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        應(yīng)用于諧振式光纖陀螺的雙相位鎖相放大器的設(shè)計

        2014-03-22 03:07:24閆樹斌鄭永秋仇海濤李小楓安盼龍薛晨陽
        儀表技術(shù)與傳感器 2014年11期
        關(guān)鍵詞:鎖相陀螺諧振

        陳 浩,閆樹斌,鄭永秋,仇海濤,駱 亮,李小楓,安盼龍,薛晨陽

        (中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室 電子測試技術(shù)重點實驗室,山西太原 030051)

        0 引言

        諧振式光纖陀螺(R-FOG) 是利用光學(xué)Sagnac 效應(yīng)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動檢測的一種高精度的慣性傳感器件[1,2]。由于R-FOG的輸出信號微弱和易受噪聲的干擾,所以抑制噪聲并對微弱信號進行有效檢測是陀螺系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容.運用同步相關(guān)檢測方法實現(xiàn)光纖陀螺信號的檢測,可以有效地抑制噪聲,改善輸出信號信噪比。

        實現(xiàn)同步相關(guān)檢測的儀器稱為鎖相放大器,分為模擬鎖相放大器[3]和數(shù)字鎖相放大器[4-6]。相比較于數(shù)字鎖相放大器,模擬鎖相放大器的具有很好的高頻特性,不會受AD采樣率、DA分辨率和可編程數(shù)字芯片運算速度的限制,而且輸出信號連續(xù)無臺階效應(yīng)。因此,在高頻正弦波調(diào)制的R-FOG 系統(tǒng)檢測方案中,針對陀螺輸出信號的特點,優(yōu)化設(shè)計了一種無需調(diào)整相位的雙相位高頻鎖相放大器,應(yīng)用于R-FOG系統(tǒng)中,順利實現(xiàn)了諧振頻率快速穩(wěn)定的跟蹤鎖定。

        1 基本原理

        諧振式陀螺系統(tǒng)如圖1所示,由激光器發(fā)出的光經(jīng)過光纖分束器C0分成兩束相等功率的光,分別經(jīng)過相位調(diào)制器PM1和PM2進行正弦波的調(diào)制后,通過耦合器C1和C2,再由耦合器C3耦合進入諧振腔后分別沿順時針和逆時針的2個方向傳播,兩束光通過諧振腔之后分別由光電探測器PD1和PD2轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出。通過解調(diào)電路(Demodulation Circuit)對光電探測器PD1和PD2測得的信號進行同步解調(diào),利用基于FPGA的數(shù)字PI鎖頻電路的跟蹤鎖定[7],對逆時針光路實現(xiàn)對諧振點的跟蹤鎖定,順時針光路解調(diào)輸出為陀螺信號。

        圖1 諧振式陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        設(shè)激光器射出光波的電場強度為:

        e(t)=Acos(ωt+φ)

        (1)

        式中:A為光波的振幅;ω為光波頻率;φ為光波的初相位。

        設(shè)調(diào)制信號為一正弦函數(shù):

        M=Amsinωmt

        (2)

        則經(jīng)過相位調(diào)制器調(diào)制后,光波的表達式可寫為:

        e(t)=Acos(ωt+φ+kM)

        =Acos(ωt+φ+kAmsinωmt)

        =Acos(ωt+φ+Ksinωmt)

        (3)

        式中K為調(diào)制系數(shù),K=kAm。

        為了實現(xiàn)高品質(zhì)微腔諧振頻率的跟蹤與鎖定,需要獲得用于諧振頻率鎖定的鑒頻曲線。因此,必須對調(diào)制過的光信號進行解調(diào)處理。鎖相放大器的核心是相關(guān)檢測,相關(guān)檢測使鎖相放大器的信噪比提高了好幾個數(shù)量級[8],信號解調(diào)的方法采用鎖相放大器(Lock-in Amplifier,LIA)對信號進行解調(diào)處理。

        針對一般的待測信號與參考信號均為正弦波的情況,具體介紹鎖相放大器的處理過程。設(shè)待測信號為:

        x(t)=Vscos(ωst+θs)

        (4)

        參考信號為:

        r(t)=Vrcos(ωrt+θr)

        (5)

        式中:ωs、ωr分別為待測信號和參考信號的角頻率;θs、θr為初相位。

        當(dāng)上述2個信號進入相敏檢測器后,得到的輸出結(jié)果為:

        up(t)=x(t)r(t)=Vscos(ωst+θs)·Vrcos(ωrt+θr)

