专利名称：一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及光学陀螺信号检测技术领域，具体涉及一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测技术。
背景技术：
谐振式光学陀螺是基于萨格奈克效应的高精度惯性角速度传感器，由于它是无运动部件的全固态结构器件，具有体积小、动态范围大、精度高、启动时间短以及寿命长等优点，近年来受到越来越广泛的关注和研究。谐振式光学陀螺是靠检测旋转引起的谐振腔内顺逆时针两路光的谐振频率差来得到载体的角速度，由于萨格奈克效应极其微弱当集成光学环形谐振腔的环长为12. 8cm，工作波长为1550um时，1° /s的旋转角速率引起的谐振频率差仅为275Hz，该频差反映为探测器输出信号的微弱变化。因此信号检测技术在谐振式 光学陀螺的研究中占有重要地位。目前谐振式光学陀螺的研究仍处在实验室研究阶段，究其原因，主要是各种光学噪声和电路噪声极大限制了谐振式光学陀螺精度。在不改变光路的基础上，只能通过改变信号检测方法和信号处理算法来提高谐振式光学陀螺精度，而传统的检测电路噪声大，功能单一，设计周期长，并且程序优化和算法验证都比较困难，不利于信号检测的改进，严重影响了谐振式光学陀螺的研究进展。

发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，并结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，虚拟仪器技术已经广泛应用于汽车制造、航空航天、军事等领域，如基于NI模块化硬件与高效软件工具的无缝集成，为测试、控制和设计领域提供了一种统一的平台，提高了测控系统的开发效率。本发明提出的基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置不仅凭借虚拟仪器模块化硬件实现了检测功能的灵活性，更是基于虚拟仪器软件便于各种检测算法的验证，该发明有助于提高谐振式光学陀螺的信号检测技术。本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，包括信号调理模块、采集单元A、采集单元B、FPGA控制单元和基于PXIe总线的计算机组成，检测对象为光电混合模块，所述的光电混合模块包括第一探测器、第二探测器、集成光学相位调制器和光源。所述的信号调理模块通过四部分信号调理电路实现光电混合模块与采集单元A、采集单元B之间的接口信号匹配，四部分信号调理电路分别为(I)所述的信号调理模块对第一探测器输出的光强电压信号一方面经高通滤波、运算放大器模拟放大后输出至采集单元A的Al I端口，采集单元A将Al I端口的模拟信号转换为数字信号，并输出至FPGA控制单元；第一探测器输出的光强电压信号另一方面经电压跟随、电压比较后得到入谷判断数字信号，并输出至采集单元A的DIl端口，采集单元A将DII端口的入谷判断数字信号输出至FPGA控制单元，FPGA控制单元对上述两路数字信号处理后产生一路数字信号，并经采集单元A转换为模拟信号，经采集单元A的A02端口输出，并经信号调理模块运算放大器模拟放大后得到光源的PZT控制信号，然后将其输出至光电混合模块的光源的PZT控制端。(2)所述信号调理模块对第二探测器输出的光强电压信号经高通滤波、运算放大器模拟放大后输出至采集单元A的AI2端口，采集单元A将AI2端口的模拟信号转换为数字信号，并输出至FPGA控制单元，FPGA控制单元对上述数字信号处理后产生一路数字信号，并输出至计算机，经计算机数据处理，得到陀螺输出角速度。(3) FPGA控制单元在计算机的控制下循环产生一路调制波形数字信号，经采集单元A转换为模拟信号后由AOl端口输出，在信号调理模块将该路信号经运算放大器模拟放大后得到调制信号，然后将其输出至光电混合模块的集成光学相位调制器的电极接口。