（精密仪器及机械专业论文）全光纤电流互感器数据处理系统的软硬件设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中北大学学位论文全光纤电流互感器数据处理系统的软硬件设计于两要互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之一，随着电力系统向高电压、大容量发展，全光纤电流互感器以其自身的优势，取代了传统的电磁式电流互感器在电力系统中的位置。与此同时，对全光纤电流互感器后续检测电路算法及硬件电路的改进，也是至关重要的。本课题针对全光纤电流互感器后续数据处理部分的算法，提出了具体的方案，并进行详细地论证，还对适用于算法的硬件电路进行了设计。通过对过零解调法和相关解调法的仿真论证，最终选择相关解调法，因为该算法消除了调制深度和光强对信号解调的影响，并且线性度好，在兀2 以内显现出良好的线性度，抗干扰能力也很强。而对于硬件电路，本课题选取f p g a 结合d s p 的方案，由f p g a来控制整个硬件电路时序及数据预处理，由d s p 来实现数据的处理。凭借具有高集成度、高可靠性、高速和低功耗的f p g a ，和具有高速和强大的数据处理能力的d s p 的联合设计，为微弱信号的实时检测提供了条件和保证。通过设计和调试得出，本课题所选取的算法可在设计的硬件电路中f 常运行，并且可以高线性度地检测到被测信号，满足指标要求，但是仍然存在着缺陷和改进空间，如算法的近似计算和调制信号与参考信号相位关系，都可通过其他的手段进行改进。关键词：全光纤电流互感器，过零解调，相关解调，d s p中北大学学位论文s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fd a t ap r o c e s ss y s t e mo na l l - f i b e r - o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e ra b s t r a c tt r a n s d u c e ri so n eo ft h em a i np r o t e c t i n ga n dm o n i t o r i n ge q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m w i t ht h eu s e dv o l t a g ei sg e t t i n gh i g h e ra n dl a r g e r - c a p a c i t y ，a l l - f i b e r - o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r( f o c t ) r e p l a c e st h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e ri np o w e rs y s t e mf o ri t so w na d v a n t a g e s a tt h es a m et i m e ，i ti ss oi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ea l g o r i t h ma n dh a r d w a r ec i r c u i to fm e a s u r e m e n ts y s t e mo na l l f i b e r - o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r i nt h i st o p i c ，t h es p e c i f i cs c h e m e ，u s e df o rt h ea l g o r i t h mo fd a t ap r o c e s so na l l - f i b e r o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ，i sg i v e na n dd e t a i l e ds t u d i e d i na d d i t i o n ，t h er i g h th a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d t h r o u g ht h ez e r o c r o s s i n gd e t e c t i o na n dr e l a t e dd e m o d u l a t i o nm e t h o ds i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n ，t h er e l a t e dd e m o d u l a t i o nm e t h o di sd e t e r m i n e dt ob ec h o s e ni nf i n a l b e c a u s et h ea l g o r i t h me l i m i n a t e st h ee f f e c to fm o d u l a t i o nd e p t ha n di n t e n s i t yt