后的激光，由C1(3dB耦合器)分成兩束分束比為1:1的子光路，一路通過AOFS1(聲光移頻器1)后由C2耦合器進入諧振腔沿逆時針光路進行傳輸通過C4耦合到C3通過PD1(光電探測器1)進行光電探測輸出，PD1經過LIA1(鎖相放大器1)進行相關檢測解調輸出小信號，把該路信號定義為逆時針解調分路信號，逆時針分路輸出信號用于系統(tǒng)諧振點鎖定。信號送入凌華PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道1進行同步數字采樣，數字信號通過PCI總線與陀螺測試軟件進行數據鏈接，經過陀螺諧振點自鎖定算法運算后將待鎖定誤差反饋給DA運算單元，軟件將當前反饋控制數字信號經過PCI總線送入凌華PCI-6208 16-bits數字模擬輸出板卡，PCI-6208輸出3路模擬反饋輸出信號，分別控制PZT(壓電陶瓷晶體)的基準偏置電壓和AOFS1，AOFS2的光頻移頻控制電壓。 系統(tǒng)自控算法根據控制因子參數進行自鎖定，當待鎖定范圍比較大時進行PZT光源調整，當待鎖范圍處于聲光移頻器的鎖定誤差范圍時，系統(tǒng)進行聲光細鎖操作。當系統(tǒng)鎖定到諧振點靜態(tài)誤差允許范圍內時，系統(tǒng)逆時針分路鎖定完成,檢測軟件自動計算出諧振頻率值。其中

并暫存記為

。

逆時針分路進行諧振點自鎖的同時，另一路光路通過AOFS2(聲光移頻器2)由C3耦合器進入諧振腔沿順時針光路進行傳輸通過C4耦合到C2通過PD2進行光電探測輸出，PD2(光電探測器2)經過LIA2(鎖相放大器2)進行相關檢測輸出，此路輸出信號用于陀螺開環(huán)模擬輸出，與此同時，該模擬信號通過凌華PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道2進行同步數字采樣，軟件反饋計算與逆時針分路操作類似。

當順時針子系統(tǒng)鎖定到諧振點靜態(tài)誤差允許范圍內時，系統(tǒng)順時針分路鎖定完成,檢測軟件自動計算出諧振頻率

并暫存記為

。

在上述情況下，通過諧振點鎖定算法得到逆時針和順時針光波的諧振頻率

和

，當陀螺靜止時，

=

，當陀螺旋轉運動時，順逆時針光路會產生一個諧振頻差，有：

其中m為整數，表示諧振腔的縱模數量;L是諧振腔的周長;n為光纖的折射率;S為光纖諧振腔所圍的面積，

為光源波長，

為旋轉角速率。通過上式可得到系統(tǒng)轉動角速率為：

另外說明：當對于N匝的光纖諧振腔，周長L變?yōu)镹L，面積S變?yōu)镹S，

變?yōu)椋?/p>

，然而

=

。從上式可以看出，對于多圈諧振腔與僅有一匝光纖的諧振腔公式相同，對于諧振式光纖陀螺，增加匝數即增加光纖長度，其自由譜范圍 減小，相應地降低了精細度，因此不能增大薩格奈克效應。只有精細度一定，才能通過增加光纖匝數提高諧振式光纖陀螺的檢測靈敏度。

三、電控檢測系統(tǒng)設計

電控檢測系統(tǒng)分為前級信號調理(光電轉換電路設計、相關檢測部分)、多通道同步AD轉換部分、多通道DA轉換部分、聲光驅動部分、PZT驅動部分。系統(tǒng)原理圖如圖4所示

3.1 前級信號調理部分

光纖陀螺850nm波長一般選用Si-PIN光電探測器，1310nm和1550nm波長選用InGaAs-PIN光電探測器，與普通探測器相比具有：1、暗電流較小;2、靈敏度高;3、復合噪聲較小;4、結電容較小，改善頻率響應;5、響應波長范圍較寬。為了使PIN光電探測器達到最佳屬性，采用PIN-FET組和電路設計，PIN管反偏高輸出阻抗，與FET的高輸入阻抗相匹配，同時減小了外部干擾和雜散電容，大大降低了熱噪聲，這對低噪聲器件應用設計大有益處。

