專利名稱：一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)陀螺信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
諧振式光學(xué)陀螺是基于薩格奈克效應(yīng)的高精度慣性角速度傳感器，由于它是無運動部件的全固態(tài)結(jié)構(gòu)器件，具有體積小、動態(tài)范圍大、精度高、啟動時間短以及壽命長等優(yōu)點，近年來受到越來越廣泛的關(guān)注和研究。諧振式光學(xué)陀螺是靠檢測旋轉(zhuǎn)引起的諧振腔內(nèi)順逆時針兩路光的諧振頻率差來得到載體的角速度，由于薩格奈克效應(yīng)極其微弱當(dāng)集成光學(xué)環(huán)形諧振腔的環(huán)長為12. 8cm，工作波長為1550um時，1° /s的旋轉(zhuǎn)角速率引起的諧振頻率差僅為275Hz，該頻差反映為探測器輸出信號的微弱變化。因此信號檢測技術(shù)在諧振式 光學(xué)陀螺的研究中占有重要地位。目前諧振式光學(xué)陀螺的研究仍處在實驗室研究階段，究其原因，主要是各種光學(xué)噪聲和電路噪聲極大限制了諧振式光學(xué)陀螺精度。在不改變光路的基礎(chǔ)上，只能通過改變信號檢測方法和信號處理算法來提高諧振式光學(xué)陀螺精度，而傳統(tǒng)的檢測電路噪聲大，功能單一，設(shè)計周期長，并且程序優(yōu)化和算法驗證都比較困難，不利于信號檢測的改進，嚴重影響了諧振式光學(xué)陀螺的研究進展。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，并結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、軍事等領(lǐng)域，如基于NI模塊化硬件與高效軟件工具的無縫集成，為測試、控制和設(shè)計領(lǐng)域提供了一種統(tǒng)一的平臺，提高了測控系統(tǒng)的開發(fā)效率。本發(fā)明提出的基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置不僅憑借虛擬儀器模塊化硬件實現(xiàn)了檢測功能的靈活性，更是基于虛擬儀器軟件便于各種檢測算法的驗證，該發(fā)明有助于提高諧振式光學(xué)陀螺的信號檢測技術(shù)。本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，包括信號調(diào)理模塊、采集單元A、采集單元B、FPGA控制單元和基于PXIe總線的計算機組成，檢測對象為光電混合模塊，所述的光電混合模塊包括第一探測器、第二探測器、集成光學(xué)相位調(diào)制器和光源。所述的信號調(diào)理模塊通過四部分信號調(diào)理電路實現(xiàn)光電混合模塊與采集單元A、采集單元B之間的接口信號匹配，四部分信號調(diào)理電路分別為(I)所述的信號調(diào)理模塊對第一探測器輸出的光強電壓信號一方面經(jīng)高通濾波、運算放大器模擬放大后輸出至采集單元A的Al I端口，采集單元A將Al I端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出至FPGA控制單元；第一探測器輸出的光強電壓信號另一方面經(jīng)電壓跟隨、電壓比較后得到入谷判斷數(shù)字信號，并輸出至采集單元A的DIl端口，采集單元A將DII端口的入谷判斷數(shù)字信號輸出至FPGA控制單元，F(xiàn)PGA控制單元對上述兩路數(shù)字信號處理后產(chǎn)生一路數(shù)字信號，并經(jīng)采集單元A轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)采集單元A的A02端口輸出，并經(jīng)信號調(diào)理模塊運算放大器模擬放大后得到光源的PZT控制信號，然后將其輸出至光電混合模塊的光源的PZT控制端。(2)所述信號調(diào)理模塊對第二探測器輸出的光強電壓信號經(jīng)高通濾波、運算放大器模擬放大后輸出至采集單元A的AI2端口，采集單元A將AI2端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出至FPGA控制單元，F(xiàn)PGA控制單元對上述數(shù)字信號處理后產(chǎn)生一路數(shù)字信號，并輸出至計算機，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理，得到陀螺輸出角速度。(3) FPGA控制單元在計算機的控制下循環(huán)產(chǎn)生一路調(diào)制波形數(shù)字信號，經(jīng)采集單元A轉(zhuǎn)換為模擬信號后由AOl端口輸出，在信號調(diào)理模塊將該路信號經(jīng)運算放大器模擬放大后得到調(diào)制信號，然后將其輸出至光電混合模塊的集成光學(xué)相位調(diào)制器的電極接口。