本文介紹了一種新型諧振式光學(xué)陀螺的頻率自動(dòng)鎖定技術(shù)，通過(guò)選用凌華PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集控制板卡和PCI-6208模擬輸出板卡以及外部檢測(cè)設(shè)備，結(jié)合高效的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行諧振式光學(xué)陀螺的諧振頻率的實(shí)時(shí)鎖定以及陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)輸出。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)能很好的運(yùn)用于光學(xué)陀螺的實(shí)時(shí)測(cè)試運(yùn)算，并且軟件的靈活性以及兼容性都得到很大改善，為下一步進(jìn)行陀螺的小型化設(shè)計(jì)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷，聲光移頻器,光纖激光器，諧振環(huán)，鎖相放大器。

1引言

光學(xué)陀螺是基于光學(xué)薩格奈克效應(yīng)的一種慣性導(dǎo)航測(cè)量設(shè)備，該項(xiàng)技術(shù)綜合慣性?xún)x表理論、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)、微納加工技術(shù)等現(xiàn)代工程技術(shù)于一體，廣泛運(yùn)用于陸?？仗斓戎T多慣導(dǎo)運(yùn)用領(lǐng)域，比如導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、太空探測(cè)器、飛機(jī)、水面艦船、潛艇、車(chē)輛、機(jī)器人、鉆井測(cè)斜及天線穩(wěn)定裝置等。

現(xiàn)有的陀螺儀主要分為機(jī)電式陀螺和光學(xué)陀螺，其中機(jī)電式陀螺由于可靠性，抗沖擊性等局限逐漸被光學(xué)陀螺所取代，其中光學(xué)陀螺又分為激光陀螺和光纖陀螺，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要多光纖陀螺進(jìn)行研究運(yùn)用，其中包含諧振式和干涉式兩種，其中干涉型陀螺已經(jīng)在多種慣性系統(tǒng)中得到運(yùn)用，而諧振式陀螺目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，它具有短光纖、小型化、無(wú)Shupe誤差等優(yōu)點(diǎn)，其作為下一代光學(xué)陀螺的主流技術(shù)代表具有十分重要的研究意義【1】。

2陀螺檢測(cè)基本原理

圖1為光學(xué)陀螺檢測(cè)原理示意圖，圖1中光纖激光器輸出中心頻率為的高相干激光，該相干光經(jīng)PZT進(jìn)行頻率為的調(diào)制后通過(guò)保偏耦合器將激光耦合進(jìn)入光學(xué)諧振環(huán)，諧振腔輸出信號(hào)由InGaAs-PIN光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為微電信號(hào)，該微電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器進(jìn)行小信號(hào)解調(diào)，解調(diào)出的信號(hào)隨即進(jìn)行數(shù)字采集送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件處理【2】。其中調(diào)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生進(jìn)行正弦波調(diào)制，一路進(jìn)行PZT光頻調(diào)制，一路送入鎖相放大器作為輸出信號(hào)的解調(diào)參考輸入。

圖1光學(xué)陀螺檢測(cè)原理示意圖

設(shè)激光器輸出光場(chǎng)表示為：

⑴

式中：分別為激光器輸出光場(chǎng)幅度和角頻率。則在光電探測(cè)器處的輸出光強(qiáng)表示為【3】：

⑵

其中：

（3）

⑷

式中：J表示第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)，為耦合器的理想耦合比，為諧振腔輸出譜線寬度，為PZT

調(diào)制頻率，為激光器輸出角頻率與環(huán)形腔諧振頻率的差值，為諧振環(huán)中光子半衰期。

由式（4）得知，B項(xiàng)相位與調(diào)制信號(hào)的相位相差90°，利用鎖相放大器解調(diào)出包含有旋轉(zhuǎn)角速度信息的B，圖2為鎖相放大器解調(diào)輸出曲線仿真示意圖，在解調(diào)曲線的線性工作區(qū)間，解調(diào)輸出信號(hào)的幅值V和陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，通過(guò)解調(diào)輸出的信號(hào)幅度值即可得到相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)值。其中時(shí)，即點(diǎn)為諧振環(huán)的諧振頻率。本項(xiàng)目即通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到諧振點(diǎn)的自動(dòng)鎖定和動(dòng)態(tài)跟蹤的研究目的。