ot h es i g n a ld e m o d u l a t i o n ，s h o w sg o o dl i n e a r i t yi n7 c 2 ，a n dp r e s e n t ss t r o n ga n t i - ja m m i n gc a p a b i l i t y i nh a r d w a r ec i r c u i t ，t h es c h e m e ，c o m b i n e dd s pa n df p g a ，i sc h o s e n ，i nw h i c hf p g ac o n t r o l st h et i m i n go fh a r d w a r ec i r c u i ta n dd a t ap r e p r o c e s s i n g ，a n dd s pa c h i e v e sd a t ap r o c e s s i n g w i t hah i g h 1 e v e l i n t e g r a t i o n ，h i g h r e l i a b i l i t y ，h i g h - s p e e da n dl o w - p o w e rf p g a ，a n dah i g h - s p e e da n dp o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n g c a p a b i l i t yd s p ，t h ec o n d i t i o n sa n da s s u r a n c e sa r ep r o v i d e dt oa c h i e v et h er e a l - t i m em e a s u r e m e n to fw e a ks i g n a l s t h r o u g ht h ed e s i g na n dd e b u g g i n g ，t h ea l g o r i t h mt o p i cs e l e c t e dc a nn o r m a l l yo p e r a t ei nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dh i g h - l i n e a r l yd e t e c t st h em e a s u r e ds i g n a lt om e e tt h et a r g e t b u tt h e r ea r es t i l ls h o r t c o m i n g sa n dr o o mf o ri m p r o v e m e n t ，s u c ha st h ea p p r o x i m a t ea l g o r i t h mc a l c u l a t i o na n dt h ep h a s er e l a t i o n s h i p so fm o d u l a t i o ns i g n a la n dr e f e r e n c es i g n a l a l lt h e yc o u l db ei m p r o v e db yo t h e rm e a n s k e yw o r d s ：f o c t ，z e r o - c r o s s i n gd e m o d u l a t i o n ，r e l a t e dd e m o d u l a t i o n ，d s p原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：生j 至叁日期：型芷：垒!关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；o 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；o 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。签名：益逢壑日期：导师签名：日期：迦罡：立!中北大学学位论文1 1 全光纤电流互感器概论1绪论互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之一，随着电力系统向高电压、大容量发展，传统的基于电磁感应原理制成的电磁式电流互感器暴露出来越来越多的问题，这就有力地推动了电子电流互感器( e c t ) 的研究与应用。电子电流互感器是指利用备有电子器件的光学器件或空心线圈( 带有或没有内嵌积分器) 或是带有集成负载的铁心线圈的、独立的或配有电子器件的电流一电压转换器。其中利用光学器件对电流传感器的或传输信号的e c t 称为光学电流互感器( o c t ) 。对o c t 可有不同的分类方法，按照高压区分工作单元是否需要供电，通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构，又可分为全光纤型( f o c t ) 、光学玻璃型( b g o c t ) 、混合型( h o c t ) 、磁场传感器型和其他传感机理型。随着光电子和光纤通信的发展，有力的推动了新型光纤电流互感器的研究与应用。