(4)光電混合模塊中光源的溫度輸出信號經(jīng)光源輸出后,在信號調(diào)理模塊將該路信號經(jīng)運算放大器模擬放大后輸出至采集單元B的AIl端口，采集單元B對光源溫度輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字溫度信號，并輸出至計算機，經(jīng)計算機溫度測試控制，完成對數(shù)字溫度信號的處理，生成溫度控制信號，并經(jīng)采集單元B的D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)AOl端輸出至信號調(diào)理模塊，經(jīng)信號調(diào)理模塊的運算放大器模擬放大后輸出至光源的溫度控制端。所述的基于PXIe總線的計算機為包含諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊的計算機，該檢測模塊基于Iabview編程，得到人機界面，采集單元B和FPGA控制單元都是通過PXIe總線實現(xiàn)與計算機之間的通信。本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置的檢測方法，包括以下幾個步驟
步驟一通過計算機的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊設(shè)置調(diào)制波形參數(shù)和光源的工作溫度參數(shù)，并運行該信號檢測模塊，Iabview軟件自動將FPGA控制單元的FPGA程序加載到FPGA控制單元中運行；步驟二 諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊經(jīng)信號調(diào)理模塊和采集單元B得到光源的溫度信號，并對光源的溫度進行反饋控制，信號檢測模塊按照設(shè)定的工作溫度參數(shù)對光源的溫度循環(huán)掃描控制，從而實現(xiàn)對光源的掃頻；步驟三FPGA控制單元由信號調(diào)理模塊和采集單元A得到入谷判斷信號和第一探測器輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，F(xiàn)PGA控制單元對第一探測器輸出對應(yīng)的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波及信號解調(diào)，并根據(jù)入谷判斷信號和解調(diào)數(shù)字信號反饋控制光源的PZT控制信號，同時，諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊根據(jù)入谷判斷信號和解調(diào)數(shù)字信號反饋控制光源的溫度，采用溫度和PZT控制信號分別對光源的出射頻率進行粗調(diào)和微調(diào)，從而將光源的出射頻率鎖定在第一探測器輸出諧振曲線的諧振谷底；步驟四FPGA控制單元由信號調(diào)理模塊和采集單元A得到第二探測器輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，對其進行數(shù)字濾波和信號解調(diào)，并將解調(diào)產(chǎn)生的數(shù)字信號輸出至計算機的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊，該檢測模塊對其進行數(shù)據(jù)處理后得到陀螺載體的轉(zhuǎn)動角速度，并將測試結(jié)果通過信號檢測模塊界面輸出。本發(fā)明的優(yōu)點在于
I、本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置及方法，采用虛擬儀器模塊化硬件替代傳統(tǒng)的檢測電路，縮短了硬件開發(fā)時間，并且電路噪聲小，抗干擾能力強，有利于陀螺精度的提聞。2、本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置及方法，基于Iabview虛擬儀器軟件對FPGA編程實現(xiàn)諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字信號處理，依靠FPGA內(nèi)部豐富的資源及Iabview圖形化編程的靈活性，可以快速地進行算法的驗證，加快諧振式光學(xué)陀螺的研發(fā)速度。3、本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置及方法，基于Iabview虛擬儀器軟件設(shè)計諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊，能夠得到友好的人機界面，便于調(diào)試參數(shù)的修改。