(4)光电混合模块中光源的温度输出信号经光源输出后,在信号调理模块将该路信号经运算放大器模拟放大后输出至采集单元B的AIl端口，采集单元B对光源温度输出信号进行A/D转换后得到数字温度信号，并输出至计算机，经计算机温度测试控制，完成对数字温度信号的处理，生成温度控制信号，并经采集单元B的D/A转换后，经AOl端输出至信号调理模块，经信号调理模块的运算放大器模拟放大后输出至光源的温度控制端。所述的基于PXIe总线的计算机为包含谐振式光学陀螺信号检测模块的计算机，该检测模块基于Iabview编程，得到人机界面，采集单元B和FPGA控制单元都是通过PXIe总线实现与计算机之间的通信。本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置的检测方法，包括以下几个步骤
步骤一通过计算机的谐振式光学陀螺信号检测模块设置调制波形参数和光源的工作温度参数，并运行该信号检测模块，Iabview软件自动将FPGA控制单元的FPGA程序加载到FPGA控制单元中运行；步骤二 谐振式光学陀螺信号检测模块经信号调理模块和采集单元B得到光源的温度信号，并对光源的温度进行反馈控制，信号检测模块按照设定的工作温度参数对光源的温度循环扫描控制，从而实现对光源的扫频；步骤三FPGA控制单元由信号调理模块和采集单元A得到入谷判断信号和第一探测器输出对应的数字信号，FPGA控制单元对第一探测器输出对应的数字信号进行数字滤波及信号解调，并根据入谷判断信号和解调数字信号反馈控制光源的PZT控制信号，同时，谐振式光学陀螺信号检测模块根据入谷判断信号和解调数字信号反馈控制光源的温度，采用温度和PZT控制信号分别对光源的出射频率进行粗调和微调，从而将光源的出射频率锁定在第一探测器输出谐振曲线的谐振谷底；步骤四FPGA控制单元由信号调理模块和采集单元A得到第二探测器输出对应的数字信号，对其进行数字滤波和信号解调，并将解调产生的数字信号输出至计算机的谐振式光学陀螺信号检测模块，该检测模块对其进行数据处理后得到陀螺载体的转动角速度，并将测试结果通过信号检测模块界面输出。本发明的优点在于
I、本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，采用虚拟仪器模块化硬件替代传统的检测电路，缩短了硬件开发时间，并且电路噪声小，抗干扰能力强，有利于陀螺精度的提闻。2、本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，基于Iabview虚拟仪器软件对FPGA编程实现谐振式光学陀螺数字信号处理，依靠FPGA内部丰富的资源及Iabview图形化编程的灵活性，可以快速地进行算法的验证，加快谐振式光学陀螺的研发速度。3、本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，基于Iabview虚拟仪器软件设计谐振式光学陀螺信号检测模块，能够得到友好的人机界面，便于调试参数的修改。



图I为本发明提出的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置的结构框图；图2为本发明提出的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置的功能框图。图中1_信号调理模块；2_采集单元A ;3_采集单元B ;4_FPGA控制单元；5-计算机；6_光电混合模块；7_第一探测器；8_第二探测器；9_集成光学相位调制器；10_光源。