圖2解調(diào)輸出曲線仿真示意圖

圖3為陀螺檢測(cè)系統(tǒng)原理圖，F(xiàn)L（光纖激光器）輸出經(jīng)頻率調(diào)制后的激光，由C1（3dB耦合器）分成兩束分束比為1:1的子光路，一路通過(guò)AOFS1（聲光移頻器1）后由C2耦合器進(jìn)入諧振腔沿逆時(shí)針光路進(jìn)行傳輸通過(guò)C4耦合到C3通過(guò)PD1（光電探測(cè)器1）進(jìn)行光電探測(cè)輸出，PD1經(jīng)過(guò)LIA1（鎖相放大器1）進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)解調(diào)輸出小信號(hào)，把該路信號(hào)定義為逆時(shí)針解調(diào)分路信號(hào)，逆時(shí)針?lè)致份敵鲂盘?hào)用于系統(tǒng)諧振點(diǎn)鎖定。信號(hào)送入凌華PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道1進(jìn)行同步數(shù)字采樣，數(shù)字信號(hào)通過(guò)PCI總線與陀螺測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，經(jīng)過(guò)陀螺諧振點(diǎn)自鎖定算法運(yùn)算后將待鎖定誤差反饋給DA運(yùn)算單元，軟件將當(dāng)前反饋控制數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)PCI總線送入凌華PCI-620816-bits數(shù)字模擬輸出板卡，PCI-6208輸出3路模擬反饋輸出信號(hào)，分別控制PZT（壓電陶瓷晶體）的基準(zhǔn)偏置電壓和AOFS1，AOFS2的光頻移頻控制電壓。

系統(tǒng)自控算法根據(jù)控制因子參數(shù)進(jìn)行自鎖定，當(dāng)待鎖定范圍比較大時(shí)進(jìn)行PZT光源調(diào)整，當(dāng)待鎖范圍處于聲光移頻器的鎖定誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光細(xì)鎖操作。當(dāng)系統(tǒng)鎖定到諧振點(diǎn)靜態(tài)誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)逆時(shí)針?lè)致锋i定完成,檢測(cè)軟件自動(dòng)計(jì)算出諧振頻率并暫存記為。

圖3為陀螺檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

逆時(shí)針?lè)致愤M(jìn)行諧振點(diǎn)自鎖的同時(shí)，另一路光路通過(guò)AOFS2(聲光移頻器2)由C3耦合器進(jìn)入諧振腔沿順時(shí)針光路進(jìn)行傳輸通過(guò)C4耦合到C2通過(guò)PD2進(jìn)行光電探測(cè)輸出，PD2(光電探測(cè)器2)經(jīng)過(guò)LIA2(鎖相放大器2)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)輸出，此路輸出信號(hào)用于陀螺開(kāi)環(huán)模擬輸出，與此同時(shí)，該模擬信號(hào)通過(guò)凌華PCI-9846高速多通道同步采集板卡通道2進(jìn)行同步數(shù)字采樣，軟件反饋計(jì)算與逆時(shí)針?lè)致凡僮黝?lèi)似。

當(dāng)順時(shí)針子系統(tǒng)鎖定到諧振點(diǎn)靜態(tài)誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)順時(shí)針?lè)致锋i定完成,檢測(cè)軟件自動(dòng)計(jì)算出諧振頻率并暫存記為。

在上述情況下，通過(guò)諧振點(diǎn)鎖定算法得到逆時(shí)針和順時(shí)針光波的諧振頻率和，當(dāng)陀螺靜止時(shí)，，當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，順逆時(shí)針光路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)諧振頻差，有：

