專利名稱：諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置及方 法。本發(fā)明所涉及的軟件算法簡單可靠，并且能夠快速實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，本發(fā)明提出的頻率反饋跟蹤鎖定方法可以比較方便地在數(shù)字信號處理芯片DSP上實(shí) 現(xiàn)。
背景技術(shù)：
諧振式光學(xué)陀螺是利用光學(xué)Sagnac效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)動檢測的一種高精度的慣 性傳感器件。諧振式光學(xué)陀螺的核心敏感部件是一個(gè)由光波導(dǎo)或光纖組成的無 源環(huán)形諧振腔，簡稱諧振腔，當(dāng)諧振腔繞垂直于所在平面的軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，則諧 振腔內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針傳播方向的光束間將產(chǎn)生正比于旋轉(zhuǎn)角速度的諧振頻率 差，通過檢測該諧振頻率差就可以獲得載體旋轉(zhuǎn)角速度。新的高性能諧振式光 學(xué)陀螺，普遍傾向于數(shù)字閉環(huán)檢測方案，通過反饋控制輸入諧振腔的頻率，使 諧振腔內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸光都處于諧振狀態(tài)。因此，頻率反饋跟蹤鎖定技 術(shù)在諧振式光學(xué)陀螺閉環(huán)系統(tǒng)中占有非常重要的地位。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝 置及方法。諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置是由依次相連接的激 光器、Y分支器、第一相位調(diào)制器、第一環(huán)形器、耦合器、第二環(huán)形器、第二 光電探測器、第二數(shù)字信號處理電路、激光器構(gòu)成閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理 電路，由依次相連接的激光器、Y分支器、第二相位調(diào)制器、第二環(huán)形器、耦 合器、第一環(huán)形器、第一光電探測器，第一數(shù)字信號處理電路、第二組合鋸齒 波發(fā)生器、第二相位調(diào)制器構(gòu)成閉環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路，第一相位調(diào) 制器與第一組合鋸齒波發(fā)生器相連，耦合器與環(huán)形諧振腔相連。所述的第一數(shù)字信號處理電路包括依次相連接的第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、第 一數(shù)字鎖相放大器、第一數(shù)字濾波器、第一數(shù)字控制器和第一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。第二數(shù)字信號處理電路包括依次相連接的第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)字 鎖相放大器、第二數(shù)字濾波器、第二數(shù)字控制器和第二數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。第一組合鋸齒波發(fā)生器包括相連接的第一數(shù)字鋸齒波發(fā)生器、第三數(shù)字模 擬轉(zhuǎn)換器；第二組合鋸齒波發(fā)生器包括相連接的第二數(shù)字鋸齒波發(fā)生器、第四數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定方法包括如下步驟1)在閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理電路中，用第一組合鋸齒波發(fā)生器13生成頻率為&和2fp重復(fù)頻率為p的組合鋸齒波，激光器l發(fā)出的頻率為f的激光受到ft和2&的的組合頻率調(diào)制，經(jīng)過逆時(shí)針光路，第二光電探測器10輸出頻率為p的方波信號，方波幅度ID。ut的表達(dá)式為，c2 c2乂 z 乂 V 2 J，諧振頻率偏差A(yù)/是指進(jìn)入環(huán)形諧振腔8的激光頻率與環(huán)形諧振腔本身的諧振頻率的差值，且 A/ = / + ^^-/，，尸^是逆時(shí)針光路的諧振頻率，Q)， &， p是與調(diào)制頻率 無關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，在諧振頻率偏差為零附近，方波幅度與諧振頻率偏差有單調(diào) 遞增，斜率為k的近似線性關(guān)系區(qū)域I，在區(qū)域I兩側(cè)是減函數(shù)性質(zhì)的單調(diào)區(qū)域 II;在閉環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路中，用第二組合鋸齒波發(fā)生器14生成頻 率為f2和frHf2， f2可調(diào)，且初始值設(shè)為&，重復(fù)頻率為p的組合鋸齒波，第一 光電探測器9輸出的方波幅度iD。ut與諧振頻率偏差A(yù)/的表達(dá)式與逆時(shí)針光路相 同，但諧振頻率偏差A(yù)/ = / + /2 + ; + /2 -,『，/^是順時(shí)針光路的諧振頻率；2)判別系統(tǒng)初始狀態(tài)所處區(qū)域，引入判據(jù)l: |/~2|>|/一|， / ,和/一分別為當(dāng)諧振頻率偏差為a/;和a/2時(shí)解調(diào)得到的方波幅度，即/。
