一种小型化三轴光纤陀螺调制解调线路的制作方法

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其是一种小型化三轴光纤陀螺调制解调线路。

背景技术：

惯性导航系统具有完全自主性、强抗干扰性、高度隐蔽性等特点，是海、陆、空、天、潜等领域武器系统所必需的关键定位导航设备。同时也对惯性定位导航设备在精度、反应能力、恶劣环境适应性、小型化、低成本等方面也逐步提出了更高的要求。作为惯性定位导航设备核心元器件的陀螺，其发展一直深刻影响着惯性技术的发展。其中光纤陀螺具有全固态、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻等优点，已成为新一代惯性制导测量系统中的主导器件。

陀螺是导航设备的核心，陀螺的性能、尺寸和成本很大程度上决定了整个设备的性能、尺寸和成本。通过光源共享、光学元件集成、光学参数匹配，在放宽光学元件技术要求、降低器件成本的基础上提高光纤陀螺的综合性能。良好的光纤陀螺一体化热设计、磁屏蔽设计、密封设计、低成本设计是实现系统轻小型化，降低系统成本，提高光纤陀螺环境适应性的关键技术。

在单轴光纤陀螺中，调制解调线路完成的主要工作是：接收探测器输出的包含Sagnac相移的电信号→对微弱信号进行滤波放大→对放大后的模拟信号进行数模转换→在数字处理芯片中进行解调运算→解调输出的含有转速信息的调制信号→调制信号进行数模转换→调制信号的滤波放大。图1给出了数字闭环光纤陀螺调制解调的最简方案，要实现三轴光纤陀螺仪的调制解调，就要分别对每一轴进行上述处理，并且将处理之后由数字信号表示的转速信号以一定的协议及时序进行输出。

传统意义上的处理方案为：三路环圈分别配搭一路完整的调制解调线路，并将三路的输出信号经过特定的协议及时序处理后统一输出。这种方案的优点是三路的数字信号彼此独立，仅在数字输出时进行统一，降低了三轴之间的信号串扰，也就减低了线路的设计难度。但是，该方案由于使用了三块独立的调制解调线路，增大了线路板的面积；另一方面，部分芯片的重复使用也增加了线路成本。不利于小型化、低成本三轴光纤陀螺的设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、结构紧凑且成本低廉的小型化三轴光纤陀螺调制解调线路。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种小型化三轴光纤陀螺调制解调线路，包括FPGA模块、第1路滤波放大电路及其模数转换电路、第2路模数转换电路及其模数转换电路、第3路滤波放大电路及其模数转换电路、第1路数模转换电路及其滤波放大电路、第2路数模转换电路及其滤波放大电路、第3路数模转换电路及其滤波放大电路，三路滤波放大电路分别与三个探测器信号相连接并经模数转换电路输入到FPGA模块中，FPGA模块经处理后经三路数模转换电路及滤波放大电路输出三路调制信号。

所述FPGA模块内设置有第1路解调模块及其第二回路补偿模块、第2路解调模块及其第二回路补偿模块、第3路解调模块及其第二回路补偿模块，实现每路信号的解调及第二回路补偿功能。

所述FPGA模块内还设有上位机通信模块，该上位机通信模块与RS422模块相连接并将解调输出的转速信号送到上位机以及光纤陀螺角度的数字输出。

本发明的优点和积极效果是：

本发明将三路探测器信号送入同一块FPGA芯片，分别进行解调运算，并将运算结果分别输出，除每一路信号必须的模拟放大滤波芯片外，所有数字信号均由一块FPGA芯片进行数字处理；同时，采用软件方案来实现第二回路补偿运算的功能，省去了独立的串行数模转换芯片，从而大大节约了线路板面积，减少了芯片的重复使用，降低了成本。

附图说明

图1是三轴小型化光纤陀螺的光路结构示意图；

图2是本发明的小型化三轴光纤陀螺调制解调线路方框图；

图3是本发明的光纤陀螺调制解调过程示意图；

图4是四态调制下存在增益误差时探测器输出波形图；

图5是本发明的光纤陀螺第二回路解调运算原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本发明的设计思想为：

第一、对三个环圈进行调制解调，就要针对三个环圈的本征频率分别进行解调运算。在三轴一体小型化调制解调线路中要求三个环圈的长度在1米范围内，如果以1200米的环圈为例，那么三只环圈的长度在1199米至1200米之间，本征频率误差在70Hz以内，可以使用同一调制频率对三轴进行解调运算而不会产生犹豫调制频率误差造成的尖峰脉冲不对称性，从而对陀螺的全温零偏重复性造成影响。因此，本发明可以使用一个晶振，经过数字锁相处理后生成同一全局时钟，对三路信号同时进行调制解调运算。