具体实施例方式下面结合具体附图对本发明作进一步的详细说明本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，如图I所示，由信号调理模块I、采集单元A2、采集单元B3、FPGA控制单元4和基于PXIe总线的计算机5组成。本发明的检测对象为光电混合模块6,所述的光电混合模块6包括第一探测器7、第二探测器8、集成光学相位调制器9和光源10。所述的信号调理模块I通过信号调理电路实现光电混合模块6与采集单元A2、采集单元B3之间的接口信号匹配，其主要包括以下四部分调理电路(I)所述的信号调理模块I对第一探测器7输出的光强电压信号一方面经高通滤波、运算放大器模拟放大后输出至采集单元A2的AIl端口，采集单元A2将AIl端口的模拟信号转换为数字信号，并输出至FPGA控制单元4 ;第一探测器7输出的光强电压信号另一方面经电压跟随、电压比较后得到入谷判断数字信号，并输出至采集单元A2的DIl端口，采集单元A2将DIl端口的入谷判断数字信号输出至FPGA控制单元4。FPGA控制单元4对上述两路数字信号处理后产生一路数字信号，并经采集单元A2转换为模拟信号，经采集单元A2的A02端口输出，并经信号调理模块I运算放大器模拟放大后得到光源10的PZT控制信号，然后将其输出至光电混合模块6的光源10的PZT控制端。(2)所述信号调理模块I对第二探测器8输出的光强电压信号经高通滤波、运算放大器模拟放大后输出至采集单元A2的AI2端口，采集单元A2将AI2端口的模拟信号转换为数字信号，并输出至FPGA控制单元4，FPGA控制单元4对上述数字信号处理后产生一路数字信号，并输出至计算机5，经计算机5数据处理，得到陀螺输出角速度。
(3) FPGA控制单元4在计算机5的控制下循环产生一路调制波形数字信号，经采集单元A2转换为模拟信号后由AOl端口输出，在信号调理模块I将该路信号经运算放大器模拟放大后得到调制信号，然后将其输出至光电混合模块6的集成光学相位调制器9的电极接口。(4)光电混合模块6中光源10的温度输出信号经光源10输出后,在信号调理模块I将该路信号经运算放大器模拟放大后输出至采集单元B3的Al I端口，采集单元B3对光源温度输出信号进行A/D转换后得到数字温度信号，并输出至计算机5，经计算机5温度测试控制，完成对数字温度信号的处理，生成温度控制信号，并经采集单元B3的D/A转换后，经AOl端输出至信号调理模块I，经信号调理模块I的运算放大器模拟放大后输出至光源10的温度控制端。所述信号调理模块I使用的所有运算放大器的放大倍数均为可调，即通过更改运
算放大器外围电路的电阻阻值来改变运算放大器的增益。所述的采集单元A2优选为NIFlexRIO适配器模块，该模块模拟输入的最大采样率为lOOMS/s，模拟输出的最大采样率为400MS/s。所述采集单元A2的DIl端口为采集单元A2的数字输入端口 A，AIl端口为采集单元A2的模拟输入端口 A，AI2端口为采集单元A2的模拟输入端口 B，AOl端口为采集单元A2的模拟输出端口 A，A02为采集单元A2的模拟输出端口 B。采集单元A2的功能为将AIl端口的模拟信号进行A/D转换后输出至FPGA控制单元4的数字输入端；将AI2端口的模拟信号进行A/D转换后输出至FPGA控制单元4的数字输入端；将011端口的数字信号直接输出至FPGA控制单元4的数字输入端；将FPGA输出的一路数字信号进行D/A转换后输出至采集单元A2的AOl端口 ；将FPGA输出的另一路数字信号进行D/A转换后输出至采集单元A2 的 A02 端口。所述的采集单元B3优选为NI DAQ模块，该模块模拟输入的最大采样率为2MS/s，模拟输出的最大采样率为2. 86MS/s。所述的AIl为采集单元B3的模拟输入端口 A，A01为采集单元B3的模拟输出端口 A。采集单元B3的功能为将AIl端口的模拟信号进行A/D转换后输出至PXIe总线；将PXIe总线输出的数字信号进行D/A转换后输出至采集单元B3的AOl 端口。所述的FPGA控制单元4优选为NI FlexRIO FPGA模块，采集单元A2与FPGA控制单元4之间通过FPGA控制单元4的数字I/O 口进行通信。FPGA控制单元4可以基于计算机5的Iabview虚拟仪器软件对FPGA控制单元4进行控制，完成对谐振式光学陀螺的数字