= /。。 ,(4/;)，4w2=4。w(A/2)。 A/c為系統(tǒng)啟動時(shí)諧振頻率偏差，賦值A(chǔ)/尸A/c，反饋頻差a/2=a/;+^;，若判據(jù)i成立，則表示頻差A(yù)/i落入?yún)^(qū)域n，反饋頻差^/2 =-Wg"(;,丄lA/」，這里A人為環(huán)形諧振腔8的自由譜寬FS及與比例系數(shù)的乘積，恥的引入是為了當(dāng)諧振頻率偏差位于區(qū)域n時(shí)可以較快的進(jìn)入?yún)^(qū)域i又不致在區(qū)域II的兩側(cè)振蕩，同時(shí)<formula>formula see original document page 7</formula>再反饋頻差<formula>formula see original document page 7</formula>進(jìn)行判據(jù)l，直至判據(jù)l不成立，則4/i進(jìn)入?yún)^(qū)域I ，其中(jc) 為符號函數(shù)，當(dāng)x為正時(shí)，輸出為+1,當(dāng)X為負(fù)時(shí)，輸出為-i;3) 進(jìn)入?yún)^(qū)域I后進(jìn)行諧振點(diǎn)判別，引入判據(jù)2: |/D。 (1| = 0，若判據(jù)2不成立，則反饋頻差^/;=同時(shí)4/;=4/;+^，直至判據(jù)2成立，程序結(jié)束，鎖定 在諧振點(diǎn)；4) 用參數(shù)5乂來累計(jì)順時(shí)針光路的反饋頻差，對逆時(shí)針光路，反饋頻差通過調(diào)節(jié)激光器1輸出的激光頻率f實(shí)現(xiàn)，對順時(shí)針光路，反饋頻差通過調(diào)節(jié)第二組合鋸齒波發(fā)生器14輸出的組合鋸齒波頻率f2實(shí)現(xiàn)，在逆時(shí)針光路鎖定諧振點(diǎn)后， 當(dāng)陀螺沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，順時(shí)針光路也處于諧振狀態(tài)，/2初始值設(shè)為/1;當(dāng)陀螺有Q 的旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，順時(shí)針光路將不再處于諧振狀態(tài)，需要引入反饋支路控制頻 率/2的大小，每次反饋后，/f力+恥鎖定到諧振點(diǎn)后，累加所得的S乂即是順 時(shí)針光路和逆時(shí)針光路的諧振頻率差，利用該諧振頻率差就可以獲得陀螺旋轉(zhuǎn) 角速度。本發(fā)明引入雙頻率組合鋸齒波調(diào)制，利用光電探測器輸出方波信號幅度與 諧振頻率偏差的關(guān)系，提出了諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定 裝置及方法。本發(fā)明提出的軟件算法簡單可靠，并且能夠快速實(shí)現(xiàn)諧振頻率的 鎖定，從而避免諧振頻率偏差復(fù)雜的求根算法。本發(fā)明提出的頻率反饋跟蹤鎖 定方法可以比較方便地在數(shù)字信號處理芯片DSP上實(shí)現(xiàn)。


圖l是諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的第一數(shù)字信號處理電路框圖；圖3是本發(fā)明的第二數(shù)字信號處理電路框圖；圖4是本發(fā)明的第一組合鋸齒波發(fā)生器電路框圖；圖5是本發(fā)明的第二組合鋸齒波發(fā)生器電路框圖；圖6是頻率為&和2fi的組合鋸齒波波形圖；圖7是光電探測器輸出方波信號圖；圖8是探測器輸出歸一化方波幅度與諧振頻率偏差的關(guān)系圖； 圖9是鎖頻方案軟件實(shí)現(xiàn)流程圖；圖中激光器l、 Y分支器2、第一相位制器3、第二相位調(diào)制器4、第一環(huán)形器5、第二環(huán)形器6、耦合器7、環(huán)形諧振腔8、第一光電探測器9、第二光電探測 器10、第一數(shù)字信號處理電路ll、第二數(shù)字信號處理電路12、第一組合鋸齒波 發(fā)生器13、第二組合鋸齒波發(fā)生器14、第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器15、第一數(shù)字鎖相 放大器16、第一數(shù)字濾波器17、第一數(shù)字控制器18、第一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器19、 第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器20、第二數(shù)字鎖相放大器21、第二數(shù)字濾波器22、第二數(shù) 字控制器23、第二數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器24、第一數(shù)字鋸齒波發(fā)生器25、第三數(shù)字模 擬轉(zhuǎn)換器26、第二數(shù)字鋸齒波發(fā)生器27、第四數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器28。