圖I為本發(fā)明提出的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明提出的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置的功能框圖。圖中1_信號調(diào)理模塊；2_采集單元A ;3_采集單元B ;4_FPGA控制單元；5-計算機；6_光電混合模塊；7_第一探測器；8_第二探測器；9_集成光學(xué)相位調(diào)制器；10_光源。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，如圖I所示，由信號調(diào)理模塊I、采集單元A2、采集單元B3、FPGA控制單元4和基于PXIe總線的計算機5組成。本發(fā)明的檢測對象為光電混合模塊6,所述的光電混合模塊6包括第一探測器7、第二探測器8、集成光學(xué)相位調(diào)制器9和光源10。所述的信號調(diào)理模塊I通過信號調(diào)理電路實現(xiàn)光電混合模塊6與采集單元A2、采集單元B3之間的接口信號匹配，其主要包括以下四部分調(diào)理電路(I)所述的信號調(diào)理模塊I對第一探測器7輸出的光強電壓信號一方面經(jīng)高通濾波、運算放大器模擬放大后輸出至采集單元A2的AIl端口，采集單元A2將AIl端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出至FPGA控制單元4 ;第一探測器7輸出的光強電壓信號另一方面經(jīng)電壓跟隨、電壓比較后得到入谷判斷數(shù)字信號，并輸出至采集單元A2的DIl端口，采集單元A2將DIl端口的入谷判斷數(shù)字信號輸出至FPGA控制單元4。FPGA控制單元4對上述兩路數(shù)字信號處理后產(chǎn)生一路數(shù)字信號，并經(jīng)采集單元A2轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)采集單元A2的A02端口輸出，并經(jīng)信號調(diào)理模塊I運算放大器模擬放大后得到光源10的PZT控制信號，然后將其輸出至光電混合模塊6的光源10的PZT控制端。(2)所述信號調(diào)理模塊I對第二探測器8輸出的光強電壓信號經(jīng)高通濾波、運算放大器模擬放大后輸出至采集單元A2的AI2端口，采集單元A2將AI2端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出至FPGA控制單元4，F(xiàn)PGA控制單元4對上述數(shù)字信號處理后產(chǎn)生一路數(shù)字信號，并輸出至計算機5，經(jīng)計算機5數(shù)據(jù)處理，得到陀螺輸出角速度。
(3) FPGA控制單元4在計算機5的控制下循環(huán)產(chǎn)生一路調(diào)制波形數(shù)字信號，經(jīng)采集單元A2轉(zhuǎn)換為模擬信號后由AOl端口輸出，在信號調(diào)理模塊I將該路信號經(jīng)運算放大器模擬放大后得到調(diào)制信號，然后將其輸出至光電混合模塊6的集成光學(xué)相位調(diào)制器9的電極接口。(4)光電混合模塊6中光源10的溫度輸出信號經(jīng)光源10輸出后,在信號調(diào)理模塊I將該路信號經(jīng)運算放大器模擬放大后輸出至采集單元B3的Al I端口，采集單元B3對光源溫度輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字溫度信號，并輸出至計算機5，經(jīng)計算機5溫度測試控制，完成對數(shù)字溫度信號的處理，生成溫度控制信號，并經(jīng)采集單元B3的D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)AOl端輸出至信號調(diào)理模塊I，經(jīng)信號調(diào)理模塊I的運算放大器模擬放大后輸出至光源10的溫度控制端。所述信號調(diào)理模塊I使用的所有運算放大器的放大倍數(shù)均為可調(diào)，即通過更改運
算放大器外圍電路的電阻阻值來改變運算放大器的增益。所述的采集單元A2優(yōu)選為NIFlexRIO適配器模塊，該模塊模擬輸入的最大采樣率為lOOMS/s，模擬輸出的最大采樣率為400MS/s。所述采集單元A2的DIl端口為采集單元A2的數(shù)字輸入端口 A，AIl端口為采集單元A2的模擬輸入端口 A，AI2端口為采集單元A2的模擬輸入端口 B，AOl端口為采集單元A2的模擬輸出端口 A，A02為采集單元A2的模擬輸出端口 B。采集單元A2的功能為將AIl端口的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出至FPGA控制單元4的數(shù)字輸入端；將AI2端口的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出至FPGA控制單元4的數(shù)字輸入端；將011端口的數(shù)字信號直接輸出至FPGA控制單元4的數(shù)字輸入端；將FPGA輸出的一路數(shù)字信號進行D/A轉(zhuǎn)換后輸出至采集單元A2的AOl端口 ；將FPGA輸出的另一路數(shù)字信號進行D/A轉(zhuǎn)換后輸出至采集單元A2 的 A02 端口。