光纤陀螺仪变形测量高速数据采集模块的设计开题报告

全文总字数：5241字

1. 研究目的与意义（文献综述）

光纤陀螺仪（fiber-optic gyroscope，fog）于19世纪70年代开始研制，80年代早期进入实用，应用非常广泛。在惯性导航和控制领域，随着计算机、微电子学和光纤技术的发展和应用，fog正在逐步取代传统的机械陀螺仪和平台惯性导航系统。与机械陀螺仪相比，fog没有活动部件，使用寿命长；结构完全固化，抗冲击性强；测量动态范围大；无需预热时间，启动时间短；不受地球吸引力的影响，可以不用考虑这个因素引起的系统误差。与激光陀螺仪相比，fog工艺比较简单，成本低，性价比高；体积小，功耗低，应用灵活；克服了激光陀螺锁定带来的负面影响。随着技术和信号处理解决方案的发展，其精度也可以与激光陀螺仪媲美。

fog不仅是航天器自主导航实现的关键设备与单元，它也可被用于工程测量领域，以实现对工程结构的快速，密集的表面变形监测^[1]。而变形测量基于fog的轨迹测量功能，对实时计算有很高的要求。在进行桥梁结构线形测量时，传统方法采用全站仪、经纬仪、水准仪^[2]等工程测量仪器，测量速度慢、效率低；而采用fog进行线性测量，数据输出频率达到300hz；对于 100m的标定路段，检测精度可以达到5mm；对于跨径为400m的跨江大桥，检测精度可以达到 2 cm。这对其内部的数据采集系统的采样速度和精度提出了要求。

因此，用于高速数据采集和存储的实时测量模块是fog的关键组件之一。数据采集系统始于1950年代的美国，最初用于军事测试系统。伴随微型计算机的普及发展，人们日常生活离不开的通信、交通、气象等领域的数据和信息已经爆炸式增长。采用传统dsp处理系统实现数据采集和存储，存在一些弊端，如受采样频率限制，处理的频率范围有限；受硬件影响，限制了串行命令，处理速度慢。现如今，许多信号处理系统都会使用fpga，原因是fpga有大量的专用dsp以及block ram资源，具有更高的数据读写速率和储存容量。fpga器件和dsp集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度，适用于本系统的功能实现。

2. 研究的基本内容与方案

鉴于接收的实时数据刷新率高达2000hz，本文旨在设计一个高速数据采集和存储单元，以实现数据的不掉帧、无错漏接收。

根据nyquist采样定理，采样速率应不低于4ksps；具体设计时，由于采集电压的范围、待测高频信号的性质和adc转换时间的影响，为防止数据阻塞和重叠，所需采样速率应达到最高输入信号频率的4倍即8ksps左右，才可以很好的完成数据转换功能。

因此，通过时钟分配芯片输出四通道时钟信号，相位依次相差90^o实现交替采样；采用4片采样速率为2ksps的低速率adc芯片实现多路复用，最大采样速率可达到4 x 2=8ksps，满足系统所需的采样指标。

3. 研究计划与安排

1～3周：查阅相关文献资料，明确研究方向，确定研究内容，完成开题报告；

4～6周：简单了解fog工作原理，掌握其数据协议，同时完成不少于2万字符的英文翻译任务；

4. 参考文献（12篇以上）

1. 甘维兵，胡文彬，张瑶，刘芳，李盛，符晶华.基于光纤陀螺的桥梁微小形变检测技术[j].中国惯性技术学报，2016，24(3): 415-420

2. 张卓敏.基于光纤惯性传感的桥梁结构线形测量方法的研究[d].武汉理工大学，2014

3. 肖文健，马东玺，陈志斌，刘先红，肖程.一种用于光纤陀螺降噪的鲁棒平滑滤波算法[j].红外与激光工程，2016，45(06):172-178.

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