⑸

由于，將該式代入上式得到：

⑹

其中m為整數(shù)，表示諧振腔的縱模數(shù)量；L是諧振腔的周長(zhǎng)；n為光纖的折射率；S為光纖諧振腔所圍的面積，

為光源波長(zhǎng)，為旋轉(zhuǎn)角速率。通過(guò)上式可得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率為：

⑺

另外說(shuō)明：當(dāng)對(duì)于N匝的光纖諧振腔，周長(zhǎng)L變?yōu)镹L，面積S變?yōu)镹S，變?yōu)?img alt="" src="http://fs10.chuandong.com/upload/images///20141104/329CCCF2FC85689Cm.png" style="width: 29px; height: 24px;" />，然而。從上式可以看出，對(duì)于多圈諧振腔與僅有一匝光纖的諧振腔公式相同，對(duì)于諧振式光纖陀螺，增加匝數(shù)即增加光纖長(zhǎng)度，其自由譜范圍(FSR)減小，相應(yīng)地降低了精細(xì)度，因此不能增大薩格奈克效應(yīng)。只有精細(xì)度一定，才能通過(guò)增加光纖匝數(shù)提高諧振式光纖陀螺的檢測(cè)靈敏度。

3電控檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控檢測(cè)系統(tǒng)分為前級(jí)信號(hào)調(diào)理（光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、相關(guān)檢測(cè)部分）、多通道同步AD轉(zhuǎn)換部分、多通道DA轉(zhuǎn)換部分、聲光驅(qū)動(dòng)部分、PZT驅(qū)動(dòng)部分。系統(tǒng)原理圖如圖4所示

圖4電控檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

3.1前級(jí)信號(hào)調(diào)理部分

光纖陀螺850nm波長(zhǎng)一般選用Si-PIN光電探測(cè)器，1310nm和1550nm波長(zhǎng)選用InGaAs-PIN光電探測(cè)器，與普通探測(cè)器相比具有：1、暗電流較??；2、靈敏度高；3、復(fù)合噪聲較??；4、結(jié)電容較小，改善頻率響應(yīng)；5、響應(yīng)波長(zhǎng)范圍較寬。為了使PIN光電探測(cè)器達(dá)到最佳屬性，采用PIN-FET組和電路設(shè)計(jì)，PIN管反偏高輸出阻抗，與FET的高輸入阻抗相匹配，同時(shí)減小了外部干擾和雜散電容，大大降低了熱噪聲，這對(duì)低噪聲器件應(yīng)用設(shè)計(jì)大有益處。

對(duì)于探測(cè)器組件，主要技術(shù)指標(biāo)是其增益、帶寬以及噪聲水平。探測(cè)器組件的增益上限為最大光功率入射情況下使其輸出不飽和的最大值。通常，探測(cè)器組件的帶寬是光纖陀螺本征頻率的10倍以上，在本設(shè)計(jì)應(yīng)用中，探測(cè)器的帶寬選在4MHz以上，從而避免調(diào)制失真現(xiàn)象發(fā)生。前置放大器之后連接隔直電路，濾掉探測(cè)器輸出信號(hào)的直流分量，為后續(xù)AD轉(zhuǎn)換器的采樣電壓提供良好的工作范圍。

光電探測(cè)器前置放大器的連接方式主要有3種：低阻抗、高阻抗和跨阻抗電路。低阻抗電路具有帶寬寬、噪聲低的特點(diǎn)，但整個(gè)電路的信噪比受放大器低輸入阻抗的影響；高輸入阻抗電路信噪比靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍及帶寬較低。跨阻抗連接具有靈敏度高、信噪比高、帶寬寬、動(dòng)態(tài)范圍適中等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用跨阻抗電路設(shè)計(jì)[4]。