對于探測器組件，主要技術指標是其增益、帶寬以及噪聲水平。探測器組件的增益上限為最大光功率入射情況下使其輸出不飽和的最大值。通常，探測器組件的帶寬是光纖陀螺本征頻率的10倍以上，在本設計應用中，探測器的帶寬選在4MHz以上，從而避免調制失真現象發(fā)生。前置放大器之后連接隔直電路，濾掉探測器輸出信號的直流分量，為后續(xù)AD轉換器的采樣電壓提供良好的工作范圍。

對于探測器組件，主要技術指標是其增益、帶寬以及噪聲水平。探測器組件的增益上限為最大光功率入射情況下使其輸出不飽和的最大值。通常，探測器組件的帶寬是光纖陀螺本征頻率的10倍以上，在本設計應用中，探測器的帶寬選在4MHz以上，從而避免調制失真現象發(fā)生。前置放大器之后連接隔直電路，濾掉探測器輸出信號的直流分量，為后續(xù)AD轉換器的采樣電壓提供良好的工作范圍。

光電探測器前置放大器的連接方式主要有3種：低阻抗、高阻抗和跨阻抗電路。低阻抗電路具有帶寬寬、噪聲低的特點，但整個電路的信噪比受放大器低輸入阻抗的影響;高輸入阻抗電路信噪比靈敏度高，動態(tài)范圍及帶寬較低?？缱杩惯B接具有靈敏度高、信噪比高、帶寬寬、動態(tài)范圍適中等特點，本設計采用跨阻抗電路設計[4]。

前放的性能主要體現探測器組件的頻率、阻容、噪聲以及放大倍數等性能。圖5為探測電路的電路原理圖。

第一級為場效應管(FET)共源極放大器，FET具有輸入阻抗高，熱噪聲低的特點，共源極接法有較高增益，輸入為電壓變量，輸出為電流變量，在放大區(qū)小信號工作時，可看作系數為G的線性跨導放大器。 第二級為PNP晶體管共基極放大器，R3,R4構成直流偏置，C2為交流旁路，使基極與地交流短路，成為公共參考點，發(fā)射極輸入，集電極輸出。放大器的特點是頻率特性好、電壓增益高、無電流增益、輸入阻抗低、輸出阻抗高，正好與前后級匹配。 第三級為NPN晶體管共集電極放大器，此電路以集電極通過電源回路成為公共參考點，基極輸入，發(fā)射極輸出，又稱射極跟隨器。其特點是頻率特性好、電壓無增益、輸出跟隨基極電壓、輸入阻抗高、輸出阻抗低、驅動能力強。 三級放大器件匹配良好，組成了一個頻率特性好、噪聲低、電壓電流增益都比較高、輸入對前級加載輕，輸出對后級驅動能力強的放大通路。

3.2 AD/DA設計

AD/DA設計采用凌華公司的PCI9846H板卡和PCI6208組合使用，配合上位機進行數字處理操控，項目前期設計采用DAQ2501多功能數采板卡，也達到了不錯的應用效果，但是由于項目的參數深入設計需要達到同步高精度高采樣速率的需求，DAQ2501板卡的總AD采樣數率為400KHz/s，并且不能同步采集，在軟件設計上只有采用單通道分時采樣設計，這樣使程序設計不能進行高速采集，并且受DA數率1MHz/s的限制，對外部3通道控制時效果不夠理想，使得在該設計中控制數率達不到設計指標[5]。

對此，我們選擇PCI9846H板卡進行后續(xù)升級設計，由于PCI9846具有單通道40MS/s的采集速率，并且能進行多通道同步采集，使軟件運行速率大大提高，數字處理時間大大降低，相比DAQ2501其采集速率提高了100倍。并且采集精度為16bits，而DAQ2501僅為12bits，在采集精度上有以下運算，當采集范圍在±5V時：

