一种数字闭环相位连续分时降采样提取系统和方法与流程

1.本发明属于核磁共振陀螺仪技术领域，尤其涉及一种数字闭环相位连续分时降采样提取系统和方法。


背景技术：

2.原子陀螺仪是在转子式陀螺仪、光学陀螺仪和memes陀螺仪之后出现的一种新型陀螺仪，利用原子、电子、光子等微观粒子的自旋、波动、纠缠等量子特性，采用磁场、光场、温度场等操控手段，获得原子运动状态，从而间接得到载体的运动状态。
3.目前的原子陀螺仪主要分为核磁共振陀螺仪、serf陀螺仪和原子干涉陀螺仪，在这其中，核磁共振陀螺仪能够兼顾高精度与小体积的要求，并且工程化程度更高，是国内外惯性技术领域的研究重点和热点。
4.目前核磁共振陀螺的闭环主要采用双介质闭环控制的方式，即通过测量两种惰性气体的拉莫尔进动频率随输入角速度的变化，求解静磁场强度，并通过闭环控制系统实现静磁场强度的稳定。其中两种惰性气体的拉莫尔进行频率的变化是通过测量两信号相位变化实现的，所以整个过程两信号的相位提取准确性对闭环控制的质量至关重要。
5.两种气体工作介质相位提取的常规步骤包括将拉莫尔进动信号经a/d采样转化为数字信号分别送给两组相敏检波模块，然后得到两种介质的开环相位变化输出，经由pid控制器后得到双介质闭环输出，双介质闭环输出传递给dds模块生成驱动磁场控制信号，实现双介质闭环控制。实际情况下，双介质闭环带宽不会超过100khz，而a/d采样的带宽能达到1m以上，所以只能对a/d采样的数字信号进行降采样再送入后续的处理模块，但是这样会丢失过多数据，给还原的相位信息带来更大噪声。如果使用滤波等手段进行降采样，则会破坏输入波形，给解调的相位带来不确定性。