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明利用在雙頻率組合調(diào)制諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)中，陀螺輸出信號為方 波，并且方波幅度與諧振頻率偏差在靠近諧振點(diǎn)附近的近似線性關(guān)系，提出了 用方波幅度簡單除以諧振點(diǎn)上的斜率得到需要反饋控制的頻移量，當(dāng)處于近似 線性區(qū)外兩側(cè)的非線性區(qū)時(shí)，用一個(gè)比較大的合適的固定頻偏量控制，使得諧 振頻率偏差快速進(jìn)入線性區(qū)，利用這樣的多次反饋頻率操作來依次跟蹤光學(xué)陀 螺順時(shí)針和逆時(shí)針光束的諧振點(diǎn)。如圖1所示，諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置是由依 次相連接的激光器1、 Y分支器2、第一相位調(diào)制器3、第一環(huán)形器5、耦合器7、 第二環(huán)形器6、第二光電探測器IO、第二數(shù)字信號處理電路12、激光器l構(gòu)成 閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理電路，由依次相連接的激光器l、 Y分支器2、第二 相位調(diào)制器4、第二環(huán)形器6、耦合器7、第一環(huán)形器5、第一光電探測器9，第 一數(shù)字信號處理電路ll、第二組合鋸齒波發(fā)生器14、第二相位調(diào)制器4構(gòu)成閉 環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路，第一相位調(diào)制器3與第一組合鋸齒波發(fā)生器13 相連，耦合器7與環(huán)形諧振腔8相連。由激光器發(fā)出的頻率為f的光經(jīng)過Y分支器分成兩束，這兩束光分別經(jīng)過 第一相位調(diào)制器13和第二相位調(diào)制器14進(jìn)行組合移頻后進(jìn)入第一環(huán)形器5和 第二環(huán)形器6，再由耦合器7耦合進(jìn)入環(huán)形諧振腔8，形成逆時(shí)針和順時(shí)針兩個(gè) 光束，其中逆時(shí)針光束由第二環(huán)形器耦合6到第二光電探測器10，順時(shí)針光束 由第一環(huán)形器5耦合到第一光電探測器9。如圖2所示，第一數(shù)字信號處理電路11包括依次相連接的第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換器15、第一數(shù)字鎖相放大器16、第一數(shù)字濾波器17、第一數(shù)字控制器18和 第一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器19。如圖3所示，第二數(shù)字信號處理電路12包括依次相連接的第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換器20、第二數(shù)字鎖相放大器21、第二數(shù)字濾波器22、第二數(shù)字控制器23和第二數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器24。如圖4、 5所示，第一組合鋸齒波發(fā)生器13包括相連接的第一數(shù)字鋸齒波 發(fā)生器25、第三數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器26;第二組合鋸齒波發(fā)生器14包括相連接的 第二數(shù)字鋸齒波發(fā)生器27、第四數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器28。諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定方法包括如下步驟 1)在閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理電路中，用第一組合鋸齒波發(fā)生器13生 成頻率為&和2fp重復(fù)頻率為p的組合鋸齒波，如圖6，從而使激光頻率f在 前半個(gè)1/p周期發(fā)生頻移&成為f+fp在后半個(gè)1/p周期發(fā)生頻移2f,成為f+2&。 經(jīng)過逆時(shí)針光路，第二光電探測器10輸出頻率為p的方波信號，如圖7左圖，方波幅度iD。ut的表達(dá)式為<formula>formula see original document page 9</formula>(1)諧振頻率偏差A(yù)/是指進(jìn)入環(huán)形諧振腔8的激光頻率與環(huán)形諧振腔本身的諧振頻 率的差值，iA/ = / + ^A-/"% ,^是逆時(shí)針光路的諧振頻率，Co， ％， p是與調(diào)制頻率無關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)。