与传统的电磁式电流互感器相比，光纤电流互感器有如下优点：不含油，尺寸小，绝缘结构简单，不会有安全隐患；不含铁芯，不会有磁饱和现象；测量带宽和精度高；使用光纤传输信号，可以有效地防止电磁干扰；易于与数字设备连接等。1 2 全光纤电流互感器信号的检测技术现状1 2 1 光纤陀螺检测法常用的全光纤型电流互感器( f o c t ) ，其工作原理主要为法拉第( f a r a d a y ) 效应、逆压电效应和磁致伸缩效应。其中，f a r a d a y 效应f o c t 常采用偏振检测方法，或利用f a r a d a y效应的非互易性采用s a g n a c 干涉仪实现检测。常用的s a g n a c 干涉仪型f o c t 又可分为环形( 1 0 0 p ) 矛t l 串联式( i n 1 i n e ) 2 种，如图1 1 和1 2 。光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等环境因素变化十分敏感，是阻碍f o c t 实用化的关键问题。尽管针对偏振检测方案先后提出了高圆双折射光纤、旋制光纤，扭转光纤、退火光纤、几何结构分离线性双折射、相向传输，扭转加退火等多种解决方案，但多难以实用。随着基于s a g n a c 干涉仪的光纤中北大学学位论文陀螺技术的实用化，s a g n a cf o c t 吸引了更多研究者的注意。探测器纤圈相位调制器入4 波片载流导体图1 1 环形s a g n a c 干涉仪型的f o c t圈图1 2 串迮式s a g n a c q ：涉仪型的f o c t本系统前端即是采用基于环形s a g n a c 干涉仪的光纤陀螺技术，对全光纤电流互感器信号进行检测的。使被测电流的承载电线穿过光纤环，被测信号的变化将反应在光电探测器( p d ) 的输出上。被测信号是微弱的，如果要对此微弱信号进行实时检测，就需要对检测系统所采用的算法以及电路的设计提出严格的要求。下面讨论一下对微弱信号进行实时检测的方法。1 2 2 光纤陀螺微弱信号的检测技术现状1 2 2 1 常用的微弱信号检测方法随着信息时代的到来，科学的飞速发展，对微弱信号检测的需要同益迫切，微弱信号检测技术的研究己对相关领域的发展起到了一定的推动作用。所谓微弱信号，诸如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微振动、微温差、微压差以及微电导、微电流、微电压等，不只是信号幅度小，最主要的特征是被噪声淹没。2 中北大学学位论文因此要检测出被测信号，就要在淹没被测信号的噪声中提取被测信号，然而信号检测技术也就成为一门针对于噪声的技术，这门技术的任务就是提高信噪比。迄今为止常用的一些从噪声中提取微弱信号的有效方法和技术 2 1 ，包括锁定放大、取样积分、相关检测、自适应噪声抵消等，这些都是比较常用，并且相对比较成熟的技术方法。锁定放大器( l i a ) 是微弱信号检测的重要手段，已经广泛应用于物理、化学、生物医学、天文、通信、电子技术等领域。锁定放大器的工作原理如图1 3 。信号参考图1 3 锁定放人器1 ：作原理其中，p s d 为相敏检测器；l p f 为低通滤波器。若要使用锁定放大器时需要考虑以下几个问题：1 ) 锁定放大器的输入信号为正弦波或方波交流信号，输出信号为正比于输入波形幅值的直流信号。如被测信号不满足要求，就需用调制或斩波的方式将其变换为交流信号。2 ) 实际中，l p f 常用积分器来实现，积分器的时间常数决定了l i a 的等效噪声带宽，也决定了l i a 所实现的信噪改善比。积分器的时i 日j 常数越大，等效噪声带宽越窄，s n i r 越大，所需的测量时间越长。所以对于强度变化缓慢的信号，可采用长的时间常数。3 ) 要根据信号和噪声的具体情况适当的分f l 己l i a 的交流增益和直流增益。4 ) 要使l i a 作用有效发挥，必须保证测量系统良好的屏蔽与接地。5 ) l i a 的参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号。6 ) l i a 的信号输入前置级放大器的工作参数必须认真选择。取样积分与提取淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位的锁定放大器不同，主要用于恢复淹没在噪声中的周期或似周期脉冲波形，现已在物理、化学、生物医学、核磁共振等领域等到了广泛的应用。取样积分的基本原理如图1 4 。3 中北大学学位论文用。其中，门积分器是取样积分的核心，它的特性对于系统的整体特性具有决定性的作相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，测量的是两个时域信号的图1 4 取样积分基本原理( a ) 相敏检测器( b ) 互相关检测器图1 5 相敏检测器与互相关检测器对比。，( 力相似性。它与相敏检测器存在着异同，结构对比如图1 5 。互相关检测器的一路输入信号比相敏检测器的多加了一个可变延时器，这样可以检测不同时刻两路信号的相关情况，也就是说，相敏检测器是互相关检测器的一种特例。自适应噪声抵消属于自适应信号处理的领域，是利用噪声与被测信号的不相关的特点，自适应的调整滤波器的传输特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，以提高信号检测或信号传递的信噪比。自适应噪声抵消的原理如图1 6 。