前放的性能主要體現(xiàn)探測(cè)器組件的頻率、阻容、噪聲以及放大倍數(shù)等性能。圖5為探測(cè)電路的電路原理圖。

圖5探測(cè)器前置放大電路原理圖

第一級(jí)為場(chǎng)效應(yīng)管（FET）共源極放大器，F(xiàn)ET具有輸入阻抗高，熱噪聲低的特點(diǎn)，共源極接法有較高增益，輸入為電壓變量，輸出為電流變量，在放大區(qū)小信號(hào)工作時(shí)，可看作系數(shù)為G的線性跨導(dǎo)放大器。

第二級(jí)為PNP晶體管共基極放大器，R3,R4構(gòu)成直流偏置，C2為交流旁路，使基極與地交流短路，成為公共參考點(diǎn)，發(fā)射極輸入，集電極輸出。放大器的特點(diǎn)是頻率特性好、電壓增益高、無(wú)電流增益、輸入阻抗低、輸出阻抗高，正好與前后級(jí)匹配。

第三級(jí)為NPN晶體管共集電極放大器，此電路以集電極通過(guò)電源回路成為公共參考點(diǎn)，基極輸入，發(fā)射極輸出，又稱(chēng)射極跟隨器。其特點(diǎn)是頻率特性好、電壓無(wú)增益、輸出跟隨基極電壓、輸入阻抗高、輸出阻抗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

三級(jí)放大器件匹配良好，組成了一個(gè)頻率特性好、噪聲低、電壓電流增益都比較高、輸入對(duì)前級(jí)加載輕，輸出對(duì)后級(jí)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的放大通路。

3.2AD/DA設(shè)計(jì)

AD/DA設(shè)計(jì)采用凌華公司的PCI9846H板卡和PCI6208組合使用，配合上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理操控，項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)采用DAQ2501多功能數(shù)采板卡，也達(dá)到了不錯(cuò)的應(yīng)用效果，但是由于項(xiàng)目的參數(shù)深入設(shè)計(jì)需要達(dá)到同步高精度高采樣速率的需求，DAQ2501板卡的總AD采樣數(shù)率為400KHz/s，并且不能同步采集，在軟件設(shè)計(jì)上只有采用單通道分時(shí)采樣設(shè)計(jì)，這樣使程序設(shè)計(jì)不能進(jìn)行高速采集，并且受DA數(shù)率1MHz/s的限制，對(duì)外部3通道控制時(shí)效果不夠理想，使得在該設(shè)計(jì)中控制數(shù)率達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)[5]。

對(duì)此，我們選擇PCI9846H板卡進(jìn)行后續(xù)升級(jí)設(shè)計(jì)，由于PCI9846具有單通道40MS/s的采集速率，并且能進(jìn)行多通道同步采集，使軟件運(yùn)行速率大大提高，數(shù)字處理時(shí)間大大降低，相比DAQ2501其采集速率提高了100倍。并且采集精度為16bits，而DAQ2501僅為12bits，在采集精度上有以下運(yùn)算，當(dāng)采集范圍在±5V時(shí)：

DAQ2501采集精度為：=

PCI9046H采集精度為：=

從上述數(shù)值比較可以看出，采集精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖6所示為PCI9846數(shù)據(jù)采集通道原理框圖【5】。

圖6數(shù)據(jù)采集通道原理圖

4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)，其中子程序重點(diǎn)介紹諧振點(diǎn)自動(dòng)搜尋子程序和諧振點(diǎn)恒定子程序，其中這里面牽涉的鋸齒波掃頻、直流反饋控制（PZT）、PZT移頻值在線計(jì)算；聲光移頻器手動(dòng)/自動(dòng)控制，AOFS移頻在線反饋計(jì)算；順時(shí)/逆時(shí)針兩路同步采集反饋運(yùn)算；還有顯示輸出、轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)控制、人機(jī)交互、檢測(cè)報(bào)表輸出等部分省略介紹。

4.1主程序設(shè)計(jì)

圖7主程序設(shè)計(jì)