在閉環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路中，用第二組合鋸齒波發(fā)生器14生成頻率為f2和f一f2， &可調(diào)，且初始值設(shè)為fp重復(fù)頻率為p的組合鋸齒波，第一光電探測器9輸出方波如圖7右圖，方波幅度iD。ut與諧振頻率偏差A(yù)/的表達(dá)式與閉環(huán)順時(shí)針光路相同，但諧振頻率偏差4/~ = /光路的諧振頻率；將(1)式表示成A/的多項(xiàng)式<formula>formula see original document page 9</formula>(2)由方程(2)可知，在實(shí)數(shù)域，此方程有四個(gè)根。設(shè)Afo是滿足方程(2)的 一個(gè)實(shí)數(shù)根，則系統(tǒng)需要反饋的總頻移5/=-4/0。因?yàn)榉匠?2)是個(gè)超越方 程，無法直接獲得解析解，雖然可以利用數(shù)值疊代的方法得到方程(2)的根， 但不同的/z)。w值需要不同的疊代次數(shù)，因此DSP系統(tǒng)用于從輸入方波幅度到輸出頻差的這段時(shí)間將無法估計(jì)，會影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測的性能。并且除諧振點(diǎn)外，方程(2)存在兩個(gè)實(shí)數(shù)根，仍然需要根據(jù)lD。ut和Af的關(guān)系曲線對這兩個(gè)根進(jìn)行判斷。本發(fā)明利用探測器輸出方波幅度和諧振頻率偏差(Af)的關(guān)系曲線，如圖8 所示，圖中已經(jīng)對輸出方波幅度用最大值進(jìn)行了歸一化。在諧振點(diǎn)(Af=0)附 近，曲線具有很好的線性，這是諧振式光學(xué)陀螺的工作區(qū)間，稱為近似線性工 作區(qū)域I;在近似線性工作區(qū)域I的兩側(cè)，是減函數(shù)性質(zhì)的單調(diào)區(qū)間，稱為非線 性區(qū)域II。當(dāng)諧振頻率偏差接近零時(shí)，曲線斜率近似是一個(gè)常數(shù)k。當(dāng)諧振頻率 偏差落入近似線性區(qū)域I后，本發(fā)明利用這個(gè)常數(shù)k作為近似線性區(qū)的反饋斜率， 通過多次反饋操作，分別將逆時(shí)針光路和順時(shí)針光路的頻率鎖定到各自的諧振 點(diǎn)，鎖定到諧振點(diǎn)后所經(jīng)歷的累計(jì)頻差Sft給出諧振點(diǎn)與起始頻差的距離，即-Afo， 從而達(dá)到與數(shù)值計(jì)算相同的效果。從第一光電探測器9和第二光電探測器10出來的方波信號由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號后，進(jìn)入數(shù)字信號處理芯片DSP，與芯片內(nèi)部生成的幅度為土l 、 與方波信號同頻同相的參考方波相乘，進(jìn)行數(shù)字鎖相放大解調(diào)和數(shù)字濾波后， 得到反映方波信號幅度的數(shù)字量。2) 根據(jù)方波信號幅度來判別系統(tǒng)初始狀態(tài)所處區(qū)域，引入判據(jù)1: |/一2| >|;,」，/?！龊头謩e為當(dāng)諧振頻率偏差為A/;和a/2時(shí)解調(diào)得到的方波 幅度，即；,「4Ua/;)， /m=;(A/2)。 a/。為系統(tǒng)啟動時(shí)諧振頻率偏差，賦值 a/產(chǎn)AZo，反饋頻差w--ua;, a/2=a/;+^/;，若判據(jù)l成立，則表示頻差A(yù)/i落入?yún)^(qū)域n，反饋頻差《/2=-^"(;(1).|a/m|，這里a厶為環(huán)形諧振腔8的自由譜寬i^i 與比例系數(shù)的乘積，5/2的引入是為了當(dāng)諧振頻率偏差位于區(qū)域II時(shí)可以較快的進(jìn)入?yún)^(qū)域I又不致在區(qū)域II的兩側(cè)振蕩，同時(shí)4/;=4^2+^/2，再反饋頻差 ^/i=-a/2 = a/1+^/;，進(jìn)行判據(jù)l,直至判據(jù)i不成立，則A力進(jìn)入?yún)^(qū)域I ，其中Wg" (x)為符號函數(shù)，當(dāng)X為正時(shí)，輸出為+1，當(dāng)x為負(fù)時(shí)，輸出為-l;3) 進(jìn)入?yún)^(qū)域I后進(jìn)行諧振點(diǎn)判別，引入判據(jù)2: |/D(J = 0，若判據(jù)2不成立， 則反饋頻差^ 同時(shí)4/>4/; + ^，直至判據(jù)2成立，程序結(jié)束，鎖定 在諧振點(diǎn)；當(dāng)鎖定在諧振點(diǎn)時(shí)，理論上輸出的方波幅度值達(dá)到零，但是，在數(shù) 字信號處理芯片DSP內(nèi)部，由于是數(shù)字量，誤差不為零，存在有限字長效應(yīng)。 故在鎖定允許的誤差范圍內(nèi)可以設(shè)定一個(gè)數(shù)字小量eps，當(dāng)解調(diào)的方波幅度小于 等于eps時(shí)，可認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到鎖定。