干涉式光纖陀螺教學實驗裝置研制

傅 軍， 常 揚，2， 寧治文， 江鵬飛， 韋宏瑋

（1.海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033；2.中國人民解放軍92768 部隊，廣東汕頭515800）

0 引 言

隨著干涉式光纖陀螺儀（Interferometric Fiber Optic Gyroscope，IFOG）在航空、航海等領域的廣泛應用［1］，高等院校相關本科專業對光纖陀螺儀技術的教學需求也在不斷增長。IFOG 的理論和實驗教學是慣性傳感器相關課程中的重要內容。Sagnac 效應是IFOG技術的物理基礎［2］，IFOG 螺儀可用來測量運載體相對慣性空間的旋轉角速度（Angular Velocity of Rotation，AVR），運載體旋轉過程中，Sagnac 相移導致光波干涉條紋產生微小移動，從而測得AVR［3-4］。

封裝好的成品光纖陀螺［5］直接運用到光纖陀螺的原理教學時，只能觀測其輸入和輸出，無法直觀反映光纖陀螺儀內部光路結構、連接關系和信號特征。國內外雖有少數公司推出了一些光纖陀螺原理教學的相關產品，但是在成本、易用性和實驗項目的覆蓋程度上與教學需求還存在一定差距。為此根據慣性傳感器原理本科相關專業教學需要，本文設計了一種同軸IFOG實驗裝置。其主要特點是能將光纖陀螺光路結構、連接關系進行直觀展示，光纖環的敏感軸和旋轉臺體的旋轉軸同軸設置，關鍵信號通過滑環從轉臺引出便于測量，配套的小型桌面轉臺轉速可調。

1 總體設計

IFOG教學實驗裝置包括光路、電路和旋轉控制三部分。光路部分主要包括超輻射發光管（SLD）、保偏光纖分束器（PMFS）、多功能集成光波導調制器（MIOC）、帶骨架光纖環（PMFC）和光接收組件（PINFET）。電路部分主要包括信號處理電路板、光源驅動與溫控電路板和電源配適電路板等。

信號處理電路板是電路的主要部分，信號處理電路板以FPGA為核心，包括串口模塊（UART）、濾波耦合電路模塊（AMP＆FILTER）、溫控模塊（TEMP）、單端轉差分電路模塊（AMP2）、模數轉換模塊（ADC）、2 路數模轉換模塊（DAC1 和DAC2）、差分轉單端信號模塊和電源模塊。

旋轉控制部分主要包括旋轉臺體、轉臺調速控制盒等。轉臺調速控制盒包含步進電動機及相應電路板，轉臺調速控制盒電路板包括步進電動機驅動器模塊、驅動電源模塊、接口控制電路模塊等［6］。轉臺調速控制盒通過步進電動機控制旋轉臺體旋轉速度，并實現步進電動機轉速的顯示。實驗裝置工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗裝置工作原理示意圖

光路信號首先由SLD 發出的光源以光信號的形式傳到PMFS。然后信號被分成兩路，一路導入PINFET；另一路經MIOC調制后，分成兩束分別沿順時針和逆時針進入PMFC。經過PMFC 順時針和逆時針相向傳播的光信號返回至MIOC發生干涉。干涉后的光信號經過PMFS 耦合，最后傳輸到PIN-FET。PIN-FET內部包含光電探測器等器件，可將光信號轉換為電信號。

光纖環敏感軸向的角運動所引起相位差以模擬電信號的形式傳到信號處理電路板上。經過交流耦合送到AMP＆FILTER電路模塊進行處理，經過低通濾波，過濾掉高頻段的干擾信號，留下主要成分為低頻的信號。為了便于高精度ADC電路處理，經過AMP2 模塊將單端模擬信號轉換成差分信號。差分模擬信號轉換成經過ADC模塊轉換成數字信號，送到FPGA中進行解調、積分。處理后的數字信號傳輸到DAC1 模塊中進行數模轉換，再將差分信號轉換成單端信號并傳輸到MIOC，使干涉儀始終工作在零相位，實現閉環反饋。閉環補償反饋后得到的相位誤差信號，一方面作為陀螺輸出；另一方面作為進入反饋系統的信號，經過二次積分產生階梯波再疊加后送入DAC1 中。在階梯波閉環反饋調制過程中，很容易產生2π 復位，因此增加了第二閉環反饋。復位前后產生的誤差信號，經積分送到DAC2，并將轉換后的值加到DAC1 上面作為參考電壓，放大后傳輸到MIOC，實現第二閉環反饋，從而實現2π復位。