图1 6 自适应噪声抵消原理4 一中北大学学位论文其中，自适应滤波是白适应噪声抵消的核心部分，插入滤波器的目的是要补偿噪声源到两个传感器的传输特性的差异，并均衡两个传感器特性的不一致性，以使滤波器的输出尽量逼近传感器1 感应的噪声。相比较而言，前三者的处理针对于信号，第四种则是针对于噪声。并且在前三者中，第一种和第三种是用于正弦或方波信号，而第二种则适用于周期脉冲信号。目前国内对光纤陀螺信号的解调算法主要是相关检测，因为相关运算可以有效地抑制不相关频域上的噪声干扰，这对处理很容易被噪声影响的微弱信号，是相当有利的。当然随着科学的不断进步，新的方法仍在不断涌现，例如基于人工神经网络、小波变换、浑沌理论的微弱信号检测理论和方法就已经取得了可喜的进展。1 2 2 2 光纤陀螺微弱信号的检测电路设计现状光纤陀螺输出的信号的处理，按处理形式分有两种：一是整个电路处理的都是模拟信号；二是先将模拟信号转换为数字信号，经过数字电路处理，然后输送到后续电路。对于前者主要是国外一个专利方法过零检测法【3 】，其通过对被测信号的透析，完全由硬件实现，后续章节将对其进行原理阐述和方法分析。而对于后者，是当前常用的设计思路，其检测的是数字的微弱的信号。对于数字信号的检测，目前国内有几种方案具体如下。1 ) 在通用的微计算机上用软件实现。软件可以是自己编写的，也可以是使用现成的软件包。这种方法缺点是速度太慢，不能用于实时系统，只能用于教学与仿真研究。如，近年发展迅速的m a t l a b ，就几乎可以实现所有数字信号的仿真。而且m a t l a b 下的部分仿真程序还可以通过转换为c 语言，再通过d s p 的c 语言编译器直接在d s p 硬件上运行。这对于非实时系统或准实时来说是很有吸引力的。2 ) 用单片机来实现。单片机也在不断地发展，如i n t e l9 6 0 0 0 的运算速度就非常可观，而且单片机的接口性能良好，容易实现人机接口。但是由于单片机采用的是冯诺依曼总线结构，所以单片机系统复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实时控制系统中很难有所作为。3 ) 利用专门用于信号处理的可编程d s p 芯片来实现。与单片机相比，d s p 有着更- 5 中北大学学位论文适合于数字信号处理的优点。如采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特性，并由专门设计的适合于数字信号处理的指令系统等。d s p 芯片的这些特点使得对不允许延迟的实时应用领域，如蜂窝电话、计算机驱动器等非常理想。因此可以说，d s p 芯片的问世及飞速发展，为信号处理技术应用于工程实际提供了可能。4 1 利用特殊用途的d s p 芯片实现。现在国际上已经推出了不少专门用于f f t 、f i r滤波器、卷积等的专用芯片，如t d c l 0 2 8 可以实现f i r 滤波器和相关运算。美国i n m o s公司推出的i m s a l 0 0 芯片，可以完成f i r 、f f t 、相关、卷积等运算。它可以在2 m s内完成1 0 2 4 点复数f f t 运算。美国t k w 公司1 9 9 0 年推出的超快速单片f f t 处理芯片t m c 2 3 5 0 ，可以在5 1 4 1 a s 内完成基2 时间抽取法的1 0 2 4 点复数f f t 运算。其他的，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 、z o r o n 公司的z r 3 4 8 8 1 ，也都属于专用型的d s p 芯片。在采用的d s p 芯片中，其软件算法已经在芯片内部用硬件实现。用户给出输入数据，经过简单的组合即可在输出端得到结果。这一般用于对速度要求高的场合。这种方案的缺点是灵活性差，而且开发工具尚不完善。5 ) 用f p g a 等可编程阵列产品开发a s i c 芯片实现数字信号处理算法。由于f p g a产品的发展，用户可以利用a l t e r a 、x i l i n x 等公司提供的产品。使用这些公司提供的软件或v h d l 等开发语言，通过软件编程用硬件实现特定的数字信号处理算法，如f f t 、f i r 等等。这一方法由于具有通用性的特点并可以实现算法的并行运算，无论是作为独立的数字信号处理器，还是作为d s p 芯片的协处理器，目前这都是比较活跃的研究领域。、6 ) 在通用的计算机系统中加上加速卡来实现。加速卡可以是通用的加速处理机，亦可以是由d s p 丌发的用户加速卡。如果加速卡是用d s p 丌发的用户加速卡，那么在同益复杂的控制系统中，在d s p 芯片价格不断下降的条件下，这一方法应该是很常用。当然，一般在系统中，通用计算机仅充当没有实时要求方法管理者的角色，而不再参与实时的数字信号处理。比较上述几种方案的优缺点可见：第一种方法是d s p 芯片提供厂家目前大力研究的方向，即如何实现高级语言( 如c 语言) 的编译效率。如t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的c 编译器的效率已经比t m s 3 2 0 c 3 x 系列的效率约提高了3 倍。第二种方法由于不适合与复6 中北大学学位论文杂的数字信号处理系统，应用场合受到限制。第三种方法非常适合于通用的数字信号处理的丌发。第四种方法是数字信号处理实现的一个分支方向。