具體的諧振點(diǎn)跟蹤算法程序的流程圖見圖9。4) 用參數(shù)5/來累計(jì)順時(shí)針光路的反饋頻差，對逆時(shí)針光路，反饋頻差通過調(diào)節(jié)激光器1輸出的激光頻率f實(shí)現(xiàn)，對順時(shí)針光路，反饋頻差通過調(diào)節(jié)第二組合鋸齒波發(fā)生器14輸出的組合鋸齒波頻率f2實(shí)現(xiàn),在逆時(shí)針光路鎖定諧振點(diǎn)后， 當(dāng)陀螺沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，順時(shí)針光路也處于諧振狀態(tài)，/2初始值設(shè)為/1;當(dāng)陀螺有Q 的旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，順時(shí)針光路將不再處于諧振狀態(tài)，需要引入反饋支路控制頻 率/2的大小，每次反饋后，力二力+恥鎖定到諧振點(diǎn)后，累加所得的S/即是順 時(shí)針光路和逆時(shí)針光路的諧振頻率差，利用該諧振頻率差就可以獲得陀螺旋轉(zhuǎn) 角速度。如圖9所示為諧振點(diǎn)跟蹤算法的程序流程圖。
權(quán)利要求
1.一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置，其特征在于由依次相連接的激光器(1)、Y分支器(2)、第一相位調(diào)制器(3)、第一環(huán)形器(5)、耦合器(7)、第二環(huán)形器(6)、第二光電探測器(10)、第二數(shù)字信號處理電路(12)、激光器(1)構(gòu)成閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理電路，由依次相連接的激光器(1)、Y分支器(2)、第二相位調(diào)制器(4)、第二環(huán)形器(6)、耦合器(7)、第一環(huán)形器(5)、第一光電探測器(9)，第一數(shù)字信號處理電路(11)、第二組合鋸齒波發(fā)生器(14)、第二相位調(diào)制器(4)構(gòu)成閉環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路，第一相位調(diào)制器(3)與第一組合鋸齒波發(fā)生器(13)相連，耦合器(7)與環(huán)形諧振腔(8)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)的頻率反饋跟 蹤鎖定裝置，其特征在于所述的第一數(shù)字信號處理電路(11)包括依次相連接 的第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(15)、第一數(shù)字鎖相放大器(16)、第一數(shù)字濾波器(17)、 第一數(shù)字控制器(18)和第一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(19)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)的頻率反饋跟 蹤鎖定裝置，其特征在于所述的第二數(shù)字信號處理電路(12)包括依次相連接 的第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(20)、第二數(shù)字鎖相放大器(21 )、第二數(shù)字濾波器(22)、 第二數(shù)字控制器(23)和第二數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(24)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)的頻率反饋跟 蹤鎖定裝置，其特征在于所述的第一組合鋸齒波發(fā)生器(13)包括相連接的第 一數(shù)字鋸齒波發(fā)生器(25)、第三數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(26);第二組合鋸齒波發(fā)生 器(14)包括相連接的第二數(shù)字鋸齒波發(fā)生器(27)、第四數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(28)。5. —種使用如權(quán)利要求1所述裝置的諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反 饋跟蹤鎖定方法，其特征在于包括如下步驟.-1)在閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理電路中，用第一組合鋸齒波發(fā)生器(13) 生成頻率為fi和2&，重復(fù)頻率為p的組合鋸齒波，激光器(1)發(fā)出的頻率為f 的激光受到&和2&的的組合頻率調(diào)制，經(jīng)過逆時(shí)針光路，第二光電探測器(IO)輸出頻率為P的方波信號，方波幅度iD。