干涉式光纤陀螺信号处理与温度补偿的集成化研究

摘要

自光纤陀螺诞生以来，它以其显著的优点、灵活的结构和诱人的前景，受到世界许多国家的大学和科研机构的重视，取得了很大的进步。但光纤陀螺在各国的发展状况、研究情况不尽相同，具有各自的特点。国内光纤陀螺的研制起步比较晚，但近几年发展速度很快，目前, 国内光纤陀螺的研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求。 高精度和低成本是未来光纤陀螺发展的两大方向。高精度的光纤陀螺主要应用在空间技术、军事应用和科学研究领域, 而低成本光纤陀螺主要作为角度传感器在汽车导航、机器人等许多精度要求不高的领域中有广阔的应用前景。本文以提高陀螺精度为目标进行了一些研究。 影响陀螺性能的因素有很多，而温度是引起陀螺系统漂移的一个重要因素，对于高精度光纤陀螺而言，克服温度影响尤为重要。本课题以提高陀螺精度为指导思想，采用全数字闭环方案并集成温度补偿，在全温度范围内提高陀螺的精度。 陀螺信号处理芯片采用Xilinx 公司Spartan-3系列 FPGA器件。Spartan-3 FPGA 采用90nm制造技术来获得较低的硅裸片成本，并且拥有高效率实现DSP功能所需要的所有系统特点（这些特点一度属于高端FPGA所专有）的低成本FPGA。Spartan-3系列是一款目前市场上单位成本内有效I/O管脚最多，具有极高性价比的系统级器件。 FPGA本质上是未完全连接的逻辑和信号处理资源阵列。这些信号处理资源使设计人员可利用高度可扩展的并行处理技术来实现DSP功能。传统DSP解决方案以串行方式实现多次乘法累加（MAC）功能，而FPGA则可利用Spartan-3系列所集成的专用乘法器和寄存器以并行方式来实现。此外，可编程能力使得用户在实现所需要的功能时，可通过选择适当的并行度在器件面积和性能之间做出折衷。 以Spartan-3系列 FPGA为信号处理主芯片克服了传统FPGA器件不能单独实现DSP功能的弊端，并解决了FPGA+DSP方案会增加陀螺信号处理板的复杂度、增大电路面积、增加陀螺成本的问题，促进了光纤陀螺的小型化研制，实现了陀螺信号处理与温度补偿的集成化。 本论文中，温度补偿的实现采用两种方案，其一是增加第二个闭环控制回路，以消除2p复位误差；另一个为进行温度的建模补偿。 实践证明，本文中的方案切实有效，提高了全温度范围内陀螺精度，解决了陀螺零位随温度漂移较大的问题，促进了光纤陀螺的小型化研制，为提高陀螺性能提供了一个可行途径。本文的研究工作为光纤陀螺信号处理与温度补偿集成化的进一步研究奠定了基础。