所述的采集單元B3優(yōu)選為NI DAQ模塊，該模塊模擬輸入的最大采樣率為2MS/s，模擬輸出的最大采樣率為2. 86MS/s。所述的AIl為采集單元B3的模擬輸入端口 A，A01為采集單元B3的模擬輸出端口 A。采集單元B3的功能為將AIl端口的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出至PXIe總線；將PXIe總線輸出的數(shù)字信號進行D/A轉(zhuǎn)換后輸出至采集單元B3的AOl 端口。所述的FPGA控制單元4優(yōu)選為NI FlexRIO FPGA模塊，采集單元A2與FPGA控制單元4之間通過FPGA控制單元4的數(shù)字I/O 口進行通信。FPGA控制單元4可以基于計算機5的Iabview虛擬儀器軟件對FPGA控制單元4進行控制，完成對諧振式光學(xué)陀螺的數(shù)字
信號處理。所述的基于PXIe總線的計算機5為包含諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊的計算機5，該檢測模塊基于Iabview編程，可以得到友好的人機界面，完成高效的測試任務(wù)。采集單元B3和FPGA控制單元4都是通過PXIe總線實現(xiàn)與計算機5通信的。所述諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊包含三部分功能測試數(shù)據(jù)處理、調(diào)制信號控制和光源溫度控制。(I)測試數(shù)據(jù)處理=FPGA控制單元4將第二探測器8輸出對應(yīng)的數(shù)字信號處理后輸出至計算機5，計算機信號檢測模塊將該路信號除以標度因數(shù)后得到陀螺的輸出角速度。(2)調(diào)制信號控制通過計算機5信號檢測模塊設(shè)置調(diào)制信號參數(shù)，并根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生調(diào)制信號參數(shù)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過PXIe總線輸出至FPGA控制單元4，從而控制FPGA控制單元4產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制波形數(shù)據(jù)。(3)光源溫度控制通過計算機信號檢測模塊設(shè)置光源10的工作溫度范圍，并根據(jù)光源溫度輸出對應(yīng)的數(shù)字信號產(chǎn)生反饋控制光源溫度的數(shù)字信號，從而對光源10的溫度進行控制。本發(fā)明提出的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，實現(xiàn)的功能有信號調(diào)理功能、A/D轉(zhuǎn)換功能、D/A轉(zhuǎn)換功能、數(shù)字信號處理功能和計算機檢測處理功倉泛。所述的信號調(diào)理功能為將光電混合模塊6的輸出信號轉(zhuǎn)換為與采集單元A2和采集單元B3匹配的輸入信號，以及將采集單元A2和采集單元B3的輸出信號轉(zhuǎn)換為與光電混合模塊6匹配的輸入信號。信號調(diào)理功能包括由第一探測器 7的輸出得到入谷判斷數(shù)字信號并將其轉(zhuǎn)換為采集單元A2的DII端口的數(shù)字信號輸入，將第一探測器7的輸出的光強電壓信號轉(zhuǎn)換為采集單元A2的Al I端口的模擬信號輸入，將第二探測器8的輸出的光強電壓信號轉(zhuǎn)換為采集單元A2的AI2端口的模擬信號輸入，將采集單元A2的AOl端口輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為調(diào)制信號，將采集單元A2的AOl端口輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為光源10的PZT控制信號，將光源溫度輸出信號轉(zhuǎn)換為采集單元B3的AIl端口的模擬信號輸入，以及將采集單元B3的AOl端口輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為光源溫度控制信號。所述的A/D轉(zhuǎn)換功能、D/A轉(zhuǎn)換功能完成信號調(diào)理模塊I和FPGA控制單元4之間，以及信號調(diào)理模塊I和計算機5之間的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換。