本發(fā)明屬于諧振式光纖陀螺技術(shù)，涉及一種諧振式光纖陀螺諧振跟蹤電路、數(shù)字調(diào)相裝置及調(diào)相方法。

背景技術(shù)：

諧振式光纖陀螺集成了激光陀螺和干涉式光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)，能夠利用很短的光纖以及低成本實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航級(jí)及更高級(jí)別的性能。其測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)通過將窄線寬激光器頻率時(shí)刻鎖定至敏感光纖環(huán)的諧振頻率，而敏感光纖環(huán)的諧振頻率由載體轉(zhuǎn)速確定。諧振頻率跟蹤技術(shù)是諧振式光纖陀螺的核心技術(shù)之一，其跟蹤精度直接關(guān)系到諧振式光纖陀螺的精度。

諧振頻率跟蹤技術(shù)的核心是相敏解調(diào)(又稱作相干解調(diào))電路，而相敏解調(diào)電路的重要調(diào)節(jié)步驟之一是實(shí)現(xiàn)解調(diào)參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)之間的相位調(diào)節(jié)，用于完成相位調(diào)節(jié)的裝置就稱為調(diào)相裝置。

諧振式光纖陀螺中光纖諧振環(huán)對(duì)環(huán)境敏感性高，光纖諧振環(huán)的諧振峰工作點(diǎn)具有隨溫度快速變化(典型參數(shù)下，每攝氏度諧振峰變化1000個(gè)光纖諧振環(huán)的自由譜寬)的特點(diǎn)，很難具有一個(gè)恒定的相位差?，F(xiàn)有技術(shù)為了保證解調(diào)參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)之間的相位差趨于零，一般采用模擬電路進(jìn)行調(diào)相，但這種方式所獲得的零相位差會(huì)隨時(shí)間而變化，直接影響諧振跟蹤電路的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：提供一種能夠在諧振式光纖陀螺的相敏解調(diào)電路中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)相位調(diào)節(jié)的數(shù)字調(diào)相裝置及調(diào)相方法。

另外還提供一種采用該諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置的諧振跟蹤電路。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置，其包括余弦函數(shù)查找表模塊、第一乘法器、第二乘法器、正弦函數(shù)查找表模塊、第一低通濾波器、第二低通濾波器、移相器、相位差計(jì)算模塊，其中，所述第一乘法器的輸入端同時(shí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和余弦函數(shù)查找表模塊連接，其輸出端經(jīng)第一低通濾波器連接到相位差計(jì)算模塊，第二乘法器輸入端同時(shí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和正弦函數(shù)查找表模塊連接，其輸出端經(jīng)第二低通濾波器分兩路一路連接到相位差計(jì)算模塊，另一路連接到第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)正弦函數(shù)查找表模塊輸出端和相位差計(jì)算模塊之間還連接有移相器，該移相器輸出外接第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

所述余弦函數(shù)查找表模塊、第一乘法器、第二乘法器、正弦函數(shù)查找表模塊、第一低通濾波器、第二低通濾波器、移相器、相位差計(jì)算模塊均集成在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列上。

所述余弦函數(shù)查找表模塊和正弦函數(shù)查找表模塊均基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列內(nèi)的存儲(chǔ)資源。

所述第一低通濾波器、第二低通濾波器的截止頻率的取值在由正弦函數(shù)查找表模塊中所存儲(chǔ)的正弦信號(hào)頻率的1/20～1/10范圍之內(nèi)。

一種諧振跟蹤電路，其包括前處理電路11、模數(shù)轉(zhuǎn)換器12、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、以及權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置，其中，前處理電路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后與諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置內(nèi)的第一乘法器及第二乘法器連接，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別連接在諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置的第二低通濾波器和移相器。