經過閉環反饋后的信號，由FPGA 按用戶協議處理為光纖陀螺閉環數據，通過串口UART 模塊輸出至計算機。上位計算機數據采集軟件進行接收和保存后可計算光纖陀螺參數。

2 硬件設計

2.1 實驗裝置外觀結構設計

IFOG實驗裝置包括裝置主體、旋轉臺體、轉臺調速控制盒和工作臺板。裝置主體有底盒、固定板、透明罩。工作臺板上分別設有旋轉臺體，與其同軸且內外設置的旋轉軸和滑環，旋轉軸與旋轉臺體和滑環固定相連，旋轉臺體與步進電動機的動力輸出端同軸固定相連，旋轉軸頂部從下到上依次同軸設有連接件、底盒組件和光纖陀螺組，底盒通過過渡板安裝在旋轉臺臺面［1］。底盒盒體內分別設有電源配適電路板、信號處理電路板和光源驅動與溫控電路板，盒體中心設有與滑環同軸設置，用于引入滑環導線的通孔。光纖陀螺組件的固定板沿周向分別均布有SLD、PMFS、PINFET、MIOC、PMFC，固定板頂部中心設有凸臺，凸臺頂部設有與旋轉軸同軸設置的帶骨架光纖環。透明罩起防塵、保護作用。電動旋轉臺電動機朝向左手，控制端口接線就近引入底板內槽，連接至轉臺調速控制盒?；h定子端導線就近引入底板內槽，連接至轉臺調速控制盒。為避免電磁干擾，旋轉臺控制線與滑環定子端導線不共槽。轉臺調速控制盒底座、轉臺調速控制盒上蓋和旋轉臺體安裝在工作臺板上，并在工作臺板上加工6 個安裝孔，其孔距是50 mm 的倍數，便于安裝在其他光學平板上。裝置主體、旋轉臺體、轉臺調速控制盒之間所有電線連接均布設為暗線。圖2 為實驗裝置外觀結構圖。

2.2 光路設計

（1）光路工作原理。IFOG 能測量角運動是基于Sagnac效應［8-9］，即在含有光纖環組成的閉合回路中，從其中一點開始相向傳播的兩束光波，繞行光纖環一圈回到該點時，兩束光相位發生相應變化，運載體旋轉過程中，Sagnac相移使光波干涉條紋產生微小移動，相向傳播的光經過的路程不等，產生的光程差與AVR成正比，AVR從而能由光程差求得。圖3 是IFOG 光路基本原理圖。

圖2 實驗裝置外觀結構圖

圖3 FOG光路基本原理圖

對于圖3 的光路結構，IFOG固有響應是一個余弦函數，光檢測器檢測到的光信號強度與輸入光強、輸入角速度引起的相位差的關系為

在AVR很小的情況下，FOG 輸出的靈敏度很差，為了獲得做大的靈敏度，需對其0.5π 的相位偏置，這樣可以分別出傳播的角速度方向，也可以在零輸入點附近測得最大的靈敏度［10］。測得的角速度信息由相應電路檢測和處理，

（2）光路結構設計方案。根據光纖陀螺實驗裝置的應用背景和教學實際需求，綜合考慮裝置實驗效果、體積、成本、加工難度等多因素的影響，選取了以典型最小互易性結構為光路基本結構，對SLD、PMFS、MIOC、PMFC、PIN-FET等光學器件的選擇和布設結構進行了優化設計。SLD是用于提供產生干涉信號的超帶寬光源，并將光信號輸入到光路結構中，光源采用1.31 μm 工作波長。PIN-FET 用于探測干涉光信號，將其轉換為電信號進入后續檢測電路進行處理，本裝置采用400 kΩ高靈敏度PIN-FET。PMFS用于將光源的光信號引入MIOC和PMFC，再由MIOC返回的干涉信號引入PIN-FET。MIOC集成了傳統FOG結構中的單模濾波器、偏振器、線圈分束器和相位調制器的功能，完成對輸入線圈光信號和線圈輸出的光信號處理。光纖環光纖長度1 100 m，光纖環內徑75 mm，光纖環高度15 mm。采用了直徑80 μm、外徑135 μm的熊貓型保偏光纖繞制，光纖環繞制廠家給出的100 s 定溫零偏穩定性理論估計精度可達0.01°／h，足以滿足光纖陀螺實驗項目中對地球自轉角速率觀測需要［11］。光路連接原理見圖4。