A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能包括將采集單元A2的DIl端口的數(shù)字入谷判斷數(shù)字信號直接輸出至FPGA控制單元4，將采集單元A2的AIl端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為FPGA控制單元4的數(shù)字信號輸入，將采集單元A2的AI2端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為FPGA控制單元4的數(shù)字信號輸入，將FPGA控制單元4循環(huán)產(chǎn)生的調(diào)制波形數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為采集單元A2的AOl端口的模擬輸出信號，將FPGA控制單元4產(chǎn)生的PZT控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為采集單元A2的A02的模擬輸出信號，將采集單元B3的AIl端口的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為計算機5的數(shù)字信號輸入，將計算機5產(chǎn)生的溫度控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為采集單元B3的AOl端口的模擬輸出信號。數(shù)字信號處理功能所述的數(shù)字信號處理功能首先根據(jù)諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊設(shè)置的調(diào)制波形參數(shù)數(shù)據(jù)生成一個周期的調(diào)制波形數(shù)據(jù)，然后循環(huán)的將調(diào)制波形數(shù)據(jù)發(fā)送至采集單元A2的D/A輸入端，從而產(chǎn)生所需的調(diào)制信號。其次對第一探測器7輸出對應(yīng)的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波及信號解調(diào)，并根據(jù)入谷判斷信號判斷光源中心頻率是否被調(diào)節(jié)到諧振谷頻率范圍內(nèi)。當(dāng)光源中心頻率在諧振谷頻率范圍內(nèi)時，根據(jù)信號解調(diào)輸出產(chǎn)生反饋控制數(shù)字信號，反饋控制數(shù)字信號一方面由采集單元A2經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后反饋控制光源10的PZT，另一方面經(jīng)計算機信號檢測模塊和采集單元B3處理后反饋控制光源10的溫度，從而完成對光源10的閉環(huán)頻率跟蹤，將光源出射頻率調(diào)節(jié)至諧振谷中心。然后對第二探測器8輸出對應(yīng)的數(shù)字量數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波及信號解調(diào)，并將解調(diào)輸出的數(shù)字信號通過PXIe總線發(fā)送給計算機5，計算機信號檢測模塊對該數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，對第二探測器8輸出信號解調(diào)輸出的數(shù)字信號中包含著陀螺轉(zhuǎn)速的有用信息。計算機檢測處理功能諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊首先設(shè)置調(diào)制波形的參數(shù)和光源10的工作溫度參數(shù)，并控制FPGA控制單元4產(chǎn)生調(diào)制波形數(shù)據(jù)并循環(huán)發(fā)送；然后根據(jù)FPGA控制單元4產(chǎn)生的反饋控制數(shù)字信號和光源10的溫度輸出對應(yīng)的數(shù)字信號完成對光源溫度的控制，實現(xiàn)對光源的掃頻及頻率跟蹤；該模塊還對第二探測器8輸出解調(diào)輸出的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，從而得到諧振式光學(xué)陀螺載體的轉(zhuǎn)動角速度，并將測試結(jié)果通過檢測模塊界面輸出，達到諧振式光學(xué)陀螺信號檢測的目的。
本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置的檢測方法，具體包括以下幾個步驟步驟一通過計算機5的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊設(shè)置調(diào)制波形參數(shù)和光源10的工作溫度參數(shù)，并運行該信號檢測模塊，此時Iabview軟件自動將FPGA控制單元4的FPGA程序加載到FPGA控制單元4中運行。步驟二 諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊經(jīng)信號調(diào)理模塊I和采集單元B3得到光源10的溫度信號，并對光源10的溫度進行反饋控制，信號檢測模塊按照設(shè)定的工作溫度參數(shù)對光源10的溫度循環(huán)掃描控制，從而實現(xiàn)對光源10的掃頻。