信号处理。所述的基于PXIe总线的计算机5为包含谐振式光学陀螺信号检测模块的计算机5，该检测模块基于Iabview编程，可以得到友好的人机界面，完成高效的测试任务。采集单元B3和FPGA控制单元4都是通过PXIe总线实现与计算机5通信的。所述谐振式光学陀螺信号检测模块包含三部分功能测试数据处理、调制信号控制和光源温度控制。(I)测试数据处理=FPGA控制单元4将第二探测器8输出对应的数字信号处理后输出至计算机5，计算机信号检测模块将该路信号除以标度因数后得到陀螺的输出角速度。(2)调制信号控制通过计算机5信号检测模块设置调制信号参数，并根据设置产生调制信号参数数据，并将该数据通过PXIe总线输出至FPGA控制单元4，从而控制FPGA控制单元4产生相应的调制波形数据。(3)光源温度控制通过计算机信号检测模块设置光源10的工作温度范围，并根据光源温度输出对应的数字信号产生反馈控制光源温度的数字信号，从而对光源10的温度进行控制。本发明提出的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，实现的功能有信号调理功能、A/D转换功能、D/A转换功能、数字信号处理功能和计算机检测处理功倉泛。所述的信号调理功能为将光电混合模块6的输出信号转换为与采集单元A2和采集单元B3匹配的输入信号，以及将采集单元A2和采集单元B3的输出信号转换为与光电混合模块6匹配的输入信号。信号调理功能包括由第一探测器 7的输出得到入谷判断数字信号并将其转换为采集单元A2的DII端口的数字信号输入，将第一探测器7的输出的光强电压信号转换为采集单元A2的Al I端口的模拟信号输入，将第二探测器8的输出的光强电压信号转换为采集单元A2的AI2端口的模拟信号输入，将采集单元A2的AOl端口输出的模拟信号转换为调制信号，将采集单元A2的AOl端口输出的模拟信号转换为光源10的PZT控制信号，将光源温度输出信号转换为采集单元B3的AIl端口的模拟信号输入，以及将采集单元B3的AOl端口输出的模拟信号转换为光源温度控制信号。所述的A/D转换功能、D/A转换功能完成信号调理模块I和FPGA控制单元4之间，以及信号调理模块I和计算机5之间的模/数、数/模转换。A/D、D/A转换功能包括将采集单元A2的DIl端口的数字入谷判断数字信号直接输出至FPGA控制单元4，将采集单元A2的AIl端口的模拟信号转换为FPGA控制单元4的数字信号输入，将采集单元A2的AI2端口的模拟信号转换为FPGA控制单元4的数字信号输入，将FPGA控制单元4循环产生的调制波形数字信号转换为采集单元A2的AOl端口的模拟输出信号，将FPGA控制单元4产生的PZT控制数字信号转换为采集单元A2的A02的模拟输出信号，将采集单元B3的AIl端口的模拟输入信号转换为计算机5的数字信号输入，将计算机5产生的温度控制数字信号转换为采集单元B3的AOl端口的模拟输出信号。数字信号处理功能所述的数字信号处理功能首先根据谐振式光学陀螺信号检测模块设置的调制波形参数数据生成一个周期的调制波形数据，然后循环的将调制波形数据发送至采集单元A2的D/A输入端，从而产生所需的调制信号。其次对第一探测器7输出对应的数字信号进行数字滤波及信号解调，并根据入谷判断信号判断光源中心频率是否被调节到谐振谷频率范围内。当光源中心频率在谐振谷频率范围内时，根据信号解调输出产生反馈控制数字信号，反馈控制数字信号一方面由采集单元A2经D/A转换后反馈控制光源10的PZT，另一方面经计算机信号检测模块和采集单元B3处理后反馈控制光源10的温度，从而完成对光源10的闭环频率跟踪，将光源出射频率调节至谐振谷中心。然后对第二探测器8输出对应的数字量数据进行数字滤波及信号解调，并将解调输出的数字信号通过PXIe总线发送给计算机5，计算机信号检测模块对该数字信号进行数据处理，对第二探测器8输出信号解调输出的数字信号中包含着陀螺转速的有用信息。计算机检测处理功能谐振式光学陀螺信号检测模块首先设置调制波形的参数和光源10的工作温度参数，并控制FPGA控制单元4产生调制波形数据并循环发送；然后根据FPGA控制单元4产生的反馈控制数字信号和光源10的温度输出对应的数字信号完成对光源温度的控制，实现对光源的扫频及频率跟踪；该模块还对第二探测器8输出解调输出的数字信号进行数据处理，从而得到谐振式光学陀螺载体的转动角速度，并将测试结果通过检测模块界面输出，达到谐振式光学陀螺信号检测的目的。