圖4 光路連接原理圖

實驗裝置整個光路分為兩層平攤在主體底盒頂部。光纖環置于頂層，其敏感軸與底盒轉軸重合。

2.3 電路設計

電路部分主要包括信號處理電路板、光源驅動與溫控電路板和電源配適電路板。上述部分均放置于圓形的主體底盒內部。信號處理電路板是電路的主要部分，負責信號的處理、閉環反饋補償和最后的信號輸出。光源驅動與溫控電路板通過導線與超輻射發光管相連，用于精確控制超輻射發光管處于恒溫和恒流的工作狀態。電源配適電路板作為電源模塊為系統各部分工作提供電源。

（1）信號處理板原理設計。信號處理電路是實驗裝置的核心部分，接收光路輸出信號后進行處理輸出，以FPGA為處理核心，具有并行度高、可靈活定制和重構等優點［12］。信號處理電路板通過MAX3294 將FPGA串行接口轉換為RS-232 標準電平后與上位機進行串行通信［13］。信號處理電路板上電源模塊將外部電源提供的5 V電壓轉換成一路3.3 V和一路1.2 V電壓模塊。另外，電源部分提供的5 V 電壓一路給數字信號電路供電；另一路給模擬信號電路供電。FPGA在裝置中的作用有：產生時鐘信號、奇偶相減解調誤差信號、數字積分、數字濾波、陀螺信號輸出、產生相位階梯波并實現反饋、疊加方波偏置信號、修正2π電壓。

電路板中AMP＆FILTER 模塊包含交流耦合和低通濾波電路，選用ADA4857-2YCPZ-R7 放大集成電路實現。ADA4857 是一款單位增益穩定的高速、電壓反饋型放大器，具有低失真、低噪聲與高壓擺率。在AMP＆FILTER模塊中，光電探測器輸入的信號通過隔直電容耦合，去掉了直流分量，再經過濾波器阻隔高頻信號，實現低通濾波。AMP2 模塊選用了ADA4932-1YCPZ-R2 單端轉差分放大集成電路。在陀螺信號處理過程中，需要差分信號以獲得較高的信噪比，提高對共模噪聲的抑制能力，并獲得較低的二次諧波失真。ADA4932-1 具有高性能、低噪聲和低功耗，適合用作驅動高性能ADC的單端轉差分放大器，其內部共模反饋環路調整輸出共模電壓，使其輸出與ADC的輸入相匹配。內部反饋環路可提供輸出平衡，抑制偶數階諧波失真。ADC選用AD9220ARS模數轉換集成電路實現［14］，產生數字信號傳輸給FPGA。DAC1 和DAC2 分別選用LTC1668IG和LTC1658CMS8 數模轉換集成電路。FPGA 產生的數字相位階梯波，送入產生LTC1668IG產生模擬信號。LTC1658CMS8 是一個單電源的14 位數字模擬轉換器，為LTC1668IG 提供基準電壓。DRIVER 模塊中，選用LT1809IS8 差分轉單端集成電路實現。LT1809IS8 是低失真、軌至軌輸入和輸出運算放大器，可將差分信號轉換為單端信號作用在MIOC的電極上。

信號處理電路板上經光接收組件輸出的信號、經AMP＆FILTER模塊耦合濾波后的信號、經差分轉單端信號模塊雙端信號轉換為單端后的開環檢測信號等關鍵信號通過滑環從轉臺引出，供學生測量使用。

（2）光源驅動電路設計及仿真。光源驅動需要恒流源按程序控制提供穩定的工作電流。光源驅動電流范圍為0.1 ～1.0 A。選用一種分立式電流源電路實現。恒流源電路設計中增加了一個延遲電路，可以用來延遲上電。為了優化電路參數，測試恒流源延遲電路的性能，應用multisin12 軟件進行了仿真驗證，仿真電路及模擬結果見圖5。圖中：Q1為三極管，Q2為場效應管，分別接5 V和2.5 V電源。XFG 為函數生成器，其產生的控制電壓經R1、R3分壓后加到Q1。當電源上電時，C1開始充電，此時Q2閾值電壓尚未達到，所以Q2為關閉狀態。等到C1逐漸充電完成，此時滿足閾值電壓，Q2開啟，后級電路通電。R2的作用是下電時對于電容進行放電以及設置Q2的G極電壓。由于場效應管的開啟和關斷受控，所以選用三極管更合適負載控制及延遲上電。XSC 為虛擬示波器，用來觀察輸出信號。