        ωrt+θr)]

        (6)

        由式(6)可以看出,在相敏檢測器的輸出結(jié)果中存在著待測信號與參考信號的差頻分量以及和頻分量。由于在鎖相放大器工作時,要求參考信號頻率與待測信號頻率相同,故有:

        ωs=ωr

        (7)

        此時,相敏檢測器的輸出可化為:

        (8)

        當(dāng)該信號經(jīng)過低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)后,其中的高頻成分被過濾掉,只剩下低頻分量,此時輸出信號為:

        (9)

        從式(9)可知,低通濾波器的輸出結(jié)果正比與待測信號的幅值Vs,又與待測信號和參考信號的相位差有關(guān)。通過調(diào)節(jié)鎖相放大器中的移相器(Phase Shifter)來改變參考信號的相位,使參考信號與待測信號達到相位匹配,即滿足ωs=ωr.此時輸出信號為一直流量,達到了鑒幅和鑒相的目的,實現(xiàn)了信號的解調(diào),如圖2所示Matlab仿真得到的解調(diào)曲線。

        圖2 仿真得到的鑒頻曲線

        2 設(shè)計和特性分析

        基本的鎖相放大器中,為了檢測信號的振幅必須對信號及參考信號的相位進行調(diào)整。文中采用雙相位鎖相放大器(two phase lock-in amplifier)不需要進行相位調(diào)整。圖3設(shè)計了2個PSD,分別以相位差的信號進行乘法運算,就會分別在極坐標(biāo)上的X成分和Y成分分別檢出輸入信號。因此,由LPF出來信號將原來信號輸入的高頻信號降低為低頻信號,然后對得到的信號X和Y進行數(shù)字運算,這樣不進行相位調(diào)制就可以求得輸入信號的振幅以及與參考信號的相位差,調(diào)高了可操作性。

        另外,在信號振幅和相位隨時間變化的同時坐標(biāo)有變動,也不需要調(diào)整相位,所以可以對變化的情況進行連續(xù)觀測。

        圖3 雙相位鎖相放大器與PSD的動作

        2.1前置放大和帶通濾波

        在前置調(diào)理模塊中,根據(jù)R-FOG輸出特點,信號微弱,頻率高,所以選擇的運算放大器需要有高增益帶寬積和低噪聲等特點。運算放大器AD8032具有80 MHz的-3 dB帶寬以及低噪聲高速雙運算放大器,集成度高。因此采用AD8032為前置放大電路的核心芯片。帶通濾波器采用600 kHz的2階HPF濾波器和2 MHz的4階低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成。

        2.2移相電路

        為了使鎖相放大器解調(diào)輸出信號不受相位差影響,將參考信號移位90°和0°分別進行分別以相位差的信號進行乘法運算,分別檢出輸入信號,設(shè)計的相移電路如圖4所示。

        圖4 相移電路

        推導(dǎo)公式如下:

        (10)

        此相移電路的傳遞函數(shù)為:

        (11)

        由式(11)可以得到ui和uo相位差為φ,相位滯后移相電路。

        tgφ=-wRC

        (12)

        2.3乘法器

        由于對R-FOG進行解調(diào)時,調(diào)制信號頻率較高,隨選擇的乘法器的帶寬要滿足要求,而帶寬太大時乘法器的有限工作頻率越高,這導(dǎo)致乘法器兩端相差頻率為低通帶寬噪聲相乘后進入低通帶寬內(nèi),會對有用信號進行干擾。所以,選擇AD831作為乘法器,AD831是低失真、寬動態(tài)范圍的單片有源混頻器由混頻器、限幅放大器、低噪聲輸出放大器和偏置電路等組成。同無放大器的混頻器相比,它不僅省去了對大功率本振驅(qū)動器的要求,而且避免了由大功率本振帶來的屏蔽、隔離等問題,因而降低了系統(tǒng)費用;外圍電路簡單,使用方便。

        2.4后級低通濾波器

        多重反饋型2階LPF濾波器設(shè)計如圖5所示。

        圖5 多重反饋型2階LPF濾波器

        其中,截止頻率為:

        (13)

        設(shè)Rf=R1=R2=R3,則有

        式中Q為品質(zhì)因數(shù),它的優(yōu)點是具有良好的高頻衰減特性和失真特性,而且也能夠降低元件靈敏度。

        3 實驗結(jié)果

        電路設(shè)計應(yīng)用于實驗室搭建的R-FOG系統(tǒng)中,用頻率為900 kHz的VP-P=4 V的正弦波對激光器輸出器PD1、PD2為New Focus公司的可調(diào)光電探測器Model 2053,帶寬為10 MHz,最大轉(zhuǎn)換增益為18.8×106V/W;采用LiNbO3相位調(diào)制器PM1、PM2對輸入光源進行調(diào)制,調(diào)制帶寬達10 GHz,半波電壓為4Vpp.以順時針方向的諧振頻率為例,光纖環(huán)形諧振腔實測曲線如圖6所示,圖6為由PD1探測到的諧振譜線,其中半高全寬FWHM為20 MHz.