本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置的检测方法，具体包括以下几个步骤步骤一通过计算机5的谐振式光学陀螺信号检测模块设置调制波形参数和光源10的工作温度参数，并运行该信号检测模块，此时Iabview软件自动将FPGA控制单元4的FPGA程序加载到FPGA控制单元4中运行。步骤二 谐振式光学陀螺信号检测模块经信号调理模块I和采集单元B3得到光源10的温度信号，并对光源10的温度进行反馈控制，信号检测模块按照设定的工作温度参数对光源10的温度循环扫描控制，从而实现对光源10的扫频。步骤三FPGA控制单元4由信号调理模块I和采集单元A2得到入谷判断信号和第一探测器7输出对应的数字信号，FPGA控制单元4对第一探测器7输出对应的数字信号进行数字滤波及信号解调，并根据入谷判断信号和解调数字信号反馈控制光源10的PZT控制信号。同时，谐振式光学陀螺信号检测模块根据入谷判断信号和解调数字信号反馈控制光源10的温度。采用温度和PZT控制信号分别对光源10的出射频率进行粗调和微调，从而将光源10的出射频率锁定在第一探测器7输出谐振曲线的谐振谷底。步骤四FPGA控制单元4由信号调理模块I和采集单元A2得到第二探测器8输出对应的数字信号，对其进行数字滤波和信号解调，并将解调产生的数字信号输出至计算机5的谐振式光学陀螺信号检测模块，该检测模块对其进行数据处理后得到陀螺载体的转动角速度，并将测试结果通过信号检测模块界面输出。
权利要求
1.一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于包括信号调理模块、采集单元A、采集单元B、FPGA控制单元和基于PXIe总线的计算机，检测对象为光电混合模块，所述的光电混合模块包括第一探测器、第二探测器、集成光学相位调制器和光源； 所述的信号调理模块通过四部分信号调理电路实现光电混合模块与采集单元A、采集单元B之间的接口信号匹配，四部分信号调理电路分别为 (1)所述的信号调理模块对第一探测器输出的光强电压信号一方面经高通滤波、运算放大器模拟放大后输出至采集单元A的AIl端口，采集单元A将AIl端口的模拟信号转换为数字信号，并输出至FPGA控制单元；第一探测器输出的光强电压信号另一方面经电压跟随、电压比较后得到入谷判断数字信号，并输出至采集单元A的DII端口，采集单元A将DII端口的入谷判断数字信号输出至FPGA控制单元，FPGA控制单元对上述两路数字信号处理后产生一路数字信号，并经采集单元A转换为模拟信号，经采集单元A的A02端口输出，并经信号调理模块运算放大器模拟放大后得到光源的PZT控制信号，然后将其输出至光电混合模块的光源的PZT控制端； (2)所述信号调理模块对第二探测器输出的光强电压信号经高通滤波、运算放大器模拟放大后输出至采集单元A的AI2端口，采集单元A将AI2端口的模拟信号转换为数字信号，并输出至FPGA控制单元，FPGA控制单元对上述数字信号处理后产生一路数字信号，并输出至计算机，经计算机数据处理，得到陀螺输出角速度； (3)FPGA控制单元在计算机的控制下循环产生一路调制波形数字信号，经采集单元A转换为模拟信号后由AOl端口输出，在信号调理模块将该路信号经运算放大器模拟放大后得到调制信号，然后将其输出至光电混合模块的集成光学相位调制器的电极接口 ； (4)光电混合模块中光源的温度输出信号经光源输出后，在信号调理模块将该路信号经运算放大器模拟放大后输出至采集单元B的AIl端口，采集单元B对光源温度输出信号进行A/D转换后得到数字温度信号，并输出至计算机，经计算机温度测试控制，完成对数字温度信号的处理，生成温度控制信号，并经采集单元B的D/A转换后，经AOl端输出至信号调理模块，经信号调理模块的运算放大器模拟放大后输出至光源的温度控制端； 所述的基于PXIe总线的计算机为包含谐振式光学陀螺信号检测模块的计算机，该检测模块基于Iabview编程，得到人机界面，采集单元B和FPGA控制单元都是通过PXIe总线实现与计算机之间的通信。
