PCI-9846在光学陀螺频率锁定跟踪研究中的应用

• 作者

张荣(第一作者) 男 1983.9 长春理工大学助理研究员 长春理工大学电子技术专业 现从事自动检测和控制方面的研究工作。

张秋鄂(主要作者) 女 1951.10长春理工大学研究员

• 应用领域

新型惯性导航传感设备研究

• 挑战

惯导测试设备的研究作为我国新型战略高新传感技术的分支领域具有重要的研究价值，然而在进行光学萨格奈克效应为基础的研究中，怎样快速准确的将光学谐振频率锁定，并且进行实时跟踪是此项技术的关键所在。由于激光谐振频率参数值都在GHz量级，每次锁定的谐振频率的差值在KHz量级上，所以怎样在极宽的频谱范围内跟踪上KHz以下的小范围频带，这其中关键是数据采集卡的采集速度和采集精确度要满足快速高精度的技术需求。

• 解决方案

本方案数据采集及外部控制方面采用凌华科技PCI-9846和PCI6208两块板卡。配合上位机测试处理软件实现基本功能研究，达到了比较理想的研究效果。

首先选用凌华PCI-9846数据板卡作为陀螺模拟信号的采集数据终端，通过对谐振腔的顺时、逆时针两路光频的解调信号进行实时同步采集，然后通过PCI总线接口，配合上位机软件分析处理，将反馈控制数据信号通过PCI6208 DA板卡控制外部设备。软件设计将两块板卡的功能协调运行，达到综合测试研究的目的。

摘要

本文介绍了一种新型谐振式光学陀螺的频率自动锁定技术，通过选用凌华PCI-9846高速数据采集控制板卡和PCI-6208模拟输出板卡以及外部检测设备，结合高效的软件设计进行谐振式光学陀螺的谐振频率的实时锁定以及陀螺转动信号的检测输出。通过实际测试，该系统能很好的运用于光学陀螺的实时测试运算，并且软件的灵活性以及兼容性都得到很大改善，为下一步进行陀螺的小型化设计奠定技术基础。

1 引 言

光学陀螺是基于光学萨格奈克效应的一种惯性导航测量设备，该项技术综合惯性仪表理论、现代控制理论、计算机处理技术、微纳加工技术等现代工程技术于一体，广泛运用于陆海空天等诸多惯导运用领域，比如导弹、火箭、卫星、太空探测器、飞机、水面舰船、潜艇、车辆、机器人、钻井测斜及天线稳定装置等。

现有的陀螺仪主要分为机电式陀螺和光学陀螺，其中机电式陀螺由于可靠性，抗冲击性等局限逐渐被光学陀螺所取代，其中光学陀螺又分为激光陀螺和光纤陀螺，当前国内外主要多光纤陀螺进行研究运用，其中包含谐振式和干涉式两种，其中干涉型陀螺已经在多种惯性系统中得到运用，而谐振式陀螺目前还处于实验室研究阶段，它具有短光纤、小型化、无Shupe误差等优点，其作为下一代光学陀螺的主流技术代表具有十分重要的研究意义【1】。

2 陀螺检测基本原理

图1为光学陀螺检测原理示意图，图1中光纤激光器输出中心频率为 的高相干激光，该相干光经PZT进行频率为 的调制后通过保偏耦合器将激光耦合进入光学谐振环，谐振腔输出信号由InGaAs-PIN光电探测器转换为微电信号，该微电信号进入锁相放大器进行小信号解调，解调出的信号随即进行数字采集送入计算机进行软件处理【2】。其中调制信号发生器产生 进行正弦波调制，一路进行PZT光频调制，一路送入锁相放大器作为输出信号的解调参考输入。

设激光器输出光场表示为：

式中： 表示第一类贝塞尔函数， 为耦合器的理想耦合比， 为谐振腔输出谱线宽度， 为PZT

调制频率， 为激光器输出角频率与环形腔谐振频率 的差值， 为谐振环中光子半衰期。

由式(4)得知，B项相位与调制信号的相位相差 ，利用锁相放大器解调出包含有旋转角速度信息的B，图2为锁相放大器解调输出曲线仿真示意图，在解调曲线的线性工作区间，解调输出信号的幅值 和陀螺的旋转角速度 成简单的线性关系，通过解调输出的信号幅度值即可得到相应的旋转角速度数值。其中 时，即 点为谐振环的谐振频率。本项目即通过优化系统设计达到谐振点的自动锁定和动态跟踪的研究目的。

图3为陀螺检测系统原理图， FL(光纤激光器)输出经频率调制后的激光，由C1(3dB耦合器)分成两束分束比为1:1的子光路，一路通过AOFS1(声光移频器1)后由C2耦合器进入谐振腔沿逆时针光路进行传输通过C4耦合到C3通过PD1(光电探测器1)进行光电探测输出，PD1经过LIA1(锁相放大器1)进行相关检测解调输出小信号，把该路信号定义为逆时针解调分路信号，逆时针分路输出信号用于系统谐振点锁定。