調節函數生成器，使其產生鋸齒波，調制信號頻率設置為500 mHz，占空比為50%，振幅為2.5Up，offset設置為3 V。用示波器觀察輸出信號波形，圖5 中右側紅色、綠色曲線代表示波器的輸出信號波形，分別與左側相應顏色的電路線具有對應關系。在模擬結果中，延遲處理后的紅色曲線上升觸發時間點比延遲處理前的綠色曲線晚了約140 ms。結果表明，此電路能達到了延遲效果。

圖5 恒流源延遲電路仿真圖及模擬結果圖

（3）信號預處理電路設計及仿真。信號預處理電路通過集成設計，實現對輸入信號的交流耦合、信號放大、低通濾波、單端轉差分等功能。

為了優化電路參數，測試預處理電路的性能，同樣應用multisin12 軟件進行了仿真驗證，信號預處理電路仿真及模擬結果見圖6。光接收組件輸出電信號給預處理電路，在仿真中用函數生成器XFG模擬此電信號。放大器U1A及周邊電路可以實現同相交流耦合和2 倍信號放大，放大器U1B及周邊電路可以實現信號低通濾波，放大器U2及周邊電路可以實現單端轉差分。處理后得到的差分信號，再傳給ADC轉換成數字信號，最后輸出至FPGA。圖中XBP 為頻率特征測試儀，XSC為虛擬示波器，用來觀察輸出信號。

調節函數生成器，使其產生鋸齒波，調制信號頻率設置為100 kHz，占空比為50%，振幅為50Up，offset設置為0 V。頻率特征測試儀通過掃描鋸齒波實現頻率調制，顯示屏上所“描繪”的曲線反映了被測網絡的幅頻特性。頻率特征測試儀設置數值如圖6 所示。分別用3 個示波器觀察電路中關鍵信號波形。在模擬結果中，XSC1 中紅色鋸齒波為函數生成器輸入波形，綠色鋸齒波為經過耦合放大后的波形，處理后頻率不變幅值變大。XSC2 中的紅色鋸齒波是經過低通濾波后的波形，過濾掉了XSC1 中綠色高頻曲線，保留了紅色低頻曲線。XSC3 中的藍色鋸齒波是經過單端轉差分后的其中一端的波形，與處理前的單端信號幅值大小相 等。以上結果表明，此預處理電路可以實現預定功能。

圖6 信號預處理電路仿真圖及模擬結果圖

2.4 轉臺調速控制

本裝置設置有與陀螺儀同軸旋轉的旋轉臺體，旋轉臺體由轉臺調速控制盒控制。轉臺調速控制盒結構包括底座和上蓋，底座上設有步進電動機驅動器模塊、驅動電源模塊和接口控制電路模塊，步進電動機驅動器模塊的控制端與步進電動機和旋轉臺體相連。轉臺調速控制盒上蓋正面的面板上設有顯示屏、旋鈕和開關，背面設有DB9 插座和三合一開關。

轉臺調速控制盒內單片機選用STC15W4K56S4。該單片機兼容51 內核，相比其他單片機具有擴大片內資源的優點?？赏ú僮鬓D臺調速控制盒面板、旋鈕和開關控制步進電動機（森創SD-20403）的轉速，從而達到控制旋轉臺體的目的，同時將轉速顯示在顯示屏上。圖7 為轉臺調速控制盒原理示意圖。