圖7為陀螺檢測(cè)主程序設(shè)計(jì)，程序上電運(yùn)行后進(jìn)入初始化參數(shù)設(shè)置子程序，對(duì)陀螺檢測(cè)面板上的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行程序初始化；然后程序進(jìn)入鋸齒波掃頻子程序，該步驟主要便于諧振點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)子程序?qū)χC振點(diǎn)的大致范圍進(jìn)行初步估計(jì)，由于自控算法對(duì)于越接近控制值附近控制時(shí)間越短，越有利于快速檢測(cè)需求，所以在該步加入鋸齒掃頻。當(dāng)鋸齒掃頻得到諧振點(diǎn)值的大致控制區(qū)間后，程序自動(dòng)進(jìn)行軟件控制參數(shù)修改刷新。然后程序停止鋸齒掃頻，進(jìn)入PZT直流反饋，PZT直流反饋經(jīng)過(guò)反饋算法計(jì)算反饋值大小，PZT僅對(duì)反饋進(jìn)行初調(diào)整，當(dāng)調(diào)整到期望值小誤差范圍時(shí)，程序進(jìn)行聲光細(xì)調(diào)整，其中PZT和聲光調(diào)整邏輯如下所示：

表1反饋邏輯調(diào)整表

由表1所示可以得出結(jié)論：對(duì)于PZT而言當(dāng)順時(shí)針輸出和逆時(shí)針輸出均大（?。┯?時(shí)，反饋操作應(yīng)進(jìn)行反饋數(shù)值加（減）控制，當(dāng)輸出波形產(chǎn)生180度相移時(shí)，反之操作。對(duì)于AOFS而言，當(dāng)控制相應(yīng)分路路時(shí)，當(dāng)誤差信號(hào)大（?。┯?時(shí)，應(yīng)在采取反饋操作信號(hào)小范圍內(nèi)減?。ㄔ黾樱┱{(diào)節(jié)電壓，減小（增加）光頻。

通過(guò)上述PZT和聲光移頻器聯(lián)合反饋調(diào)整，將系統(tǒng)CCW路調(diào)整到諧振點(diǎn)，并通過(guò)PZT移頻值在線計(jì)算和AO移頻在線反饋計(jì)算得到當(dāng)前諧振點(diǎn)所處的頻率值，并將該值進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該存儲(chǔ)區(qū)間值可進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新操作。為便于系統(tǒng)參數(shù)分析，固定大小區(qū)間的存儲(chǔ)值可通過(guò)軟件調(diào)出，進(jìn)行報(bào)表輸出分析。

當(dāng)CCW路諧振點(diǎn)得到控制后，系統(tǒng)對(duì)CW也進(jìn)行上述運(yùn)算控制，由于系統(tǒng)的PZT初調(diào)整已得到控制，此時(shí)僅對(duì)CW的控制聲光移頻器進(jìn)行細(xì)操作找到CW路的諧振點(diǎn)。當(dāng)陀螺靜止不動(dòng)時(shí)，CCW和CW路探測(cè)得到的諧振頻率應(yīng)該相等，此時(shí)得到的旋轉(zhuǎn)頻率差值為零，當(dāng)陀螺以某角速率旋轉(zhuǎn)時(shí)，得到的CCW與CW路的諧振頻差通過(guò)計(jì)算子程序（前面介紹的薩格奈克效應(yīng)推算公式）在線計(jì)算出當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角速率，并顯示存儲(chǔ)輸出。

4.2諧振點(diǎn)自動(dòng)搜尋子程序

諧振點(diǎn)自動(dòng)搜尋子程序通過(guò)程序控制參數(shù)和反饋算法將采集得到的諧振點(diǎn)差值轉(zhuǎn)化為反饋的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行反饋控制。數(shù)值傳輸函數(shù)流程圖如圖8所示。

