微型三軸一體化光纖陀螺研究

周昌學(xué)，陳朝春，卜繼軍，付 靜，帥師師，胡 興，牟炳富

(四川壓電與聲光技術(shù)研究所，重慶 400060)

光纖陀螺從1976 年提出到現(xiàn)在，已走過了從原理樣機(jī)到工程應(yīng)用的多個階段。作為新一代光學(xué)速率傳感器，光纖陀螺相比于其他陀螺具有壽命長、抗振動沖擊性能好、動態(tài)范圍大、體積小、結(jié)構(gòu)和加工工藝簡單、成本低等特點［1-3］。目前，國內(nèi)從中低精度到0.001 °/h 的高精度陀螺均有報道，其應(yīng)用范圍從軍用的航空航天、武器制導(dǎo)、戰(zhàn)車導(dǎo)航、衛(wèi)星姿態(tài)控制到民用的石油鉆井、軌道檢測、機(jī)器人控制、車輛導(dǎo)航等均有覆蓋。隨著光纖陀螺技術(shù)的日益成熟，其應(yīng)用前景會更加廣闊。

目前光纖陀螺從結(jié)構(gòu)上大體有單軸和三軸一體化之分。隨著光纖陀螺技術(shù)的不斷成熟、發(fā)展，三軸一體化光纖陀螺受到越來越多的關(guān)注［4］。通常在慣性導(dǎo)航或姿態(tài)控制應(yīng)用中需要測量3 個方向的角速度信息，簡單的實現(xiàn)方案可采用3 套單軸光纖陀螺進(jìn)行組合，但組合后其體積、功耗和成本通常難以達(dá)到系統(tǒng)的要求。基于慣性導(dǎo)航或控制系統(tǒng)的需要，從降低成本、簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間和降低功耗等方面考慮，把3 個軸向正交陀螺的部分器件經(jīng)過有效的整合，實現(xiàn)三軸陀螺的一體化設(shè)計可解決上述問題［5］。

1 微型三軸一體化光纖陀螺總體結(jié)構(gòu)

單軸閉環(huán)光纖陀螺由SLD 光源、2 ×2 耦合器、Y 波導(dǎo)、光纖環(huán)和探測器構(gòu)成。三軸一體化光纖陀螺儀的實現(xiàn)方案有很多種，比如共用光源方案［6］、時分復(fù)用方案、共用處理電路方案等［5，7］，都可降低成本、簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間、降低功耗。本文在對三軸光纖陀螺精度、體積、功耗進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將共用光源方案、時分復(fù)用方案、共用處理電路方案結(jié)合起來，設(shè)計了微型三軸一體化光纖陀螺。

微型三軸一體化光纖陀螺中3 個光纖陀螺光路共用1個光源和1 個探測器，而Y 波導(dǎo)和光纖環(huán)仍獨立使用，2 ×2耦合器變成3 ×3 耦合器，信號處理部分由3 個獨立部分合成1 個整體，三軸一體化光纖陀螺總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 微型三軸一體化光纖陀螺總體結(jié)構(gòu)

2 微型三軸一體化光纖陀螺設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型三軸一體化光纖陀螺結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為減小光路體積并充分利用結(jié)構(gòu)的空間提高光纖陀螺精度，在光纖環(huán)的設(shè)計上采用異形化(一般光纖環(huán)均為圓形)設(shè)計，將光纖環(huán)設(shè)計成橢圓形，這樣既能保證光纖環(huán)有足夠的有效面積和長度，又有利于其他光學(xué)器件的安裝。通過光纖環(huán)的異形化設(shè)計，大大降低了系統(tǒng)體積，在8 cm×8 cm×7 cm 尺寸下完成了三軸一體化光纖陀螺設(shè)計。同時設(shè)計上還預(yù)留了擴(kuò)展空間，可用于安裝DC-DC 電源，以適應(yīng)不同用戶對不同供電的要求。

圖2 微型三軸一體化光纖陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計

需要注意的是，橢圓形光纖環(huán)對光纖繞環(huán)工藝提出了更高的要求，需要在4 極對稱繞環(huán)精度和繞環(huán)張力變化上進(jìn)行更進(jìn)一步的控制，同時在涂膠工藝上也需要優(yōu)化。

2.2 信號處理設(shè)計

三軸一體化光纖陀螺信號處理部分采用3 軸共用1 套信號檢測與處理電路的方法。其與單軸光纖陀螺一樣由前置放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路等組成，完成光干涉信號的采集、處理和傳輸。處理器(FPGA)通過時序控制完成3 軸角速度信號在1 套信號檢測與處理電路上的分時檢測與輸出。