技术实现要素：

6.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种核磁共振陀螺数字闭环相位连续分时降采样提取系统，可有效提高核磁共振陀螺闭环数据的吞吐量，更好的保留原始数据信息，有利于相位噪声的抑制。
7.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种数字闭环相位连续分时降采样提取系统，包括：a/d模数转换模块、数据分时控制模块、相敏检波模块集群、相位滤波模块和闭环反馈控制模块；
8.a/d模数转换模块，用于对核磁共振陀螺输出的模拟拉莫尔进动信号进行采集，将采集得到的模拟拉莫尔进动信号转换为数字信号；
9.数据分时控制模块，用于将a/d模数转换模块输出的数字信号连续分时送入相敏检波模块集群中不同的相敏检波模块，实现数字信号的降采样后输出；
10.相敏检波模块集群中的各相敏检波模块，用于对输入的数字信号进行解调处理后输出相位信号；
11.相位滤波模块，用于接收由不同的相敏检波模块输出的相位信号，对所述由不同的相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到总闭环相位；
12.闭环反馈控制模块，用于根据相位滤波模块输出的总闭环相位，确定总闭环相位的变化量；根据确定的总闭环相位的变化量，反馈调整驱动磁场输出的频率，以实现核磁共振陀螺的闭环控制。
13.在上述数字闭环相位连续分时降采样提取系统中，a/d模数转换模块的采样周期为t。
14.在上述数字闭环相位连续分时降采样提取系统中，相敏检波模块集群中包含n个并行的相敏检波模块。
15.在上述数字闭环相位连续分时降采样提取系统中，数据分时控制模块，用于：
16.将t0时刻的数字信号送入第一相敏检波模块，将t0+t时刻的数字信号送入第二相敏检波模块，将t0+2t时刻的数字信号送入第三相敏检波模块，将t0+3t时刻的数字信号送入第四相敏检波模块，将t0+(n
‑
1)t时刻的数字信号送入第n相敏检波模块；在t0+nt时刻重复t0时刻的控制，将t0+nt时刻的数字信号送入第一相敏检波模块，依此类推，实现对数字信号的降采样输出。
17.在上述数字闭环相位连续分时降采样提取系统中，降采样的周期为t，且满足：t＝nt。
18.在上述数字闭环相位连续分时降采样提取系统中，a/d模数转换模块的数字信号的频率起始时间与t0时刻对齐，同时也与降采样后的信号频率对齐。
19.在上述数字闭环相位连续分时降采样提取系统中，相位滤波模块，用于：
20.对降采样周期t内的n个相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到降采样周期t的总闭环相位；
21.下一个降采样周期t
下
重复执行对n个相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到下一个降采样周期t
下
的总闭环相位；
22.依此类推，得到全部降采样周期对应的总闭环相位。
23.相应的，本发明还公开了一种数字闭环相位连续分时降采样提取方法，包括：
24.通过a/d模数转换模块，将核磁共振陀螺输出的模拟拉莫尔进动信号转换为数字信号；
25.通过数据分时控制模块，将a/d模数转换模块输出的数字信号连续分时送入相敏检波模块集群中不同的相敏检波模块，实现数字信号的降采样后输出；
26.通过相敏检波模块集群中的各相敏检波模块，对输入的数字信号进行解调处理后输出相位信号；
27.通过相位滤波模块对所述由不同的相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到总闭环相位；
28.通过闭环反馈控制模块，根据相位滤波模块输出的总闭环相位，确定总闭环相位的变化量，根据确定的总闭环相位的变化量，反馈调整驱动磁场输出的频率，以实现核磁共振陀螺的闭环控制
29.本发明具有以下优点：
30.(1)本发明通过数据分时控制，充分利用a/d对双介质拉莫尔进动信号的采样频
率，使其不在降采样的过程中丢失过多数据。
31.(2)本发明通过相敏检波模块集群的连续分时并行处理，在同等闭环带宽情况下增加了拉莫尔进动信号的解调数据吞吐量，并且不增加额外的数据处理延迟。
32.(3)本发明通过相位滤波模块实现无偏情况下的相位噪声抑制，进一步提高陀螺闭环反馈的精度。
附图说明
33.图1是本发明实施例中一种数字闭环相位连续分时降采样提取系统的结构框图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
35.本发明公开了一种数字闭环相位连续分时降采样提取方案，核心思想之一在于：由于核磁共振陀螺输出的模拟拉莫尔进动信号经a/d模数转换模块采样转换后得到的数字信号的频率较高，而后续的相位误差提取和闭环反馈驱动不会在该频率下工作，所以需要对数字信号进行降采样处理，但是常规降采样方式会丢失大量数据，不利于核磁共振陀螺双介质闭环性能的提高。本发明通过对高频数字信号进行分时控制，并使用相敏检波模块集群进行并行连续处理，可以充分利用a/d模数转换模块对双介质拉莫尔进动信号的采样频率，使其不至于在降采样的过程中丢失过多数据，在增加数据吞吐量的同时不增加额外的数据处理延迟，最后将冗余的相位数据进行相位滤波实现更好的相位噪声抑制，能进一步提高陀螺闭环反馈的精度。
36.如图1，在本实施例中，该数字闭环相位连续分时降采样提取系统，包括：a/d模数转换模块、数据分时控制模块、相敏检波模块集群、相位滤波模块和闭环反馈控制模块。其中，a/d模数转换模块，用于对核磁共振陀螺输出的模拟拉莫尔进动信号进行采集，将采集得到的模拟拉莫尔进动信号转换为数字信号。数据分时控制模块，用于将a/d模数转换模块输出的数字信号连续分时送入相敏检波模块集群中不同的相敏检波模块，实现数字信号的降采样后输出。相敏检波模块集群中的各相敏检波模块，用于对输入的数字信号进行解调处理后输出相位信号。相位滤波模块，用于接收由不同的相敏检波模块输出的相位信号，对所述由不同的相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到总闭环相位。闭环反馈控制模块，用于根据相位滤波模块输出的总闭环相位，确定总闭环相位的变化量；根据确定的总闭环相位的变化量，反馈调整驱动磁场输出的频率，以实现核磁共振陀螺的闭环控制。
37.在本实施例中，数据分时控制模块具体可以用于：将t0时刻的数字信号送入第一相敏检波模块，将t0+t时刻的数字信号送入第二相敏检波模块，将t0+2t时刻的数字信号送入第三相敏检波模块，将t0+3t时刻的数字信号送入第四相敏检波模块，将t0+(n
‑
1)t时刻的数字信号送入第n相敏检波模块；在t0+nt时刻重复t0时刻的控制，将t0+nt时刻的数字信号送入第一相敏检波模块，依此类推，实现对数字信号的降采样输出。
38.在本实施例中，相敏检波模块集群中包含n个并行的相敏检波模块，a/d模数转换模块的采样周期为t，数据分时控制模块的降采样周期为t。n、t和t满足：t＝nt。也即，a/d模数转换模块的数字信号的频率起始时间与t0时刻对齐，同时也与降采样后的信号频率对
齐。
39.优选的，相位滤波模块具体用于：对降采样周期t内的n个相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到降采样周期t的总闭环相位；下一个降采样周期t
下
重复执行对n个相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到下一个降采样周期t
下
的总闭环相位；依此类推，得到全部降采样周期对应的总闭环相位。
40.在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种数字闭环相位连续分时降采样提取方法，包括：通过a/d模数转换模块，将核磁共振陀螺输出的模拟拉莫尔进动信号转换为数字信号；通过数据分时控制模块，将a/d模数转换模块输出的数字信号连续分时送入相敏检波模块集群中不同的相敏检波模块，实现数字信号的降采样后输出；通过相敏检波模块集群中的各相敏检波模块，对输入的数字信号进行解调处理后输出相位信号，由各相敏检波模块对数字信号进行解调处理后输出相位信号；通过相位滤波模块对所述由不同的相敏检波模块输出的相位信号进行滤波处理，得到总闭环相位；通过闭环反馈控制模块，根据相位滤波模块输出的总闭环相位，确定总闭环相位的变化量，根据确定的总闭环相位的变化量，反馈调整驱动磁场输出的频率，以实现核磁共振陀螺的闭环控制。其中，需要说明的是。在降采样的一个时钟周期t内，相敏检波模块集群中的每一个相敏检波模块都会分时输出一次结果，相位滤波模块则将这些结果进行滤波后输出该时钟周期t的总闭环相位。
41.对于方法实施例而言，由于其与系统实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例部分的说明即可。
42.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
43.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。