圖7 轉臺調速控制盒原理示意圖

3 軟件設計

實驗裝置軟件主要分為信號處理程序和轉臺調速控制盒程序兩部分。

信號處理程序是本裝置軟件部分設計核心，采用了0.5π相位方波偏置調制和階梯波反饋調制方法。檢測電路將電信號濾波、放大并轉換為數字信號，在FPGA中完成奇偶相間數字解調，經過累加、求平均、求差值等運算獲得相位誤差信號。相位誤差信號數字積分得到速率值，保存在速率寄存器中。一路抽樣濾波，并采樣輸出至計算機；另一路作為閉環反饋的輸入信號繼續累加處理［15］。速率寄存器之后有兩次加法器。第1 次加法器的作用是數字累加出階梯波，階梯波的寬度即為光纖環渡越時間，臺階高度與旋轉引起的相位差大小相等，即位等于陀螺的輸出值。第2 次加法器的作用是通過階梯波與偏執調制信號的累加，輸出關于渡越時間周期性的方波，抵消了原有差值而置零，達到負反饋補償的效果。調制后的信號作用于推挽式連接的MIOC，實現閉環負反饋控制。圖8 為信號處理程序流程圖。

圖8 信號處理程序流程圖

轉臺調速控制盒程序采用模塊化編程設計，系統程序主程序負責系統的初始化和子程序的調用。在主程序中，通過不斷查詢得到電位器設定速度值，并與當前速度值相比較，如果超過差值閾值，就重新設置當前速度值，同時刷新顯示內容。定時器不斷產生定時中斷，根據人機交互情況更新狀態，產生步進電動機驅動脈沖，從而控制步進電動機的轉速。顯示子程序用來完成狀態更新和顯示功能［15］。

4 實驗操作案例

實驗裝置可開展光源輸出特性實驗、光纖環特征頻率實驗、Y波導相位調制半波電壓測試實驗、光路信號輸出測試實驗、陀螺儀靜態實驗、陀螺儀手動旋轉實驗、陀螺儀轉臺旋轉實驗、開環數字輸出實驗、閉環數字輸出實驗等。

以陀螺儀轉臺旋轉實驗為例，該實驗的目的是能讓學生理解陀螺儀中信號調制解調原理、信號檢測原理，更好地觀察Sagnac效應。陀螺儀轉臺旋轉實驗具體操作步驟如下：

（1）連接教學實驗裝置的電源和相關電纜，打開電源供電。

（2）信號處理電路板上各關鍵信號通過相應串口與滑環相連，從轉臺引出，并連接到示波器。

（3）打開計算機采集軟件，UART 模塊接口與計算機相連。

（4）通過轉臺調速控制盒設置轉臺。

（5）打開并調節示波器，分別觀察不同轉速情況下的信號特征，記錄信號波形。

（6）啟動計算機，打開數據采集軟件，分別采集不同轉速情況下光纖陀螺輸出的閉環數字信號。

（7）處理并計算實驗數據。

（8）斷開實驗教學儀器的電源和相關電纜連接，實驗結束。

通過設定轉臺為不同速度，用示波器測量滑環從各接口引出的關鍵信號，可得到數據處理各階段的信號特征，觀察信號波形特征，使學生加強對陀螺儀調制解調原理、開環或閉環檢測原理的理解。通過計算機采集軟件測量和處理不同條件轉速下陀螺儀輸出的實驗數據，結合裝置中給定的陀螺儀關鍵參數，從而計算出當前實驗中轉臺的即時旋轉速度。通過計算結果與陀螺儀轉臺顯示屏上的顯示轉速對比，在誤差范圍內，兩者結果一致。實驗結果可以得出：當PMFC 的旋轉方向與光信號傳輸的方向一致時，相對于靜止狀態下的距離，該光信號傳輸的距離會相應變大；反之，光信號傳輸的距離會相應縮短，加深學生對光纖陀螺薩格奈克效應的理解。

5 結 語

本文研制的同軸旋轉干涉式光纖陀螺教學實驗裝置采用光路最小互易性結構，結構簡單，可在教學中方便靈活開展光源輸出特性實驗、光纖環特征頻率實驗、Y波導相位調制半波電壓測試實驗、光路信號輸出測試實驗、陀螺儀靜態實驗、陀螺儀手動旋轉實驗、陀螺儀轉臺旋轉實驗、開環數字輸出實驗、閉環數字輸出實驗等。介紹同軸干涉式光纖陀螺實驗裝置總體結構、硬件及軟件設計方法，給出了系統設計原理圖、部分硬件接口電路圖和相關程序流程圖。實際使用表明，可直觀實現光纖陀螺結構展示和物理原理驗證，加深學生對光纖陀螺薩格奈克效應的理解，了解掌握光纖陀螺組成和軟硬件設計，對本科相關專業慣性傳感器理論教學具有重要促進作用。