三軸一體化光纖陀螺時分復(fù)用的原理是給1 軸光路加調(diào)制信號時，另2 軸不加調(diào)制處于非工作狀態(tài)，實現(xiàn)3 個陀螺交替工作。加調(diào)制的信號頻率高，未加調(diào)制的信號變化緩慢，根據(jù)頻率的不同可以區(qū)分混在一起的信號和“噪聲”。即系統(tǒng)在對x 軸施加調(diào)制信號使其處于閉環(huán)工作狀態(tài)并輸出角速度信息時，y 軸和z 軸不加調(diào)制并處于開環(huán)非工作狀態(tài)。其工作時序如圖3 所示，按照一定的時間間隔，x、y、z 軸輪流處于工作狀態(tài)。

圖3 三軸一體化光纖陀螺工作時序

系統(tǒng)采用單個D/A 電路完成3 路信號的閉環(huán)反饋，對三軸陀螺施加的反饋信號通過1 個控制開關(guān)進(jìn)行通道切換，電路原理如圖4 所示。將D/A 輸出調(diào)制信號輸送至放大電路，經(jīng)放大后作為反饋信號，控制信號根據(jù)時序信號選擇合適的通道將反饋信號加載到相應(yīng)陀螺的相位調(diào)制器上，完成閉環(huán)控制。

圖4 三軸一體化光纖陀螺時分控制

2.3 溫度補(bǔ)償技術(shù)

構(gòu)成光纖陀螺的主要器件如SLD 光源、Y 波導(dǎo)、光纖環(huán)等對溫度比較敏感，為提高陀螺全溫精度，對其進(jìn)行全溫誤差參數(shù)補(bǔ)償非常重要［8］。在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮工程實用性，建立了三軸光纖陀螺儀的全溫誤差模型:

式中:Nx，Ny，Nz為三軸陀螺輸出量;ωx，ωy，ωz為三軸陀螺輸入轉(zhuǎn)動角速度;E0x，E0y，E0z為三軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)擬合常值項;kij(i=x，y，z;j=1，2)為三軸陀螺標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù);Eyx，Ezx，Exy，Ezy，Exz，Eyz為三軸光纖陀螺的交叉耦合系數(shù);kij(i=x，y，z;j=x，y，z)為三軸陀螺交叉耦合系數(shù)的溫度系數(shù);D0x，D0y，D0z為三軸陀螺的零偏溫度系數(shù)擬合常值項;kij(i=x，y，z;j=3，4)為三軸向陀螺零偏溫度系數(shù)。

3 微型三軸一體化光纖陀螺性能

研制出的微型三軸一體化光纖陀螺照片如圖5 所示。

圖5 微型三軸光纖陀螺照片

微型三軸一體化光纖陀螺樣機(jī)研制完成后，進(jìn)行了一系列的常規(guī)測試。實測的三軸光纖陀螺主要指標(biāo)為:零偏穩(wěn)定性均小于2°/h，零偏重復(fù)性均小于2°/h。此外，還完成了高低溫工作、溫度循環(huán)、振動與沖擊等試驗，滿足設(shè)計要求。目前，三軸一體化光纖陀螺儀已經(jīng)成功應(yīng)用到了某系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

微型三軸一體化光纖陀螺采用光源、探測器和信號處理電路共用方案，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用橢圓化光纖環(huán)，在信號處理上采用時分復(fù)用的方法。研制出的三軸光纖陀螺體積小于8 cm×8 cm ×7cm，零偏穩(wěn)定性小于2°/h，零偏重復(fù)性小于2°/h，陀螺溫度性能較好，具有較強(qiáng)的抗振動沖擊能力。

［1］張桂才. 光纖陀螺原理與技術(shù)［M］. 國防工業(yè)出版社，2008.

［2］Lefevre H C.The Fiber-Optic Gyroscope［M］.London:ARTECH HPUSE，1993.

［3］石國祥，陳堅，葉軍，等.光纖陀螺溫度影響的非線性綜合誤差補(bǔ)償［J］.四川兵工學(xué)報，2011，32(3):76-78.

［4］金靖，宋凝芳，李敏，等.衛(wèi)星用光纖陀螺三軸組合的關(guān)鍵技術(shù)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，32(11):1386-1389.

［5］盛鐘延，周柯江，葉煒.光纖陀螺(FOG)小型化技術(shù)［J］.激光與紅外，2002，30(1):53-55.

［6］劉會文，朱杰，李佳程. 三軸一體化光纖陀螺技術(shù)［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2007，15(5):612-614.

［7］魯軍，劉軍，王立冬.一種三軸光纖陀螺時分復(fù)用方案的設(shè)計與分析［J］. 中國慣性技術(shù)學(xué)報，2009，17(5):586-588.

［8］吉世濤，秦永元，藍(lán)燕. 光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角溫度補(bǔ)償研究［J］. 測控技術(shù)，2010，29(10):6-8.