        圖6 光纖環(huán)形諧振腔實測曲線諧振譜線

        (a)移相0°的解調(diào)輸出

        (b)移相90°的解調(diào)輸出

        兩路解調(diào)輸出經(jīng)過數(shù)字芯片矢量運算后的輸出結(jié)果如圖8所示,幅度大概為兩路的矢量平方和再開方給出了透射譜曲線和解調(diào)輸出曲線,峰峰值為2.65 V,理論和實驗基本保持一致。鎖相放大器與Matlab仿真結(jié)果基本一致,輸出具有較高的解調(diào)精度,再諧振點附近解調(diào)曲線線性度良好,有較大的斜率。

        在圖7(a)和圖7(b)可以觀察到透射譜,設(shè)計的鎖相放大器0°移相的解調(diào)輸出為圖7(a),峰峰值為1.82 V;參考的90°移相的解調(diào)輸出如7 (b)所示,解調(diào)輸出的峰峰值為2.12 V.相比兩路解調(diào)曲線波形方向相反。

        圖8 矢量運算后解調(diào)輸出

        如圖9所示,上面的曲線為鎖定后透射譜曲線,下面曲線為鎖定后解調(diào)曲線輸出。利用上述鎖相放大器輸出解調(diào)曲線進行鎖頻操作后,透射曲線被拉低到最低點,即順時針光路的諧振頻率處,并始終保持在最低點基本不變。實驗證明,鎖頻模塊可以根據(jù)該雙向鎖相放大器模塊輸出解調(diào)曲線實現(xiàn)對激光器反饋控制和對諧振點跟蹤鎖定,能夠?qū)⑼干浞彐i定在最低點,將激光器頻率始終鎖定在諧振點處。

        圖9 實驗測得的鎖定狀態(tài)

        4 結(jié)束語

        設(shè)計了一種應(yīng)用于諧振式光纖陀螺的雙相位鎖相放大器,并可運用于高頻調(diào)制情況下的無修正相位的鎖相放大器。根據(jù)系統(tǒng)中存在信號微弱和背景噪聲大等特點,對雙向位鎖相放大器進行各部分電路設(shè)計,應(yīng)用到R-FOG實驗系統(tǒng)中,無需對相位進行調(diào)整,解調(diào)輸出曲線具有良好的分辨率和良好的線性度及大的可測范圍,鎖頻模塊可以根據(jù)該鎖相放大器輸出解調(diào)曲線,實現(xiàn)鎖頻功能。

        參考文獻:

        [1]HERVE C.Lefevre.The Fiber-Optic Gyroscope.Artech House BostonLondon,1993.

        [2]MARVERN A R.Progress towards fiber optic gyro production.In:SPIE,1991,1585,48-64.

        [3]楊桂東,馬慧蓮,張旭琳,等.一種應(yīng)用于諧振式微型光學(xué)陀螺的高頻鎖相放大器的設(shè)計.傳感技術(shù)學(xué)報,2005,18(4) :863-866.

        [4]于麗霞,王富明.強弱信號檢測拄術(shù)綜述.信息技術(shù),2007:115-116.

        [6]沈慶,郁發(fā)新,馬慧蓮,等.諧振式光纖陀螺全數(shù)字閉環(huán)方案.傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(3) :810-813.

        [7]張旭琳,馬慧蓮,丁純,等.諧振式光纖陀螺調(diào)相譜檢測分析.中國激光,2005,32(11):1529-1533.

        [8]曾慶勇 微弱信號檢測.浙江:浙江大學(xué)出版版社,1994.

        作者簡介:陳浩(1989—)碩士研究生,主要研究方向為陀螺系統(tǒng)電路設(shè)計和諧振式光學(xué)陀螺的研究。

        E-mail:chenhao19890701hao@163.com

        閻樹斌(1975—),博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事光子以EMS,集成光子傳感、量子光子器件等研究工作。

        E-mail:shubin_yan@nuc.edu.cn

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