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干涉式闭环光纤陀螺仪(IFOG)是光纤陀螺仪的一种。它由表头和调制解调电路两部分组成。在设计高精度IFOG中,由于表头存在着随机漂移,故其输出是不稳定的;同时表头又和调制解调电路相互耦合,因此无法对调制解调电路的性能进行检测。为实现高精度光纤陀螺的研制,就此问题,本文在对IFOG的表头进行了深入分析研究后,设计出一套基于FPGA的软硬件系统来对表头进行模拟,以克服在实际应用过程中表头输出信号的不稳定,达到有效检测调制解调电路性能的目的。
本文首先分析了高精度光纤陀螺表头的工作原理及其性能参数,要求设计的表头最小输出角速度在0.1°/h以下,偏置小于0.05°/h,偏置漂移小于0.5°/h。然后,围绕着如何设计模拟表头,如何使其在功能和性能上达到设计要求进行了论述。整个系统分成软件和硬件两部分,分别对它们做了详细的设计。软件方面,主要对表头的工作方式、前端和后端信号的处理进行了阐述,保证了其功能实现和动态范围的要求;硬件方面,主要做了减少系统误差、提高系统稳定性以及解决FPGA和上位机之间的通信等工作。保证了其在偏置、偏置漂移、输入输出因子及其非线性度上的性能要求。最后,经过电路设计,制成印刷电路板。
经过测试表明,本设计能有效模拟表头的工作特征,其最大动态工作范围达到-180°/s~180°/s;偏置小于0.014°/h,偏置漂移小于0.2°/h;标准输入输出因子为5.087μV/°/h,其非线性度远小于100ppm。设计得到的模拟表头精度最小输出角速度为0.06°/h,完全符合对高精度光纤陀螺调制解调电路检测的要求。可模拟的光纤陀螺精度达到0.2°/h。是对光纤陀螺研究应用领域一次有益的尝试。