第五种方法专用性过强，而这种方法的研究工作也主要不由一般的用户来完成。第六种方法的核心还是用d s p芯片丌发用户加速卡，如a d 卡、d s p 扩展卡等，一方面是由于性能上的优势和通用性的特点，使得这一方法成为真正使d s p 技术实用化的方法；另一方面是由于d s p 芯片价格的下降，使其应用领域不断扩展。此外，如果将第三种方法和第五种方法结合起来，也就是联合使用d s p 和f p g a ，就可以发挥d s p 的高速数据处理能力和f p g a 的数据预处理能力，非常适合高速实时数字的处理。当然，随着科技的迅猛发展，人工智能技术如神经网络、遗传算法、模糊逻辑等在继电保护中以得到广泛的应用，再加上自适应保护技术在其中应用的拓展，将有力地推动检测电路的设计不断向着小型化、智能化、数字化方向发展延伸。1 3 课题研究的目的及主要工作1 3 1 课题研究的目的和意义在信息科学中，相对于模拟信号处理而言，数字信号处理有很大的优势，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等方面。目前，数字信号的处理技术在民用、军事、科研等方面得到了极其广泛的应用。从数字信号的处理方式来看，可以把它分为非实时数字信号处理和实时数字信号处理。非实时数字信号处理的数据流向通常是：数据采集一数据存储一信号处理一输出处理结果。实时数字信号处理的数据流向通常是：数据采集一信号处理一数据输出结果。从以上的数据流向来看，非实时数字信号处理不满足高速、及时的特性，就因为其中包含了数据存储的环节，影响了数据的吞吐率。当数据采样率提高或采样时问加长的时候，就需要增加存储区的容量，这在很多情况是不允许的。目前各个领域更是体现出微弱信号的检测的急切性与重要性，并且大多具有电磁环境的背景，而电磁感应是模拟电路的致命弱点，这样更是突显出数字信号处理的优越性。7 中北大学学位论文传统的以d s p 或计算机为主的硬件平台从本质上是采用软件的方法来实现数字信号处理的，这就必然是一个串行处理的过程，故而在处理速度上受到很大的限制。本设计采用f p g a 控制整个系统的时序，由d s p 完成数据处理的高速实时数据采集、处理与检测。在这罩采用f p g a 控制系统的整个时序，由单电源和仅由时钟控制特性的模数转换器a ，d 配合，再加上具有高速数据处理能力的d s p ，使得本系统更加有效的提高了处理过程中的数据吞吐率。d s p + f p g a 的最大特点就是结构灵活，有较强的通用性，适用于模块化设计，从而能有有效提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。本系统还具备高速采样处理和信号显示的功能，可用于电力系统的监视，能够对突变电流及时地反馈，这样就可以对电力系统进行及时的调控，将减少损失。再有，本设计系统得通用性强。f p g a 可用资源丰富，且调试方便、灵活，受用户支配性强；d s p 的数据处理能力强，并且程序修改调试方便。1 3 2 课题研究的主要工作及需达到的技术指标图1 7 为本课题系统的总体结构框图，其中使用超辐射发光二极管s l d 作为光源，在光纤环路中产生两束相互干涉的光波，由于s a g n a c 效应，被测电流的变化致使两束光波的相位产生偏差，经p z t h 位调制器调制后，由p d 光电探测器将光信号转化为电信号输出。后面的信号检测系统的设计即是本课题要完成的工作，设计要达到的技术指标如下：图1 7 系统的总体结构框图8 一多圈光纤环中北大学学位论文1 额定电流：1 2 5 0 a2 测量范围：5 p 2 0 ( 2 0 木1 2 5 0 a )1 ) 最大4 0 倍额定电流( 不要求精度) ；2 ) 最小1 额定电流( 不要求精度) ；3 相对误差1 ) 5 额定电流时3 ；2 ) 1 倍额定电流时1 ；3 ) 2 0 倍额定电流时5 ；4 带宽：1 3 次谐波( 6 5 0 h z )5 时延：2 5 0 “s 5 0 0 s下面对此技术指标进行分析：数据处理部分的设计要求可测得被测电流的量程为2 0 1 2 5 0 a ( 且p 5 p 2 0 ) ，在此要求可以测量最大4 0 倍额定电流和最小1 额定电流，但是不要求测量精度；在额定电流1 2 5 0 a 下要求测得电流与被测电流的误差不可超过士1 2 5 a ，在5 额定电流下要求测得电流与被测电流的误差不可超过士1 8 7 5 a ，在2 0 倍额定电流下要求测得电流与被测电流的误差不可超过士1 2 5 0 a ；要求输出带宽6 5 0 h z ；系统总累计时延在2 5 0 t s - 5 0 0 p s 之问。9 中北大学学位论文2 全光纤电流互感器信号的检测方案2 1s a g n a c 效应的基本原理本系统前端，光纤陀螺检测全光纤电流互感器信号，是基于s a g n a c 效应及互易性结构【4 l 的。首先对于s a g n a c 效应，可以从两方面来理解，一方面，观察者在惯性参考平面静止，由于光纤环的旋转两束光之问产生光程差，进而产生相移；另一方面，在瞬态观察整个光纤陀螺( f o g ) 系统，两束光之间没有光程差，但是由于多普勒频移使两束光的传播常数发生变化，由此产生相移。由这两种情况推导出的相移结果是一致的，因此这两个描述是等价的。图2 1 给出了前者在圆形轨道的情况下的原理图，图中光波的初始注入点为a ，在此点光分成两束，一束按逆时针方向的实线路径传播，另一束按顺时针方向的虚线路径传播，经过时问r 后注入到点a ，在这一点相遇的两束光经过的光程是不同的，即光程差的由来。