圖8諧振點(diǎn)自動(dòng)搜尋傳遞函數(shù)示意圖

從圖8可以看出，設(shè)當(dāng)前通路解調(diào)輸出信號(hào)函數(shù)為（經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)域信號(hào)拉氏轉(zhuǎn)換的來(lái)）輸入，控制期望信號(hào)輸出為，其中極點(diǎn)添加函數(shù)再次起到減小控制波動(dòng)干擾的目的，是控制邏輯避免產(chǎn)生震蕩干擾控制的影響，系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)控制反饋參數(shù)中P，a，b的數(shù)值以及極點(diǎn)級(jí)數(shù)即極點(diǎn)值，達(dá)到快速反饋控制的目的，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)諧振點(diǎn)自動(dòng)搜尋鎖定的目的。圖9為諧振點(diǎn)自動(dòng)鎖定子程序流程示意圖。該控制邏輯請(qǐng)參考與表1中反饋邏輯關(guān)系。

圖9.諧振點(diǎn)自鎖子程序流程示意圖

5系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為光電轉(zhuǎn)換信號(hào)檢測(cè)、激光器掃頻解調(diào)信號(hào)檢測(cè)、諧振點(diǎn)自鎖信號(hào)檢測(cè)、系統(tǒng)反饋信號(hào)檢測(cè)、聲光模擬轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)測(cè)試、轉(zhuǎn)臺(tái)控制測(cè)試、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試等。本文僅部分測(cè)試進(jìn)行測(cè)試說(shuō)明。

5.1調(diào)制解調(diào)信號(hào)測(cè)試

光電轉(zhuǎn)換信號(hào)檢測(cè)部分主要為了檢測(cè)諧振腔的光學(xué)特性，通過(guò)采用PCI6208生成三角波掃頻信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行頻率掃頻，得到圖10系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)光電探測(cè)器輸出信號(hào)測(cè)試圖。

激光器掃頻解調(diào)信號(hào)檢測(cè)曲線測(cè)試即陀螺測(cè)試系統(tǒng)中兩路鎖相放大器的模擬輸出解調(diào)曲線，圖11為測(cè)試采用四通道示波器進(jìn)行顯示輸出。圖11中紅線為示波器通道1信號(hào)，該信號(hào)為CW路即諧振點(diǎn)實(shí)時(shí)鎖定路顯示輸出，藍(lán)線為示波器通道2信號(hào)，該信號(hào)為CCW路即開(kāi)環(huán)輸出陀螺信號(hào)顯示輸出，其中綠線為示波器通道3信號(hào)，該信號(hào)為掃頻（反饋）信號(hào)的顯示輸出。（注：以下輸出測(cè)試顯示均以該規(guī)則進(jìn)行演示輸出。）

（A）CH2系統(tǒng)掃頻三角波圖形

（B）CH1系統(tǒng)未調(diào)制吸收峰測(cè)試圖形1（C）CH1系統(tǒng)調(diào)制后吸收峰測(cè)試圖形2

圖10系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)光電探測(cè)器輸出信號(hào)測(cè)試圖

圖11激光器掃頻解調(diào)信號(hào)檢測(cè)

從圖11看出，盡管探測(cè)器輸出信號(hào)有少許不一致，但是經(jīng)過(guò)對(duì)外光路的微小調(diào)節(jié)和鎖相放大器的調(diào)節(jié)同樣能達(dá)到解調(diào)曲線輸出重合性比較好的狀態(tài)，這對(duì)后續(xù)陀螺信號(hào)的檢測(cè)提供了很好的前提條件。從圖11所實(shí)測(cè)的解調(diào)輸出圖形與圖2所示仿真圖形形態(tài)類(lèi)似，說(shuō)明系統(tǒng)當(dāng)前所處的測(cè)試狀態(tài)與理論是相符合的。

5.2諧振點(diǎn)鎖定信號(hào)測(cè)試

諧振點(diǎn)自鎖信號(hào)檢測(cè)測(cè)試圖形如圖12所示，諧振點(diǎn)鎖定測(cè)試是為了檢驗(yàn)諧振點(diǎn)鎖定系統(tǒng)的鎖定效果，包括諧振點(diǎn)由失鎖狀態(tài)到鎖定狀態(tài)的鎖定時(shí)間，鎖定時(shí)過(guò)沖幅值參數(shù)的測(cè)試。