2.根据权利要求I所述的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于所述的信号调理模块的每个信号调理电路所采用的运算放大器的放大倍数均为可调，通过更改运算放大器外围电路的电阻阻值来改变运算放大器的增益。
3.根据权利要求I所述的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于所述的采集单元A为NI FlexRIO适配器模块，最大采样率为lOOMS/s，模拟输出的最大采样率为400MS/s。
4.根据权利要求I所述的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于所述的采集单元B为NI DAQ模块，该模块模拟输入的最大采样率为2MS/s，模拟输出的最大采样率为2. 86MS/s。
5.根据权利要求I所述的一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于所述的FPGA控制单元为NI FlexRIO FPGA模块，采集单元A与FPGA控制单元之间通过FPGA控制单元的数字I/O 口进行通信。
6.一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置的检测方法，其特征在于包括以下几个步骤 步骤一通过计算机的谐振式光学陀螺信号检测模块设置调制波形参数和光源的工作温度参数，并运行该信号检测模块，Iabview软件自动将FPGA控制单元的FPGA程序加载到FPGA控制单元中运行； 步骤二 谐振式光学陀螺信号检测模块经信号调理模块和采集单元B得到光源的温度信号，并对光源的温度进行反馈控制，信号检测模块按照设定的工作温度参数对光源的温度循环扫描控制，从而实现对光源的扫频； 步骤三FPGA控制单元由信号调理模块和采集单元A得到入谷判断信号和第一探测器输出对应的数字信号，FPGA控制单元对第一探测器输出对应的数字信号进行数字滤波及信号解调，并根据入谷判断信号和解调数字信号反馈控制光源的PZT控制信号，同时，谐振式光学陀螺信号检测模块根据入谷判断信号和解调数字信号反馈控制光源的温度，采用温度和PZT控制信号分别对光源的出射频率进行粗调和微调，从而将光源的出射频率锁定在第一探测器输出谐振曲线的谐振谷底； 步骤四FPGA控制单元由信号调理模块和采集单元A得到第二探测器输出对应的数字信号，对其进行数字滤波和信号解调，并将解调产生的数字信号输出至计算机的谐振式光学陀螺信号检测模块，该检测模块对其进行数据处理后得到陀螺载体的转动角速度，并将测试结果通过信号检测模块界面输出。
全文摘要
本发明提出一种基于虚拟仪器的谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，属于光学陀螺信号检测技术领域，包括信号调理模块、采集单元A、采集单元B、FPGA控制单元和基于PXIe总线的计算机，检测对象为光电混合模块，光电混合模块包括第一探测器、第二探测器、集成光学相位调制器和光源。本发明采用虚拟仪器模块化硬件替代传统的检测电路，缩短了硬件开发时间，电路噪声小，抗干扰能力强，提高陀螺精度。本发明基于labview虚拟仪器软件对FPGA编程实现谐振式光学陀螺数字信号处理，依靠FPGA内部丰富的资源及labview图形化编程的灵活性，可以快速地进行算法的验证，加快谐振式光学陀螺的研发速度。
文档编号G01C19/72GK102679971SQ20121013973
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者冯丽爽, 刘惠兰, 张仰成, 粟妮, 郅银周, 雷明 申请人:北京航空航天大学