從上述數值比較可以看出，采集精度提高了一個數量級。圖6所示為PCI9846數據采集通道原理框圖【5】。

四、軟件系統(tǒng)設計

軟件設計分為主程序設計和子程序設計，其中子程序重點介紹諧振點自動搜尋子程序和諧振點恒定子程序，其中這里面牽涉的鋸齒波掃頻、直流反饋控制(PZT)、PZT移頻值在線計算;聲光移頻器手動/自動控制，AOFS移頻在線反饋計算;順時/逆時針兩路同步采集反饋運算;還有顯示輸出、轉臺校準控制、人機交互、檢測報表輸出等部分省略介紹。

4.1 主程序設計

圖7為陀螺檢測主程序設計，程序上電運行后進入初始化參數設置子程序，對陀螺檢測面板上的設定參數進行程序初始化;然后程序進入鋸齒波掃頻子程序，該步驟主要便于諧振點自動檢測子程序對諧振點的大致范圍進行初步估計，由于自控算法對于越接近控制值附近控制時間越短，越有利于快速檢測需求，所以在該步加入鋸齒掃頻。當鋸齒掃頻得到諧振點值的大致控制區(qū)間后，程序自動進行軟件控制參數修改刷新。然后程序停止鋸齒掃頻，進入PZT直流反饋，PZT直流反饋經過反饋算法計算反饋值大小，PZT僅對反饋進行初調整，當調整到期望值小誤差范圍時，程序進行聲光細調整，其中PZT和聲光調整邏輯如下所示：

由表1所示可以得出結論：對于PZT而言當順時針輸出和逆時針輸出均大(小)于0時，反饋操作應進行反饋數值加(減)控制，當輸出波形產生180度相移時，反之操作。對于AOFS而言，當控制相應分路路時，當誤差信號大(小)于0時，應在采取反饋操作信號小范圍內減小(增加)調節(jié)電壓，減小(增加)光頻。

通過上述PZT和聲光移頻器聯(lián)合反饋調整，將系統(tǒng)CCW路調整到諧振點，并通過PZT移頻值在線計算和AO移頻在線反饋計算得到當前諧振點所處的頻率值，并將該值進行數據存儲，該存儲區(qū)間值可進行實時刷新操作。為便于系統(tǒng)參數分析，固定大小區(qū)間的存儲值可通過軟件調出，進行報表輸出分析。

當CCW路諧振點得到控制后，系統(tǒng)對CW也進行上述運算控制，由于系統(tǒng)的PZT初調整已得到控制，此時僅對CW的控制聲光移頻器進行細操作找到CW路的諧振點。當陀螺靜止不動時，CCW和CW路探測得到的諧振頻率應該相等，此時得到的旋轉頻率差值為零，當陀螺以某角速率旋轉時，得到的CCW與CW路的諧振頻差通過計算子程序(前面介紹的薩格奈克效應推算公式)在線計算出當前的旋轉角速率，并顯示存儲輸出。

4.2 諧振點自動搜尋子程序

諧振點自動搜尋子程序通過程序控制參數和反饋算法將采集得到的諧振點差值轉化為反饋的各項參數進行反饋控制。數值傳輸函數流程圖如圖8所示。

從圖8可以看出，設當前通路解調輸出信號函數為r(s)(經過對時域信號拉氏轉換的來)輸入，控制期望信號輸出為y(s)，其中極點添加函數再次起到減小控制波動干擾的目的，是控制邏輯避免產生震蕩干擾控制的影響，系統(tǒng)通過協(xié)調控制反饋參數中P,a,b的數值以及極點級數即極點值，達到快速反饋控制的目的，從而進一步實現諧振點自動搜尋鎖定的目的。圖9為諧振點自動鎖定子程序流程示意圖。該控制邏輯請參考與表1中反饋邏輯關系。

五、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分為光電轉換信號檢測、激光器掃頻解調信號檢測、諧振點自鎖信號檢測、系統(tǒng)反饋信號檢測、聲光模擬轉動信號測試、轉臺控制測試、動態(tài)轉動測試等。本文僅部分測試進行測試說明。

5.1 調制解調信號測試

光電轉換信號檢測部分主要為了檢測諧振腔的光學特性，通過采用PCI6208生成三角波掃頻信號對激光器進行頻率掃頻，得到圖10系統(tǒng)調制解調光電探測器輸出信號測試圖。