图2 1s a g n a c 效应原理图光纤陀螺通过测量由s a g n a c 效应引起的互易相移来实现旋转角速率的检测，因此必须排除s a g n a c 效应以外的任何因素引起的相移。这就要求光学系统保持高度稳定的互易性结构，以使系统中顺逆时针传播的两束光受到的外部干扰完全一致，在输出中反映不出任何外界干扰影响。2 2 光纤陀螺输出信号的分析2 2 1 光纤陀螺输出信号的形式光纤陀螺输出信号的特征是由双光束干涉特性决定的，因此利用光电探测器检测的1o 中北大学学位论文是两束光的干涉光强，光强大小可以表示为：，= k i o ( 1 + c o s ( a ，) )( 2 1 )式中：，是探测器检测到的光强；而是光源发射出光束的光强；k 是比例系数，通常为1 2 ；。是相移，是光纤环转动角速度q 的函数。从而有，输出光强与光纤环转动角速度q 的余弦关系，如图2 2 ( a ) 所示，从图( a )中可以看出：当在一般情况下，s a g n a c 相移很小时，在f 2 = 0 处系统的灵敏度d d f 2 = 0 ，即在零点处系统灵敏度很低。从图2 2 ( b ) 中可以找到解决的办法，即在两束相反方向传播的光束之间人为的加入9 0 。的相位偏置，本系统中采用加入相位调制器的方法实现9 0 。的相位偏置的引入。则有加入9 0 。的相位偏置后光强输出的表达式：i = k i o ( 1 + s i n ( a 。) )( 2 2 )一狁一q 一兀0q 兀a 附力h r d 2 之前2 2 2 光纤陀螺输出信号的分析l八八一图2 2 光强输出曲线图b 附$ h n l 2 之后常用的调制方式是正弦波调制、锯齿波调制和方波调制。本系统选取的是正弦波调制，调制原理图如图2 3 所示。假设，调制频率为扁，则由相位调制器引起的两束光的相位差为a c b 。( f ) = 口木c o s ( 2 7 r f 。f )( 2 3 )其中，a 为调制深度。中北大学学位论文那么光强信号为，i = m o l + c o s o ，+ 。( ，) 】)( 2 4 )假设被测电流是周期变化的正弦信号，频率为尼，则由其引起的相干光的相位差为m 。= a s i n ( 2 n f d ) ，将其代入式( 2 4 ) ，有i = 弛 1 + c o s as i n ( 2 ，r f t ) + a * c o s ( 2 j r f m t ) )( 2 5 )这样，适当调节调制深度口即可实现9 0 。相位偏置的引入，以有效提高信号的灵敏度。、pd输出厂一，十。|一尖一詹一一移图2 3 正弦调制原理图2 3 光纤陀螺输出信号的检测方案论证2 3 1 过零解调算法过零解调法是一项美国专利技术，对调制信号的解调完全是由硬件实现的，硬件原理框图如图2 4 所示。电路功能实现的依据是，当非互易相位差( 即被测信号。) 较小时，在一个调制周期内的连续两个负电平的持续时间差与该相位差成正比，即( m 一) o c s ，解调原理如图2 5 所示。通过对式( 2 5 ) 进行b e s s e l 函数展开，有，1 2 中北大学学位论文，= k o 1 + c o s o a j 0 ( a ) 一2 以( 口) c o s ( 4 石厶) + 2 以( 口) c o s ( 8 万厶7 ) 一】( 2 6 )- s i n s 2 以( a ) c o s ( 2 z f m ，) 一2 以( a ) c o s ( 6 x f m t ) + )、7从式( 2 6 ) 中可以看出，其中含有直流分量。j 。( a ) c o s ( o s ) ，那么，交流分量表达式可表示为，i 。= c o s o s + a c o s ( r o t ) 卜j o ( 口) c o s ( o s )( 2 7 )其中，忽略了硒的作用。接下来就可以得到肛的表达式，m n =三( a r c c 。s a r c c o s j o ( a ) c o s ( o s ) + s 一a r c c 。s a r c c 。s j 。( a ) c 。s ( o s ) - o s ) ( 2 8 )国aa由于s 很小，故式( 2 8 ) 可近似求得，卟一警半 0 2 _ 一s m ) 】2 1 2( 2 9 )同样，也可以求得 升的表达式，m + ：三( a r c c 。s a r c c o s j o ( a ) c o s ( o s ) + s + a r c c 。s a r c c o s j o ( a ) c o s ( o s ) - s ) ( 2 1 0 )国aa由于s 很小，故式( 2 1 0 ) 可近似为，m + ：! a r c c 。s a r c c 。s 型】)( 2 1 1 )国口从式( 2 1 1 ) ，可以看出，脚与调制深度a 之间的关系。然而对于m s ，其变化范围影响着过零解调算法的正确应用。因为当其过大时，在一个调制周期内将只会出现一次过零，那么该算法将不可用。通过式( 2 8 ) ，可以得出o s 可取的最大值，s 。a x：= t a n - i j o ( a ! _ - c o sa s l na( 2 1 2 )由式( 2 1 2 ) 可以看出，可被测量的最大的非互易相位差与调制深度的选择有关，这可以通过下面的仿真得到验证。