一种用于原子陀螺的光弹调制控制器的制作方法

本发明涉及一种用于原子陀螺的光弹调制控制器，是一种能够实现对光弹调制驱动控制信号频率和幅值控制的数字系统，属于光弹调制技术的数字技术领域。

背景技术：

惯性导航技术在国防建设和国民经济等领域具有重要意义，而陀螺仪是惯性导航系统的关键传感器。随着量子精密测量技术的快速发展，基于原子自旋效应的原子陀螺仪以其超高的理论精度，有望应用于新一代战略武器系统中。SERF原子自旋陀螺样机采用PEM对检测激光进行相位调制，并要求PEM工作在小角度调制状态，检测陀螺输出信号。

TudorN.Buican等人在2006年研制出了一种多PEM串接式谐振频率跟踪系统，理论上可以将多支路PEM稳定在同一相位及频率下，但实现难度大，且跟理论效果存在一定差距。现在市面上已有的Hinds公司的商品PEM-100是通用PEM控制器，没有专门为小角度调制应用进行设计，在进行小角度调制时不够可靠，而且它的体积比较大，不利于SERF原子自旋陀螺样机的集成化和小型化。北京航空航天大学研制的SERF原子自旋陀螺样机在工作过程中，PEM会因为自身热耗散导致自身温度改变，固有频率会因温度的改变发生漂移，引起光弹调制的不稳定和调制效率下降，因此要求PEM驱动频率要实时跟踪谐振频率。另外，样机要求PEM工作在小角度调制状态，也就是说要保证PEM相位调制幅度足够小，在PEM带宽范围内，PEM电流有效值可作为相位延迟调制幅度的度量，稳定PEM电流有效值即可稳定PEM相位延迟调制幅度。北京航空航天大学梁青等人于2015年在中国惯性技术学会第七届学术年会上发表的《一种用于原子陀螺的PEM控制器的设计与实现》中研制的用于原子陀螺的PEM控制器采用模拟电路实现，虽短时间内能达到与商品PEM-100大致相当的性能，但该模拟控制电路中锁相环的压控振荡器采用廉价的贴片阻容元件来设定上下限频率，实际使用中发现元件参数漂移比较严重，直接影响到了压控振荡器的下限频率，严重的时候造成电路不能正常起振，即造成失锁，并且该控制电路使用范围窄，只能用于固定谐振频率的PEM调制，如果要应用于不同谐振频率的PEM，需要更换电路中的电阻电容等器件，不利于控制电路长时稳定运行。

因此，PEM需要专门的驱动电路提供驱动信号，使驱动信号满足两个要求，第一个是使驱动信号频率实时跟踪PEM谐振频率，以保持调制效率最高，第二个是稳定电流有效值以稳定PEM相位延迟调制幅度。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：为了克服现有PEM控制器的不足，提供一种用于原子陀螺的光弹调制控制器，驱动信号频率实时跟随PEM谐振频率、稳定PEM电流有效值的数字式PEM控制器，该数字式控制器能够灵活地应用于不同谐振频率的PEM。

本发明的技术解决方案是：一种用于原子陀螺的光弹调制控制器，由PEM电流电压采样模块、A/D、D/A转换模块、FPGA数字化闭环控制模块、高压运放模块组成。其中电流电压采样模块将流过PEM的电流和PEM两端电压进行采样和滤波，输入至A/D转换模块；A/D转换模块将采样得到的模拟信号转化为数字信号后输送至FPGA数字化闭环控制模块；FPGA数字化闭环控制模块控制输出的驱动信号频率跟踪PEM谐振频率，同时稳定PEM的电流幅值，将输出的信号送至D/A转换模块；D/A转换模块将FPGA输出的数字控制信号转化为模拟信号后送至高压运放模块；高压运放模块将由D/A转换模块输出的方波信号转换为幅值被放大的同频正弦信号，驱动PEM工作。