步驟三FPGA控制單元4由信號調(diào)理模塊I和采集單元A2得到入谷判斷信號和第一探測器7輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，F(xiàn)PGA控制單元4對第一探測器7輸出對應(yīng)的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波及信號解調(diào)，并根據(jù)入谷判斷信號和解調(diào)數(shù)字信號反饋控制光源10的PZT控制信號。同時，諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊根據(jù)入谷判斷信號和解調(diào)數(shù)字信號反饋控制光源10的溫度。采用溫度和PZT控制信號分別對光源10的出射頻率進行粗調(diào)和微調(diào)，從而將光源10的出射頻率鎖定在第一探測器7輸出諧振曲線的諧振谷底。步驟四FPGA控制單元4由信號調(diào)理模塊I和采集單元A2得到第二探測器8輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，對其進行數(shù)字濾波和信號解調(diào)，并將解調(diào)產(chǎn)生的數(shù)字信號輸出至計算機5的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊，該檢測模塊對其進行數(shù)據(jù)處理后得到陀螺載體的轉(zhuǎn)動角速度，并將測試結(jié)果通過信號檢測模塊界面輸出。
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，其特征在于包括信號調(diào)理模塊、采集單元A、采集單元B、FPGA控制單元和基于PXIe總線的計算機，檢測對象為光電混合模塊，所述的光電混合模塊包括第一探測器、第二探測器、集成光學(xué)相位調(diào)制器和光源； 所述的信號調(diào)理模塊通過四部分信號調(diào)理電路實現(xiàn)光電混合模塊與采集單元A、采集單元B之間的接口信號匹配，四部分信號調(diào)理電路分別為 (1)所述的信號調(diào)理模塊對第一探測器輸出的光強電壓信號一方面經(jīng)高通濾波、運算放大器模擬放大后輸出至采集單元A的AIl端口，采集單元A將AIl端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出至FPGA控制單元；第一探測器輸出的光強電壓信號另一方面經(jīng)電壓跟隨、電壓比較后得到入谷判斷數(shù)字信號，并輸出至采集單元A的DII端口，采集單元A將DII端口的入谷判斷數(shù)字信號輸出至FPGA控制單元，F(xiàn)PGA控制單元對上述兩路數(shù)字信號處理后產(chǎn)生一路數(shù)字信號，并經(jīng)采集單元A轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)采集單元A的A02端口輸出，并經(jīng)信號調(diào)理模塊運算放大器模擬放大后得到光源的PZT控制信號，然后將其輸出至光電混合模塊的光源的PZT控制端； (2)所述信號調(diào)理模塊對第二探測器輸出的光強電壓信號經(jīng)高通濾波、運算放大器模擬放大后輸出至采集單元A的AI2端口，采集單元A將AI2端口的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出至FPGA控制單元，F(xiàn)PGA控制單元對上述數(shù)字信號處理后產(chǎn)生一路數(shù)字信號，并輸出至計算機，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理，得到陀螺輸出角速度； (3)FPGA控制單元在計算機的控制下循環(huán)產(chǎn)生一路調(diào)制波形數(shù)字信號，經(jīng)采集單元A轉(zhuǎn)換為模擬信號后由AOl端口輸出，在信號調(diào)理模塊將該路信號經(jīng)運算放大器模擬放大后得到調(diào)制信號，然后將其輸出至光電混合模塊的集成光學(xué)相位調(diào)制器的電極接口 ； (4)光電混合模塊中光源的溫度輸出信號經(jīng)光源輸出后，在信號調(diào)理模塊將該路信號經(jīng)運算放大器模擬放大后輸出至采集單元B的AIl端口，采集單元B對光源溫度輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字溫度信號，并輸出至計算機，經(jīng)計算機溫度測試控制，完成對數(shù)字溫度信號的處理，生成溫度控制信號，并經(jīng)采集單元B的D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)AOl端輸出至信號調(diào)理模塊，經(jīng)信號調(diào)理模塊的運算放大器模擬放大后輸出至光源的溫度控制端； 