下面按照仿真模型( 如图2 6 ) 和仿真电路图( 如图2 7 ) ，根据式( 2 5 ) ，其中被测信号为5 0 h z j 下弦波，参考信号为5 8 8 2 3 5 k h z j 下弦波，o u t o 为调制信号波形，i n l 为幅值为1 的5 0 h z 交流波形，o u t 为锁相放大器输出，o u t l 0 0 为低通滤波器输出。从以下几个方面进行分析。- 13 _中北大学学位论文图2 4 硬件原理框图比较器输出a ( m )qb ( n )k ( m n )x1 0 _ 3，l，7| |i 。图2 5 解调原理l4出中北大学学位论文。，j“r，|，。c o n 2 ；c o n l ”“。“。：。? j j ：图2 6 仿真模鹫图2 7 仿真电路图( 1 ) 保持光强0 = 3 0 不变，改变调制深度a ，分别为2 5 、1 9 5 干1 1 8 ，分别得到相应的可被测量的被测信号幅能的最大值。临界图分别如图2 8 ( a ) 与2 8 ( b ) 、2 9 ( a ) 与2 9 ( b ) 和2 1 0 ( a ) 与2 1 0 ( b ) 所示。从图中可以得出，调制深度a = 2 5 时，彳最大可取为0 8 ，调制深度a = 1 9 5 时，a 最大可取为0 5 ，调制深度a = 1 8 n 寸，a 最大可取为o 4 ，被测信号的幅值( 即非互易相位差) 随调制深度的增大而增大。- 15 -中北大学学位论文0 0 0 0 m s1o 0 0 m s2 0 o o m s3 0 o o m s4 u u u m si n l一 、0 ，一；、i 一1 0 0 0 v，一1 0 0 0 vo u t 06 0 0 0 v0 0 0 0 v2 0 0 0 vo u t l 0 b74“、1 ：，一一一一7 、1 。、i ，一2 0 0 0 vo u t丁、。，、二，一2 5 0 0 v一2 5 0 0 v( a ) a = 0 9 ，萨2 5o 0 0 0 m s1o 0 0 m sz o o o m s3 0 o o m s4 u u o m si n l一r 二0i ，t 弋二- 一：，1 0 0 0 v一1 0 0 0 vo u t 06 o o o v“一目煳0 0 0 0 v一。一一4i 一、。| 一一， 一一一_ 0 、一、| 一，一，outl2500v一1 5 0 0 v一一r 、1i ，i 一2 0 0 0 vo u t- 2 0 0 0 v0 0 0 0 m s1o 0 0 m s2 0 b 0 m s3 u u u m s4 u u u m si 一；0 ，：，一i 。，| ，二1 0 0 0 v一1 0 0 0 v6 0 0 0 vo u t 0_ _ 1 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一，_ _ _ _ _ 。_ 。一一0 0 0 0 v一一l 卜、l 一 一一。! o 一一一一一2 0 0 0 vo u l l 0 毛一2 0 0 0 v1 、：j ! 一2 0 0 0 vo u t一2 0 0 0 v0 0 0 0 m s10 0 0 m s2 0 0 0 m s3 0 0 0 m s4 0 o o m 8一 、一 - 一| i 、一1 0 0 0 v一1 0 0 0 vg 0 0 0 vo u t 00 0 0 0 v一一卜o 一一r 、l 一1 5 0 0 vo t l t l 0 0一1 5 0 0 v1 5 0 0 v 一二一l 。- i 一一一o u t一1 5 0 0 v16中北大学学位论文i n l一 、上厂 、二乡1 0 0 0 v1 0 0 0 vo u t 07 0 0 0 v1 0 0 0 v2 5 0 0 vo u t l 0 0一_ 弋；一牛一一丁、；一一，一1 5 0 0 vo u t、l i i 二l 一一2 0 0 0 v一2 0 0 0 v( a ) a = 0 5 ，日= 1 8 厢而而话币豇面而f 1 瓦丽而面丽呵而f 一4 0 0 0 m s i n l7l 、【。一，2 ， 。、：7 卜一1 0 0 0 v一1 0 0 0 vo u t 06 0 0 0 v1。一一-_。一，_。一1 0 0 0 v一一| 、十o u t l 一o 一r 、，l 。1 2 5 0 v1 2 5 0 v一1 7 5 0 vo u t，l 。_ 一厂l 、- 0 一一1 2 5 0 v表2 1 改变调制深度时被测信号峰峰值调制深度a2 51 9 51 8 7 51 81 71 5 3 12 0 3 62 0 8 22 1 6 42 2 2 4峰峰值表2 2 改变光强时被测信号峰峰值而3 53 02 52 01 52 1 6 72 1 6 42 1 6 82 1 6 92 1 5 5峰峰值中北大学学位论文( 4 ) 当保持a = 1 8 和1 0 = 3 0 不变，改变a ，分别为0 4 、o 1 2 和0 0 4 时，可分别得到被测信号如图2 1 l a 2 1 l ( c ) 所示，从图2 1 l 中可以看出该算法的线性度不好，在a = 0 0 4时输出信号波形不好，适用于解调信噪比高的信号。0 0 0 0 m s10 0 0 m s2 0 0 0 m s3 0 i d o m s4 u u u m si n l 、二二一；、卜、二1 0 0 0 v。一1 0 0 0 v1 2 5 0 vo u t_ ， 、二l 、。