[发明专利]一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法

说明书

技术领域

本发明属于惯性姿态敏感器系统领域，涉及一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振的选取方法。

背景技术

干涉型光纤陀螺是一种测量角速率的传感器，其硬件包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、探测器和信号处理装置。所述的信号处理装置包括用于检测探测器输出的光功率信号的前置放大器、A/D转换器、中心处理器FPGA、D/A转换器和后置放大器组成，如图1所示。干涉型光纤陀螺对角速度的测量是通过在光纤环中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。应用在空间飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。

干涉式光纤陀螺环形干涉仪中，光波在Y波导和耦合器之间的两路光路的群传输时间之差的倒数的二分之一称为光纤陀螺的本征频率。光纤陀螺最小互易性结构的光功率响应是一个隆起的余弦函数，为了获得较高的灵敏度，故给该信号施加一个偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。而Y波导中的寄生非线性或振幅调制可能会削弱偏置的质量。在Y波导非线性的情况下，一种简单的解决方法是使光纤陀螺工作在本征频率(或其奇次谐波)上，因此，光纤陀螺的信号处理装置通常都是基于其本征频率来设计其控制时序的，所以需要精确设计光纤陀螺的本征频率。

光纤陀螺的本征频率一般根据公式f＝c/2nL得到一个估计值，公式中：f为光纤陀螺的本征频率，L为光纤环的光纤长度，n为光纤的折射率，c为真空中的光速。光纤的长度L和折射率n受光纤曲率、强度及环境温度的影响较大，从而导致光纤陀螺的本征频率随外界因素而变化，传统方法估算出的固定值不可能准确地等于本征频率，从而引入调制误差影响陀螺性能。所以通常陀螺的本征频率通过离线的方法人工测得，再由中心处理器FPGA将输入晶振频率分频产生本征频率进行时序控制。

由于空间用光纤陀螺为了防止FPGA在空间被单粒子打翻，提高陀螺的整机可靠性，陀螺控制板的主控FPGA芯片选用ACTEL公司的反熔丝芯片A54SX72A，该芯片的抗空间单粒子性能很好，不足之处是芯片内没有锁相环(时钟分频工具)，依靠代码编程很难精确对晶振时钟进行非2j整数倍的分频，且使用代码进行非整数分频语句繁琐，资源占用较大，且高低电平占空比不是1：1。通常光纤陀螺的本征频率都是非整数频率，所以使用基于反熔丝FPGA产生调制频率时，只能依靠精确选择非整数频率的晶振，进行2j整数倍分频来得到所需调制频率，所以对晶振选择的准确度要求极高。如果晶振选择有偏差，分频产生出的调制频率不严格等于陀螺的本征频率，会引入额外的寄生偏移误差，导致陀螺零偏过大，影响光纤陀螺性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法，解决了基于反熔丝FPGA光纤陀螺本征频率设计不精确导致陀螺零偏变大的问题。

本发明的技术方案是：一种基于反熔丝FPGA的光纤陀螺主控板晶振选取方法，其方法步骤如下：

1)选取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作为陀螺主控芯片的工艺板，并将工艺板连接光纤环，使用FPGA芯片内的DDS直接数字合成模块对输入晶振时钟f_clk进行分频；由FPGA控制DDS直接数字合成模块产生初始调制频率信号f_fb＝c/2nL，其中，c为真空中的光速，n为光纤纤芯的折射率，L为光纤环长；

2)将获得的调制频率信号经过D/A转换以及后置放大器放大后，加载在Y波导上进行相位调制；光纤陀螺内的光源发出的光经过耦合器分光、Y波导相位调制、光纤环干涉后，光功率信息返回到探测器；

3)光电探测器接收到步骤2)产生的干涉后的光功率信息，将其转换为电流信号，再经过跨阻放大、滤波处理后输出电压信号至前置放大器；