[发明专利]一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器

说明书

本发明公开了一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，包括输入信号通道、参考信号通道、基于FPGA的数字相关解调模块、数/模转换输出模块、上位机模块；输入信号经过输入信号通道放大、滤波、模/数转换后，得到的数字信号进入现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)进行数字相关解调，数字相关解调模块为双通道，同时解调输入信号中的基频分量和二倍频分量的幅值，经过乘法、滤波、运算后分别得到包含基频分量幅值和二倍频分量幅值的平方和结果，经过串口送入上位机模块进行开方运算并显示最后结果，上位机模块控制FPGA，将结果通过数/模转换电路输出。本发明优化了双通道数字锁相放大算法，仅使用两个乘法器，即可实现双频复合信号的同时解调。

技术领域

本发明涉及信号处理的技术领域，具体涉及一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器。

背景技术

锁相放大器相对于其他的微弱信号检测方法，具有更高的稳定性和灵活性。锁相放大器利用信号的相关性来提取信号，相关性检测可以最大限度的压缩带宽，抑制噪声。传统的锁相放大器采用模拟元器件来实现，但这样会引进更多的噪声。目前，数字锁相放大器得到越来越多的应用。

但对于SERF原子自旋陀螺仪，其原子自旋进动角由光弹调制检测法获得，其中光弹调制器的输出信号为多频复合信号，且解调目标为基频分量和二倍频分量的幅值，现有市面上通用的数字锁相放大器如SR830、HF2LI等体积过大，结构复杂，不适合SERF原子自旋陀螺仪的小型化和集成化，因此应研制合适的SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有数字锁相放大器的不足，提出一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，包括输入信号通道、参考信号通道、基于FPGA的数字相关解调模块、上位机模块、数/模转换输出模块，其中输入信号通道包含仪器放大电路、低通滤波器、高通滤波器、模数转换电路四个子模块，分别对输入信号进行放大、滤波和模数转换，参考信号通道将来自外部的正弦信号转换成方波信号，并分压成可被FPGA直接检测的电平为3.3V的方波信号，数字化后的输入信号和参考信号进入基于FPGA的数字相关解调模块，进行乘法、滤波和一系列的运算之后，得到的平方和结果通过串口送入上位机模块进行开方运算，上位机模块由LabVIEW搭建，得到的一次谐波和二次谐波的幅值在上位机模块里显示，并通过串口发回FPGA，控制数/模转换输出电路进行结果输出。

更进一步的，基于FPGA的数字相关解调模块，采用等精度测频法得到参考信号的频率，送入直接频率合成(DDS)模块生成和输入信号基频ω相等的正弦参考信号sin(ωt)和余弦参考信号cos(ωt)，乘法器将输入信号和参考信号分别相乘，得到的信号里包含直流分量、频率分别为ω、2ω、3ω的分量，使用低通滤波器和中心频率ω的带通滤波器，分别保留含有一次谐波幅值的直流分量和含有二次谐波幅值的频率为ω的交流分量，然后对其进行平方和运算，再将结果通过串口送入上位机模块，进行后续步骤。

本发明的原理是：输入信号中频率为ω的基频分量和频率为2ω的二倍频分量，和参考信号sin(ωt)以及cos(ωt)分别相乘后，得到的结果如下所示：

通过低通滤波器和中心频率为ω的带通滤波器后，得到结果：

其中，V₁和θ₁是一次谐波的幅值和初始相位，V₂和θ₂是二次谐波的幅值和初始相位，I₁、Q₁、I₂、Q₂分别是两个低通滤波器和两个带通滤波器的输出结果。