一種諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相方法，其模數(shù)轉(zhuǎn)換器12的輸出利用第一乘法器21和第二乘法器22，分別與余弦函數(shù)查找表模塊20及正弦函數(shù)查找表模塊23相乘，第一乘法器21和第二乘法器22的輸出分別經(jīng)第一低通濾波器24和第二低通濾波器25，輸入到相位差計(jì)算模塊27，相位差計(jì)算模塊27的輸出計(jì)算出解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差，通過移相器26對(duì)正弦函數(shù)查找表模塊23的輸出進(jìn)行延時(shí)，從而改變調(diào)制信號(hào)D26與解調(diào)參考信號(hào)D23之間的相位差，因?yàn)榇庹{(diào)信號(hào)D12是由調(diào)制信號(hào)D26經(jīng)過第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器15、相位調(diào)制器3、光纖諧振環(huán)6、第一光電探測(cè)器8所組成的物理鏈路而得到的，使得待解調(diào)信號(hào)D12與調(diào)制信號(hào)D26之間存在固定的相位差，所以通過調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)D26與解調(diào)參考信號(hào)D23之間的相位差就能夠改變解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差，使得解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差趨于零。

所述相位差計(jì)算模塊27的輸出結(jié)果根據(jù)所得到的第一低通濾波器和第二低通濾波器的輸出，計(jì)算出解調(diào)參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)之間的相位差

$D27=arctan\left(\frac{D24}{D25}\right)$

其中，D27是解調(diào)參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)之間的相位差，D24是第一低通濾波器的輸出，D25是第二低通濾波器的輸出。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：本發(fā)明針對(duì)諧振式光纖陀螺中光纖諧振環(huán)對(duì)環(huán)境敏感性高，諧振峰工作點(diǎn)隨溫度快速變化(典型參數(shù)下，每攝氏度諧振峰變化1000個(gè)光纖諧振環(huán)的自由譜寬)的特點(diǎn)，提出了一種基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器+現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列+數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字調(diào)相裝置及調(diào)相方法。所述調(diào)相方法通過閉環(huán)反饋，可以消除光纖諧振環(huán)的蠕變效應(yīng)所帶來的解調(diào)參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)間的相位差變化，能夠在諧振式光纖陀螺的相敏解調(diào)電路中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)相位差調(diào)節(jié)，從而提高諧振式光纖陀螺控制電路的工作可靠性。

附圖說明

圖1是光纖諧振環(huán)頻率跟蹤系統(tǒng)示意圖；

其中，1-激光器，2-光纖耦合器，3-相位調(diào)制器，4-光纖，5-光纖耦合器，6-光纖諧振環(huán)，7-光纖耦合器，8-第一光電探測(cè)器，9-第二光電探測(cè)器，10-諧振跟蹤電路。

圖2是諧振跟蹤電路的原理框圖，

其中，11-前處理電路，12-模數(shù)轉(zhuǎn)換器，13-現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，14-第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，15-第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，20-余弦函數(shù)查找表模塊，21-第一乘法器，22-第二乘法器，23-正弦函數(shù)查找表模塊，24-第一低通濾波器，25-第二低通濾波器，26-移相器，27-相位差計(jì)算模塊，28-比例-積分-微分控制環(huán)節(jié)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：

請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置主要由前處理電路11，模數(shù)轉(zhuǎn)換器12，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器14和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器15組成。

在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13內(nèi)部，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器12中所采集的信號(hào)與余弦函數(shù)查找表模塊20及正弦函數(shù)查找表模塊23分別相乘(利用第一乘法器21和第二乘法器22)，第一乘法器21和第二乘法器22的輸出分別經(jīng)過第一低通濾波器24和第二低通濾波器25，進(jìn)入相位差計(jì)算模塊27。相位差計(jì)算模塊27的輸出根據(jù)所得到的第一低通濾波器24和第二低通濾波器25的輸出計(jì)算出解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差，從而通過移相器26改變正弦函數(shù)查找表模塊的相位移動(dòng)量，進(jìn)而改變調(diào)制信號(hào)D26的相位差，因?yàn)榇庹{(diào)信號(hào)D12是由調(diào)制信號(hào)D26經(jīng)過第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器15、相位調(diào)制器3、光纖諧振環(huán)6、第一光電探測(cè)器8所組成的物理鏈路而得到的，使得待解調(diào)信號(hào)D12與調(diào)制信號(hào)D26之間存在固定的相位差，使得解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差趨于零。