所述的电流电压采样模块中，通过电压衰减电路和带通滤波电路提取PEM两端的电压信号，通过电压放大电路和带通滤波电路提取流过PEM的电流信号。

所述的A/D转换模块将采样得到的模拟信号转化为数字信号后输送至FPGA数字化闭环控制模块。

所述的FPGA数字化闭环控制模块选用Xilinx的Spartan6系列XC6SLX45-2CSG324FPGA作为核心处理器，包括跟踪PEM谐振频率模块和稳定PEM电流幅值模块。其中，跟踪PEM谐振频率模块是由PI控制器A、数字锁相环(DPLL)和直接数字式频率合成器(DDS)组成的复合PI-DPLL-DDS频率跟踪方法，实现PEM驱动控制信号实时跟踪PEM的谐振频率；稳定PEM电流幅值模块根据A/D转换模块输出的数字电流采样信号，通过在FPGA内进行软件编程计算出电流有效值，之后与设定的电流有效值进行比较，输入至PI控制器B，通过PI控制算法实现PEM电流有效值的稳定。

所述的D/A转换模块将FPGA输出的数字控制信号转化为模拟信号，以驱动后续高压运放模块。

所述的高压运放模块将由D/A转换模块输出的方波信号转换为幅值被放大的同频正弦信号，达到驱动PEM的目的。

本发明的原理是：光弹调制器是由各项同性的光学晶体和压电驱动器组成、利用透明光学材料的光弹效应制成的谐振式偏振调制器件。光学晶体和压电驱动器经过匹配，具有相同的机械谐振频率，压电驱动器在交流电压作用下产生周期性的机械振动，带动光学晶体做受迫振动，使光学晶体产生周期性双折射，进而使透过的偏振光的相位延迟量产生周期性变化，实现对偏振光相位的调制。

当PEM驱动信号输出频率等于谐振频率时，驱动效率最高，但是环境温度的变化和PEM自身的热耗散会导致其谐振频率发生漂移，如果采用固定频率输出的驱动信号驱动PEM将不利于PEM长时间稳定工作，因此PEM驱动信号输出频率必须实时跟踪谐振频率，以保持最高的驱动效率。通过分析PEM电学等效模型，可以得出PEM等效阻抗的相频特性为：

其中，ω₀为PEM谐振频率，ω为驱动频率。因此PEM等效阻抗相位与存在一一对应关系，改变等效阻抗相位就能改变的值，特别地，当等效阻抗相位为0时，ω＝ω₀，驱动频率等于谐振频率。PEM等效阻抗相位为0也就是PEM两端电压和电流的相位差为0，因此保持PEM两端电压与流过PEM的电流的相位差为0即可保证驱动频率跟踪谐振频率。

另外，在PEM带宽范围内，PEM的机械振幅与电流幅值成正比，而PEM电流是正弦信号，其有效值可以作为电流幅值的度量，因此PEM电流有效值可作为相位延迟调制幅度的度量，稳定PEM电流有效值即可稳定PEM相位延迟调制幅度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明一种用于原子陀螺的光弹调制控制器，除A/D、D/A转换和高压运放外均采用FPGA进行数字化实现，系统设计灵活、自动化程度高。与现有技术相比由于避免了模拟电路中元器件温漂的影响，从而具备可靠性高、工作稳定、调节方便等优点。

(2)本发明通过PI控制、数字锁相环和DDS技术相结合的复合频率自动跟踪方法，可以同时弥补PLL跟踪频率范围窄、易出现误跟踪、容易失锁以及DDS杂散抑制差的不足，结合PI控制、DPLL和DDS各自的优点，利用PI控制实现频率的粗调、DPLL实现频率的精调、DDS输出频率等于谐振频率的信号，以达到跟踪频率可调、跟踪频率范围广、跟踪速度快、跟踪精度高、满足不同谐振频率PEM的控制需求。

(3)本发明通过在FPGA内用编程实现电流有效值的计算和利用PI算法实现电流有效值的稳定，采用数字PI控制可以避免模拟PI调节的繁琐过程，提高PI调节的速度和精度，使PEM相位延迟调制幅度能够稳定。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的信号采集与AD转换原理框图；