_ 一一1 2 5 0 vo u t 06 0 0 0 v1 0 0 0 v1 2 5 0 vo u t l 0 0广o 、一，1 卜、一，一1 2 5 0 v( a ) a = 0 4 ，测得输出信号峰峰值为2 0 50 0 0 0 m s10 0 0 m s2 0 0 0 m s3 0 0 0 m s4 u g u m si n l。1 j二，o 一；、二1 0 0 0 v一1 0 0 0 vo u t1 0 0 0 v一0 5 0 0 vo u t 06 5 0 0 v1 5 0 0 v6 0 0 0 m vo u t l 0 0、l 叶：一一4 0 0 0 m v( b ) a = 0 1 2 ，测得输出信号峰峰值为0 6 60 0 0 0 m s10 0 0 m s2 0 0 0 m s3 0 0 0 m s4 0 g u m si n l。1 j 一二一j1 0 0 0 v。一1 0 0 0 v5 0 0 0 m vo u t一。一一x 一一一1 。一一”一” 一r”w w 一3 0 0 0 m vo u t 06 0 0 q v2 0 0 0 vo u t l 0 06 0 0 0 m vl一 一，一。一、 _ h h 一一一2 0 0 0 m v( c ) a = 0 0 4 ，测得输出信号峰峰值为0 2 1图2 11 过零解调线性度测量综上所述，过零解调算法所解调的被测信号的最大值，受调制深度的增大而增大；当保持被测信号不变时，解调得信号幅值随调制深度的增大而减小；解调线性度不好；18 中北大学学位论文测量范围小，不足尥：算法不受光强的影响：算法自身存在缺陷，当被测信号幅值较大时在一个调制周期内，只存在一次过零，将不满足系统解调的条件。2 3 2 相关解调算法所谓相关检测是利用信号和噪声不相干的特点，通过相关运算，从噪声中提取被测信号的方法。相关检测分白相关检测和互相关检测。白相关检测是取信号和经过时移的它本身之问的相关函数。互相关检测是，使用“干净”的与被测信号同频的本地信号作为参考信号，与混有噪声的被测信号作相关运算，能够测量出信噪比很低的信号。下面介绍整周期采样情况下，同频正弦信号检测的基本原理【5 】：在检测中有一个参考信号，设参考信号频率为石，周期t r = l f r ，对模拟信号进行采集的频率为奔，假设可以控制采集频率使得j = m f q ，m 和q 都为正数且m q 2 ，这里m q 并不一定是既约分数。设被测信号为与参考信号同频的正弦信号x ( f ) = a s i n ( 2 n f ，f + 缈)( 2 1 3 )其中a 0 为信号幅度，缈为信号初相位，在q 个参考信号周期对x ( ，) 进行m 次采样，采样间隔f2z 12 老，得至【l 信号序列x ( 妨娴钏ai n ( 2 叽k r + 加瓜i n ( 警捌k = - o ，1 ，m - 1( 2 1 4 )在整周期采样时，不用对实际的参考信号进行采样，可以直接根据m 和q 的值通过数字运算来得到正弦参考序列r s ( k ) 和余弦参考序列r c ( k )篡髯巩k b ，s 和r e ( k ) 分别相当于对正弦参考信号s i n ( 2 斫力和余弦参考信号c o s ( 2 砺f ) 进行同步采样所得。将被测信号与参考信号作互相关运算得，19 中北大学学位论文r x 体和r 。分别表示同相输出和f 交输出，将式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) 有，( 2 1 6 )论击篆心n ( 警+ g ) 商n ( 警) = 扣咖( 2 1 7 )= 击善侧警c o s ( 警) = 知咖( 2 由式( 2 17 ) 和式( 2 18 ) 可得2彳：2 扛丽a r c 切n ( 等) ，矿k 。( 2 1 9 )a r c t a n ( 等) 帆矿r 。 殒，在一个调制周期内，o 。可近似为恒值，不考虑其直流成分，上式可表示为调制信号多次谐波的叠加，而各次谐波的幅值是由电流的变化而引起的2 0 七后附彤七七xx揣脚。一m。一mi i=腓聊rr 中北大学学位论文s a g n a c 相移。的三角函数。由以上分析可知，在户【o ，1 f m 】，由于电流的非突变性，式( 2 2 1 ) 中调制信号各次谐波的幅值可近似为一常数，若测量出基波信号的幅值v l ，则根据k = 一2 k o d i ( a ) s i n ，( 2 2 3 )即可计算出。，而m 。反映的就是当前被测电流的值。进而从式( 2 2 3 ) 可得，= s i n l - 2 k 旦o j i ( a )( 2 2 4 )显然，所计算出的。与干涉光强而和调制深度a 有关，而干涉光强而和调制深度a 均随外界环境的变化而缓慢变化，下面算法处理可消除干涉光强南和调制深度a 对测量结果的影响，可对交流信号中基波信号的二次谐波和四次谐波的幅值v 2 和v 4 进行处理，有fk = _ 2 弛以( a ) s i n ， = 一2 弛j e ( a ) c o s o ，( 2 2 5 )【= 2 弛以( a ) c o s o ，则有，甚= 怒鸱( 2 2 6 )k以( 口) 。5、净器亿2 7 ，：= 一= 一t z z ，虼以( 口)。和卟伽- l 【一踹】( 2 2 8 )这样就可求得被测信号。从p d 光电探测器输出的调制信号的表达式( 2 2 2 ) ，可以看出，式中的光强而以及调制深度a ，随时都可能随着环境的变化而发生变化，然而，其对被测信号解调结果的影响，下面通过程序仿真进行论