所述的基于PXIe總線的計算機為包含諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊的計算機，該檢測模塊基于Iabview編程，得到人機界面，采集單元B和FPGA控制單元都是通過PXIe總線實現(xiàn)與計算機之間的通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，其特征在于所述的信號調(diào)理模塊的每個信號調(diào)理電路所采用的運算放大器的放大倍數(shù)均為可調(diào)，通過更改運算放大器外圍電路的電阻阻值來改變運算放大器的增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，其特征在于所述的采集單元A為NI FlexRIO適配器模塊，最大采樣率為lOOMS/s，模擬輸出的最大采樣率為400MS/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，其特征在于所述的采集單元B為NI DAQ模塊，該模塊模擬輸入的最大采樣率為2MS/s，模擬輸出的最大采樣率為2. 86MS/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置，其特征在于所述的FPGA控制單元為NI FlexRIO FPGA模塊，采集單元A與FPGA控制單元之間通過FPGA控制單元的數(shù)字I/O 口進行通信。
6.一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置的檢測方法，其特征在于包括以下幾個步驟 步驟一通過計算機的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊設(shè)置調(diào)制波形參數(shù)和光源的工作溫度參數(shù)，并運行該信號檢測模塊，Iabview軟件自動將FPGA控制單元的FPGA程序加載到FPGA控制單元中運行； 步驟二 諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊經(jīng)信號調(diào)理模塊和采集單元B得到光源的溫度信號，并對光源的溫度進行反饋控制，信號檢測模塊按照設(shè)定的工作溫度參數(shù)對光源的溫度循環(huán)掃描控制，從而實現(xiàn)對光源的掃頻； 步驟三FPGA控制單元由信號調(diào)理模塊和采集單元A得到入谷判斷信號和第一探測器輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，F(xiàn)PGA控制單元對第一探測器輸出對應(yīng)的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波及信號解調(diào)，并根據(jù)入谷判斷信號和解調(diào)數(shù)字信號反饋控制光源的PZT控制信號，同時，諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊根據(jù)入谷判斷信號和解調(diào)數(shù)字信號反饋控制光源的溫度，采用溫度和PZT控制信號分別對光源的出射頻率進行粗調(diào)和微調(diào)，從而將光源的出射頻率鎖定在第一探測器輸出諧振曲線的諧振谷底； 步驟四FPGA控制單元由信號調(diào)理模塊和采集單元A得到第二探測器輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，對其進行數(shù)字濾波和信號解調(diào)，并將解調(diào)產(chǎn)生的數(shù)字信號輸出至計算機的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測模塊，該檢測模塊對其進行數(shù)據(jù)處理后得到陀螺載體的轉(zhuǎn)動角速度，并將測試結(jié)果通過信號檢測模塊界面輸出。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于虛擬儀器的諧振式光學(xué)陀螺信號檢測裝置及方法，屬于光學(xué)陀螺信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，包括信號調(diào)理模塊、采集單元A、采集單元B、FPGA控制單元和基于PXIe總線的計算機，檢測對象為光電混合模塊，光電混合模塊包括第一探測器、第二探測器、集成光學(xué)相位調(diào)制器和光源。本發(fā)明采用虛擬儀器模塊化硬件替代傳統(tǒng)的檢測電路，縮短了硬件開發(fā)時間，電路噪聲小，抗干擾能力強，提高陀螺精度。本發(fā)明基于labview虛擬儀器軟件對FPGA編程實現(xiàn)諧振式光學(xué)陀螺數(shù)字信號處理，依靠FPGA內(nèi)部豐富的資源及l(fā)abview圖形化編程的靈活性，可以快速地進行算法的驗證，加快諧振式光學(xué)陀螺的研發(fā)速度。
文檔編號G01C19/72GK102679971SQ20121013973
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者馮麗爽, 劉惠蘭, 張仰成, 粟妮, 郅銀周, 雷明 申請人:北京航空航天大學(xué)