双光源冗余光纤陀螺测试系统的设计与实现

摘要

光纤陀螺仪广泛应用于各种航天器和武器装备，其应用特殊性要求其具有高可靠性，双光源四轴光纤陀螺采用冗余设计，其中敏感轴部分包括三个两两相互垂直的工作轴和一个备用轴，当工作轴性能恶化，输出数据异常时，即启动备用轴；光源部分包含一个工作光源和一个备用光源，当工作光源功率异常时，系统即启动备用光源。冗余设计在原有单光源单轴、单光源三轴的基础上进一步提高了陀螺的可靠性。
　　光纤陀螺的闭环数据是闭环控制回路反馈和输出的原始数据，更加详细的包含了反映陀螺性能的噪声及动态信息，因此获得陀螺的闭环数据可进一步优化光纤陀螺噪声抑制和闭环控制算法。光纤陀螺滤波输出数据是闭环输出经过数字滤波器平滑、放大之后的输出，对闭环输出进行了降噪处理，滤波后输出数据减少了电路噪声和光路噪声对陀螺性能的影响，输出的光纤陀螺的数据信息更加精确。为了获取陀螺闭环和滤波后输出数据，本文开展了以下研究：
　　一、光纤陀螺闭环和滤波输出数据测试系统设计。对于闭环数据的采集，基于测试所需的双光源四轴光纤陀螺的结构以及大于200m的光纤环长度，完成了闭环数据多功能测试系统的需求分析，明确了测试系统功能，在完成需求分析的基础上对构成多功能测试系统整体的软硬件模块及其主体实现功能进行了设计，并且对设计过程中遇到的关键技术进行了攻关和研究。对于陀螺滤波数据的采集，设计中采用了低速采集的模式，即指陀螺输出的数据在测试系统主控芯片内进行1s累加、移位，实现每秒向上位机发送一个采集数据，低速采集可实现对陀螺一般性能的测试，如静态测试（零偏、零漂）、标度测试、阈值测试、振动测试、温度测试等的数据测试采集。
　　二、光纤陀螺闭环和滤波输出数据测试系统实现。该部分内容首先完成了基于FPGA主控芯片和高速USB控制芯片的光纤陀螺闭环和滤波输出数据测试采集系统的硬件设计部分，包括电路原理图设计和PCB绘制；然后根据测试系统的各模块功能和软件需求分析，完成了可编程器件FPGA、高速USB控制芯片和上位机显控软件的程序编写调试，最后对闭环和滤波输出数据测试系统进行了功能展示，结果表明系统满足了设计需求。
　　三、光纤陀螺测试与分析。通过测试系统对光纤陀螺进行高、低速数据采集分析，采集得到的闭环和滤波输出数据，经上位机软件处理得到包括幅值分布、均值、方差、零偏、零漂等信息，并对测试系统的误码和丢数情况进行了采集验证，证明了该测试系统没有误码和丢数情况的发生，经过对测试系统功能的评估验证，证明了设计完成的多功能测试系统的正确性和可靠性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究意义

1.2 光纤陀螺仪发展现状

1.3 光纤陀螺数据测试系统现状

1.4 主要研究内容及结构安排

第二章 光纤陀螺多功能数据测试系统的设计

2.1 需求分析

2.2 硬件主体功能设计

2.3 软件主体功能设计

2.4 小结

第三章 光纤陀螺多功能数据测试系统的实现

3.1 硬件电路原理图和PCB实现

3.2 软件实现和操作

3.3 小结

第四章 双光源光纤陀螺的测试与分析

4.1 高速采集测试

4.2 低速采集测试

4.3测试结果及误差分析

4.4 测试系统误码验证

4.5 小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果