所述余弦函數(shù)查找表模塊20及正弦函數(shù)查找表模塊23，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13中的存儲(chǔ)器資源實(shí)現(xiàn)，余弦函數(shù)查找表模塊20中以數(shù)組形式存儲(chǔ)著在0～2π的范圍內(nèi)等間距分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)的余弦函數(shù)值，正弦函數(shù)查找表模塊23中以數(shù)組形式存儲(chǔ)著在0～2π的范圍內(nèi)等間距分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)的正弦函數(shù)值。

所述第一乘法器21和第二乘法器22，可由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13內(nèi)的硬件乘法器資源實(shí)現(xiàn)，或者通過硬件描述語言對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13進(jìn)行硬件編程，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13內(nèi)的邏輯資源實(shí)現(xiàn)。

所述第一低通濾波器24和第二低通濾波器25的截止頻率的取值應(yīng)當(dāng)在由正弦函數(shù)查找表模塊23中所存儲(chǔ)的正弦信號(hào)頻率的1/20～1/10內(nèi)，以在保證相位檢測(cè)精度的前提下，避免引入過大的延時(shí)。

所述相位差計(jì)算模塊27，根據(jù)第一低通濾波器24和第二低通濾波器25的輸出先進(jìn)行除法運(yùn)算后，進(jìn)行反正切運(yùn)算得出，其中除法及反正切運(yùn)算在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列13通過硬件描述語言采用CORDIC算法(Coordinate Rotation Digital Computer，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法)實(shí)現(xiàn)，其公式為：

$D27=arctan\left(\frac{D24}{D25}\right)---\left(0.1\right)$

諧振跟蹤電路的核心是相敏解調(diào)(又稱作相干解調(diào))電路，而相敏解調(diào)電路的重要調(diào)節(jié)步驟之一是實(shí)現(xiàn)解調(diào)參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)之間的相位調(diào)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)所述相位調(diào)節(jié)的軟硬件就稱為調(diào)相裝置。在諧振跟蹤電路實(shí)際工作時(shí)，所述數(shù)字調(diào)相電路保證解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12的相位差趨于零，從而使得相敏解調(diào)電路的效率最高，進(jìn)而提高諧振式光纖陀螺控制電路的工作可靠性。

本發(fā)明諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相方法實(shí)際工作時(shí)，當(dāng)解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間存在固定且不為零的相位差時(shí)，相位差計(jì)算模塊27所計(jì)算得到的相位差不為零，從而驅(qū)動(dòng)移相器26，改變調(diào)制信號(hào)D26與解調(diào)參考信號(hào)D23之間的相位差。因待解調(diào)信號(hào)D12是由調(diào)制信號(hào)D26經(jīng)過第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器15、相位調(diào)制器3、光纖諧振環(huán)6、第一光電探測(cè)器8所組成的物理鏈路而得到的，所以待解調(diào)信號(hào)D12與調(diào)制信號(hào)D26之間存在固定的相位差。通過調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)D26和解調(diào)參考信號(hào)D23之間的相位差就能夠改變D12和D23之間的相位差，使得解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差趨于零。

所述數(shù)字調(diào)相方法不僅能夠在系統(tǒng)初始化時(shí)將相敏解調(diào)電路的相位調(diào)節(jié)正確，同時(shí)，也能夠在諧振式光纖陀螺的整個(gè)工作過程中，在后臺(tái)實(shí)時(shí)地跟蹤解調(diào)參考信號(hào)D23與待解調(diào)信號(hào)D12之間的相位差的變化，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋調(diào)節(jié)。

相比于傳統(tǒng)的調(diào)相手段，本發(fā)明所介紹的數(shù)字調(diào)相方法簡(jiǎn)便易用、精度高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線相位調(diào)節(jié)。

另外，本發(fā)明諧振跟蹤電路包括前處理電路11、模數(shù)轉(zhuǎn)換器12、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器14、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器15、以及上面所提供的諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置。其中，前處理電路11經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器12后與諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置內(nèi)的第一乘法器21和第二乘法器22連接，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器14和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器15分別連接在諧振式光纖陀螺數(shù)字調(diào)相裝置的第二低通濾波器25和移相器26。本發(fā)明所介紹的諧振跟蹤電路由于采用了閉環(huán)反饋的數(shù)字調(diào)相方法，能夠保證相敏解調(diào)電路的效率達(dá)到最大，從而提高諧振式光纖陀螺控制電路的工作可靠性。