FPGA锁相放大器研究方法

基于光纤陀螺的数字锁相放大器，在FPGA上实现的一些注意事项和主要难题谐振式光学陀螺是一种基于sagnac效应的高精度的新型角速度传感器,其敏感器件光学环形谐振腔可以采用很短的光纤或集成光学的方法来实现,因而在小型化和集成化上具有独特的优势.在谐振式光学陀螺中,通过检测谐振腔顺时针和逆时针光路的谐振频率差得到角速率.实际光学器件如激光器、谐振腔受温度和应力等环境因素的影响,会在环路中引入各种互易性噪声,而sagnac效应引起的顺时针和逆时针谐振频率的改变是非互易的,并且极其微弱。因此,谐振式光学陀螺的调制解调方式必须至少锁定其中一个方向传播的光波,利用频率伺服回路使激光器的输出光频率始终处于谐振状态,通过间接探测另一方向传播光波与激光器频差来得到角速度,频率跟踪锁定技术将直接影响陀螺实际检测精度.一方面需要建立良好的频率跟踪锁定回路以降低互易性噪声的影响;同时系统检测精度的最终实现直接依赖于处理电路精度.基于上述研究背景,本文对腔长为7.9cm光波导环形谐振腔为核心敏感元件的谐振式光学陀螺系统,对激光器频率锁定回路分析设计的基础上,在单片FPGA上设计并研制了数字化处理电路,包括数字化LIA以及PI控制器为核心的频率伺服回路,并完成了整个陀螺系统的实验测试.具体来说,本文主要开展了如下研究工作:通过分析回路中各种互易性噪声特性及其传递规律,将激光器、环形谐振腔、光电探测器到锁相解调模块中的单位增益解调电路看作一整体,其数学模型等效为一可变增益K,利用该可变增益建立了简化的等效频率锁定环路模型;利用建立的频率锁定回路及噪声传递模型,提出用改进型的比例积分控制器构成频率伺服反馈环节,消除了环路中存在的阶跃响应稳态误差,减小了互易性噪声;分析了环路的捕捉特性和跟踪特性,优化了反馈参数,提高了频率锁定精度。