图3为本发明的FPGA数字化闭环控制模块组成框图；

图4为本发明的高压运放电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括电流采样模块1、A/D转换模块2、电压采样模块3、FPGA数字化闭环控制模块4，D/A转换模块5，高压运放模块6。其中电流采样模块1通过采样电阻将流过PEM的电流信号转化为电压信号并进行放大和带通滤波后，输入至A/D转换模块2；A/D转换模块2将采样得到的模拟电压信号转化为数字信号后输送至FPGA数字化闭环控制模块4；同理，电压采样模块3将PEM两端电压进行采样和带通滤波后，输入至A/D转换模块2；A/D转换模块2将采样得到的模拟电压信号转化为数字信号后输送至FPGA数字化闭环控制模块4；FPGA数字化闭环控制模块4控制驱动信号输出的频率跟踪PEM谐振频率，同时稳定PEM的电流幅值，将输出的信号送至D/A转换模块5；D/A转换模块5将FPGA输出的数字控制信号转化为模拟信号后送至高压运放模块6；高压运放模块6将由D/A转换模块5输出的方波信号转换为幅值被放大的同频正弦信号，驱动PEM。

如图2所示，本发明的PEM电流电压信号采集与A/D转换过程为:将PEM驱动电压信号通过电压衰减和带通滤波后变为幅值大小合适的正弦交流电压，再通过A/D转换模块2转换为数字信号；PEM电流经过采样电阻后转换为电压信号，经过电压放大和带通滤波后变为幅值大小合适的正弦交流电压，再通过A/D转换模块2转换为数字信号。之后，两路分别从ADC输出的带有PEM电流、电压信息的数字信号输入至FPGA数字化闭环控制模块4，以供FPGA进行后续处理。

如图3所示，本发明的FPGA数字化闭环控制模块4由数字鉴相器9、PI控制器A10、数字锁相环11、频率控制字程序12、直接数字式频率合成器(DDS)13、电流有效值计算程序14、电流有效值PI控制器B15组成。其中，数字鉴相器9、PI控制器A10、数字锁相环11、频率控制字程序12、直接数字式频率合成器(DDS)13共同组成PEM谐振频率跟踪模块7，数字鉴相器9通过检测PEM驱动电压和电流的采样数字信号的上升沿，产生与PEM电流、电压相位差成正比的电压信号。将这个相位差电压信号与已经设计好的一个相位误差设定值进行比较，当相位误差大于误差设定值时，利用PI数字控制器A10进行相位误差修正，依靠闭环控制快速地将相位误差减小到数字锁相环11的锁相范围；当PEM电流、电压相位误差小于误差设定值时，利用数字锁相环11进行快速频率跟踪控制。从PI数字控制器A10或数字锁相环11输出的控制信号输入至频率控制字程序12，产生合适的频率控制字控制直接数字式频率合成器(DDS)13产生输出频率等于PEM谐振频率的信号，实现对PEM谐振频率的跟踪。电流有效值计算程序14、电流有效值PI控制器B15组成PEM电流幅值稳定模块8，将PEM电流采样数字信号输入至电流有效值计算程序14，有效值计算程序14根据一个采样周期内的n个采样点的采样值X_i(i＝1，2，...，n)，求出n个采样值X_i(i＝1，2，...，n)的平方和的平均值，所得结果是在一个采样周期内采样值的有效值，为了提高计算精度，可以计算m个采样周期的有效值取平均后作为最终的有效值计算结果，其中最终的有效值计算公式为之后将X_RMS与设定的电流有效值参考信号一起输入至PI控制器B15，通过PI控制算法产生合适的控制电压输入至直接数字式频率合成器(DDS)13，实现对PEM电流幅值的稳定。这样，由直接数字式频率合成器(DDS)13产生频率跟踪谐振频率、幅值稳定的输出信号，输入至D/A转换模块5。FPGA芯片选用Xilinx的Spartan6系列的XC6SLX45-2CSG324FPGA，并采用VerilogHDL语言进行编程。

如图4所示，本发明的高压运放模块6接收来自D/A转换模块5输出的频率跟踪谐振频率、幅值稳定的正弦信号，通过由OPA561和LC组成的谐振升压电路产生高压驱动信号,其中，OPA561是一个具有大电流输出能力的高速运算放大器，能够输出可以驱动LC升压电路的大电流。LC串联谐振频率为在选择L、C值时应该满足等于PEM谐振频率。

总之，本发明可实现光弹调制驱动频率跟踪谐振频率，使光弹调制器工作效率最高；同时稳定光弹调制电流幅值，以保证光弹调制器工作在小角度调制状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。