激光器掃頻解調信號檢測曲線測試即陀螺測試系統(tǒng)中兩路鎖相放大器的模擬輸出解調曲線，圖11為測試采用四通道示波器進行顯示輸出。圖11中紅線為示波器通道1信號，該信號為CW路即諧振點實時鎖定路顯示輸出，藍線為示波器通道2信號，該信號為CCW路即開環(huán)輸出陀螺信號顯示輸出，其中綠線為示波器通道3信號，該信號為掃頻(反饋)信號的顯示輸出。(注：以下輸出測試顯示均以該規(guī)則進行演示輸出。)

從圖11看出，盡管探測器輸出信號有少許不一致，但是經過對外光路的微小調節(jié)和鎖相放大器的調節(jié)同樣能達到解調曲線輸出重合性比較好的狀態(tài)，這對后續(xù)陀螺信號的檢測提供了很好的前提條件。從圖11所實測的解調輸出圖形與圖2所示仿真圖形形態(tài)類似，說明系統(tǒng)當前所處的測試狀態(tài)與理論是相符合的。

5.2 諧振點鎖定信號測試

諧振點自鎖信號檢測測試圖形如圖12所示，諧振點鎖定測試是為了檢驗諧振點鎖定系統(tǒng)的鎖定效果，包括諧振點由失鎖狀態(tài)到鎖定狀態(tài)的鎖定時間，鎖定時過沖幅值參數的測試。

圖12(a)所做的測試實驗是在調整幅值為0.05，積分時間參數為60的前提下實驗圖形，可以準確讀出諧振點由1伏鎖到0伏時所花費的鎖定時間為600ms,鎖定的過沖幅值為140mV。

圖12(b)所做的測試實驗是在調整幅值為0.05，積分時間參數為75的前提下實驗圖形，可以準確讀出諧振點由1伏鎖到0伏時所花費的鎖定時間為960ms,鎖定的過沖幅值為24mV。

比較圖12(a)和圖12(b)兩幅圖可以得出結論，當增加時間時可以得到很好的鎖定現象，即鎖定過沖能控制到很小，但是鎖定時間增加了，這充分證明了控制理論的控制時間和過沖幅值的相矛盾的特點。在實際使用中應根據當前的系統(tǒng)狀態(tài)，找到比較合適的時間-幅值配比，得到合適的實驗條件。

5.3 模擬轉動信號測試

圖13為聲光模擬轉動信號測試，聲光模擬轉動信號測試是對實測系統(tǒng)的驗證性實驗，在CW路諧振點鎖定的前提下，通過改變CCW路聲光驅動1的移頻頻率，在四通道示波器上讀出當前的開環(huán)輸出模擬信號幅值，來等效當前陀螺轉動時的等效速率。在此試驗中結合軟件的等效掃頻測量模式進行試驗，試驗結果如圖13所示：

圖13中不同移頻值的對應曲線正方向(中頻與移頻值之和)移頻往下，反方向(中頻與移頻值之差)移頻往上，從圖13中六幅測試波形圖可以看出，移頻值的大小決定當前輸出信號幅值的大小。

5.4 系統(tǒng)零漂測試

零漂測試是系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)時，轉臺靜止不動，在四通道示波器上觀察陀螺兩路輸出解調信號幅值隨時間的變化關系，在此測試了6秒、12秒、30秒、60秒的零漂，測試波形圖如圖14所示。

從圖14可以看出，陀螺的零漂幅值隨時間的增加有所起伏波動，但是其波動值小于40mV,在12秒測試時的零漂值小于25mV。達到了比較好的靜態(tài)零漂效果。

六、總結

在本項目試驗中，采用凌華科技PCI-9846和PCI-6208板卡結合凌華工控機等主要硬件平臺進行設計，配合上位機系統(tǒng)軟件及外光路等諸多光、機、電、算設備器件協(xié)調設計及運用。對光學陀螺系統(tǒng)進行了設計試驗，得到了很好的測試結果。其中凌華科技的模組器件在其中起到了很大的作用，體現了很高的技術水平，在軟件的結合上面能很好的與我們的測試試驗軟件進行無縫銜接，大大縮短了項目的研制周期，為項目的最終順利完成驗收起到了相當大的作用。