（a）參數(shù)1                                                （b）參數(shù)2

圖12諧振點(diǎn)鎖定特性試驗(yàn)圖

圖12（a）所做的測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在調(diào)整幅值為0.05，積分時(shí)間參數(shù)為60的前提下實(shí)驗(yàn)圖形，可以準(zhǔn)確讀出諧振點(diǎn)由1伏鎖到0伏時(shí)所花費(fèi)的鎖定時(shí)間為600ms,鎖定的過(guò)沖幅值為140mV。

圖12（b）所做的測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在調(diào)整幅值為0.05，積分時(shí)間參數(shù)為75的前提下實(shí)驗(yàn)圖形，可以準(zhǔn)確讀出諧振點(diǎn)由1伏鎖到0伏時(shí)所花費(fèi)的鎖定時(shí)間為960ms,鎖定的過(guò)沖幅值為24mV。

比較圖12（a）和圖12（b）兩幅圖可以得出結(jié)論，當(dāng)增加時(shí)間時(shí)可以得到很好的鎖定現(xiàn)象，即鎖定過(guò)沖能控制到很小，但是鎖定時(shí)間增加了，這充分證明了控制理論的控制時(shí)間和過(guò)沖幅值的相矛盾的特點(diǎn)。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)，找到比較合適的時(shí)間-幅值配比，得到合適的實(shí)驗(yàn)條件。

5.3模擬轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)測(cè)試

圖13為聲光模擬轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)測(cè)試，聲光模擬轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)測(cè)試是對(duì)實(shí)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在CW路諧振點(diǎn)鎖定的前提下，通過(guò)改變CCW路聲光驅(qū)動(dòng)1的移頻頻率，在四通道示波器上讀出當(dāng)前的開(kāi)環(huán)輸出模擬信號(hào)幅值，來(lái)等效當(dāng)前陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的等效速率。在此試驗(yàn)中結(jié)合軟件的等效掃頻測(cè)量模式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示：

圖13等效測(cè)量模式下的不同移頻值測(cè)試曲線圖

圖13中不同移頻值的對(duì)應(yīng)曲線正方向（中頻與移頻值之和）移頻往下，反方向（中頻與移頻值之差）移頻往上，從圖13中六幅測(cè)試波形圖可以看出，移頻值的大小決定當(dāng)前輸出信號(hào)幅值的大小。

5.4系統(tǒng)零漂測(cè)試

零漂測(cè)試是系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)靜止不動(dòng)，在四通道示波器上觀察陀螺兩路輸出解調(diào)信號(hào)幅值隨時(shí)間的變化關(guān)系，在此測(cè)試了6秒、12秒、30秒、60秒的零漂，測(cè)試波形圖如圖14所示。

圖14陀螺靜態(tài)時(shí)的不同時(shí)間零漂測(cè)試波形圖

從圖14可以看出，陀螺的零漂幅值隨時(shí)間的增加有所起伏波動(dòng)，但是其波動(dòng)值小于40mV,在12秒測(cè)試時(shí)的零漂值小于25mV。達(dá)到了比較好的靜態(tài)零漂效果。

6總結(jié)

在本項(xiàng)目試驗(yàn)中，采用凌華科技PCI-9846和PCI-6208板卡結(jié)合凌華工控機(jī)等主要硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，配合上位機(jī)系統(tǒng)軟件及外光路等諸多光、機(jī)、電、算設(shè)備器件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)及運(yùn)用。對(duì)光學(xué)陀螺系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到了很好的測(cè)試結(jié)果。其中凌華科技的模組器件在其中起到了很大的作用，體現(xiàn)了很高的技術(shù)水平，在軟件的結(jié)合上面能很好的與我們的測(cè)試試驗(yàn)軟件進(jìn)行無(wú)縫銜接，大大縮短了項(xiàng)目的研制周期，為項(xiàng)目的最終順利完成驗(yàn)收起到了相當(dāng)大的作用。

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