ut的表達(dá)式為，<formula>formula see original document page 13</formula> ,諧振頻率偏差A(yù)/是指進(jìn)入環(huán)形諧振腔(8)的激光頻率與環(huán)形諧振腔本身的諧振頻率的差值，且 A/ = / + ^^-/，， /"^是逆時(shí)針光路的諧振頻率，Q)， "c， p是與調(diào)制頻率 無關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，在諧振頻率偏差為零附近，方波幅度與諧振頻率偏差有單調(diào) 遞增，斜率為k的近似線性關(guān)系區(qū)域I,在區(qū)域I兩側(cè)是減函數(shù)性質(zhì)的單調(diào)區(qū)域 II;在閉環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路中，用第二組合鋸齒波發(fā)生器(14)生成 頻率為f2和fi+f2， f2可調(diào)，且初始值設(shè)為fp重復(fù)頻率為p的組合鋸齒波，第 一光電探測器(9)輸出的方波幅度lD。ut與諧振頻率偏差A(yù)/的表達(dá)式與逆時(shí)針光 路相同，但諧振頻率偏差A(yù)/ = / + /2 + ; + /2 -/是順時(shí)針光路的諧振頻率； 2)判別系統(tǒng)初始狀態(tài)所處區(qū)域，引入判據(jù)l: |/D。 ,2|>|/D。W1|， /^和/~2分別為當(dāng)諧振頻率偏差為a/和a/2時(shí)解調(diào)得到的方波幅度，即=/D。 ,(4/;)，V"(2=^ ,(A/2)。
A/Q為系統(tǒng)啟動時(shí)諧振頻率偏差，賦值A(chǔ)/產(chǎn)A/。，反饋頻差3, = -;"n/" a/2 = 若判據(jù)l成立，則表示頻差A(yù)力落入?yún)^(qū)域II，反饋頻差V^-^"(UlA/」，這里A人為環(huán)形諧振腔(8)的自由譜寬FM與比例 系數(shù)的乘積，恥的引入是為了當(dāng)諧振頻率偏差位于區(qū)域II時(shí)可以較快的進(jìn)入?yún)^(qū)域I又不致在區(qū)域II的兩側(cè)振蕩，同時(shí)4/>^/2+^/2，再反饋頻差^/; = -//^1/" a/2 = 4/;+^;，進(jìn)行判據(jù)l，直至判據(jù)l不成立，則A/i進(jìn)入?yún)^(qū)域I ，其中w^2 Oc)為符號函數(shù)，當(dāng)X為正時(shí)，輸出為+ l，當(dāng)X為負(fù)時(shí)，輸出為-l;3)進(jìn)入?yún)^(qū)域I后進(jìn)行諧振點(diǎn)判別，引入判據(jù)2: |/D(J = 0，若判據(jù)2不成立，則反饋頻差^/^-/。^/"同時(shí)A/;-Ay;+^;，直至判據(jù)2成立，程序結(jié)束，鎖定在諧振點(diǎn)；4.用參數(shù)S乂來累計(jì)順時(shí)針光路的反饋頻差，對逆時(shí)針光路，反饋頻差通過 調(diào)節(jié)激光器(1)輸出的激光頻率f實(shí)現(xiàn)，對順時(shí)針光路，反饋頻差通過調(diào)節(jié)第 二組合鋸齒波發(fā)生器(14)輸出的組合鋸齒波頻率f2實(shí)現(xiàn)，在逆時(shí)針光路鎖定 諧振點(diǎn)后，當(dāng)陀螺沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，順時(shí)針光路也處于諧振狀態(tài)，/2初始值設(shè)為/1; 當(dāng)陀螺有Q的旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，順時(shí)針光路將不再處于諧振狀態(tài)，需要引入反饋支 路控制頻率力的大小，每次反饋后，力二力+5乂，鎖定到諧振點(diǎn)后，累加所得的 S乂即是順時(shí)針光路和逆時(shí)針光路的諧振頻率差，利用該諧振頻率差就可以獲得 陀螺旋轉(zhuǎn)角速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)頻率反饋跟蹤鎖定裝置及方法。包括激光器依次與Y分支器、第一相位調(diào)制器、第一環(huán)形器、耦合器、第二環(huán)形器、第二光電探測器、第二數(shù)字信號處理電路、激光器相連，形成閉環(huán)逆時(shí)針光路及信號處理電路，激光器依次與Y分支器、第二相位調(diào)制器、第二環(huán)形器、耦合器、第一環(huán)形器、第一光電探測器，第一數(shù)字信號處理電路、第二組合鋸齒波發(fā)生器、第二相位調(diào)制器相連，形成閉環(huán)順時(shí)針光路及信號處理電路，第一相位調(diào)制器與第一組合鋸齒波發(fā)生器相連，耦合器與環(huán)形諧振腔相連。本發(fā)明有利于避免開環(huán)檢測時(shí)解超越方程的難點(diǎn)；有利于抑制干擾，改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性；可以比較方便地在數(shù)字信號處理芯片DSP上實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01C19/72GK101216314SQ20081005911
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月14日
發(fā)明者李牡鋮, 金仲和, 馬慧蓮 申請人:浙江大學(xué)