第二，对数字处理芯片，三轴共用一片FPGA芯片。在每一路信号经过单独的滤波放大之后，通过模数转换芯片送入数字处理芯片进行解调运算。因此，本发明将三路信号送入同一块FPGA芯片，分别进行解调运算，并将运算结果分别输出。即除每一路信号必须的模拟放大滤波芯片外，所有数字信号均由一块FPGA芯片进行数字处理，大大节约了线路板面积，减少了芯片的重复使用，降低了成本。

第三，在高精度光纤陀螺中，前向通道和反馈回路的增益都会随温度等因素发生漂移，而这种飘移是相对低频的。实际电路中所使用的电子原件由于PCB设计不合理、环境温度变化等影响会出现性能的劣化，并且电子芯片供电电源带来的漂移也会影响运算放大器的增益误差，这些内部和外部的因素交织在一起都将带来反馈通道增益误差。这种漂移造成的增益误差是无法通过奇偶相减来消除的，必须进行专门的补偿设计。也就是第二回路控制措施。本发明中针对第二回路补偿也采取了专门的措施。

在传统方案中，往往是通过一单独的串行数模转换芯片来对Y波导的半波电压进行实时的调整运算。对不同温度下的半波电压，通过第二回路的补偿运算得到不同的数字信息，并将此数字信号通过上述独立的串行数模转换芯片转换成半波电压参考值。这样对三轴陀螺来说，就需要三片单独的串行数模转换芯片来完成每一路的第二回路补偿运算。在一种简化方案中，通过特殊芯片的选择，可以选择具有3路输出的串行数模转换芯片，通过修改软件算法，从而实现一块芯片控制三路信号的第二回路补偿运算的功能。

本发明采用软件方案来实现第二回路补偿运算的功能。在第二回路中，不同温度下半波电压会有不同。通过第二回路补偿回路计算出不同温度下的半波电压值，并以数字量的形式表示。作为系数与输出的二次积分阶梯波、偏置波相乘，得到最终完整的调制信号。省去了独立的串行数模转换芯片。

基于上述设计思路，针对图1给出的三轴小型化光纤陀螺光路结构设计三轴一体小型化光纤陀螺调制解调线路。首先对三轴小型化光纤陀螺光路结构进行说明，该光路结构由一个大功率ASE光源、1×3耦合器、三个2×2耦合器、3个Y波导集成光学器件、3个光纤环圈以及3个探测器组成。从大功率ASE光源发出的光，经过1×3耦合器分为3路相同的光信号，分别为三轴提供输入光信号。每一路陀螺中，光源发出的光经过2×2耦合器后被分成两路光，一路进入陀螺光路，通过Y波导集成光学器件后被分成两路进入光纤环圈，从光纤环圈出来的干涉光通过耦合器后进入光电探测器。在环圈制作方面，3只采用多极对称绕法的光纤线圈长度差控制在1m之内。

如图2所示，三轴一体小型化光纤陀螺调制解调线路包括FPGA模块、第1路滤波放大电路及其模数转换电路、第2路模数转换电路及其模数转换电路、第3路滤波放大电路及其模数转换电路、第1路数模转换电路及其滤波放大电路、第2路数模转换电路及其滤波放大电路、第3路数模转换电路及其滤波放大电路及RS422模块，3个滤波放大电路分别与三个探测器信号相连接并经模数转换电路后输入到FPGA模块中，FPGA模块经处理后经三路数模转换电路及滤波放大电路输出三路调制信号。FPGA模块内设置有第1路解调模块及其第二回路补偿模块、第2路解调模块及其第二回路补偿模块、第3路解调模块及其第二回路补偿模块和上位机通信模块，该上位机通信模块与RS422模块相连接，RS422模块将解调输出的转速信号以固定的收发协议传送到上位机，及光纤陀螺角度都的数字输出。

三轴一体小型化光纤陀螺调制解调线路的调制解调原理如图2所示，探测器将采集到的电信号通过滤波放大电路，经过模数转换芯片传送到FPGA中，在FPGA中经过解调计算后得到的调制信号通过后级数模转换电路及滤波放大电路施加到Y波导电极，形成闭环反馈。

由于温度变化、电源供电电压的纹波噪声等因素的影响，反馈回路的增益会产生变化，光电探测器的输出干涉信号发生改变。以四态调制为例，如图5所示。通过对输出误差的解调运算，实时调整2π电压值，达到全温范围内2π复位的准确性，这也就是光纤陀螺第二回路解调运算。传统意义上，进行第二回路解调运算需要引入额外的串行DA数模转换器，将第二回路解调出的不同条件下的2π电压值通过穿行DA输出。这样会引入额外的芯片，不利于三轴调制解调线路的小型化设计。本发明通过软件方式实现上述功能，具体实现方法是通过FPGA模块还实现。如图5所示，FPGA模块包括第一回路调制解调输出模块、第二回路解调模块，第二回路解调模块解调出不同条件下的2π电压值，将2π电压值转化为不同的比例系数K，并将系数K与第一回路调制解调输出模块输出的阶梯波相乘，从而实时补偿修正系数K，达到实时补偿第二回路的效果。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。