空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬特性研究

朱光宇 周本川 徐劍蕓

摘要：????? 帶寬是空空導(dǎo)彈IMU的重要指標(biāo)之一。 本文針對(duì)空空導(dǎo)彈光纖陀螺動(dòng)態(tài)特征中的帶寬特性進(jìn)行了研究。 分析了閉環(huán)數(shù)字光纖陀螺的帶寬特性， 以及導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路對(duì)帶寬的需求， 指出導(dǎo)航回路和制導(dǎo)回路要求帶寬較高， 而穩(wěn)定回路要求帶寬不宜過(guò)高。 提出了一種工程化的光纖陀螺帶寬測(cè)試方法， 并完成某型空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬測(cè)試。

關(guān)鍵詞：???? 光纖陀螺;? IMU;? 帶寬;? 角振動(dòng); 空空導(dǎo)彈

中圖分類(lèi)號(hào)：??? ??TJ765文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A文章編號(hào)：??? ?1673-5048（2019）03-0062-05[SQ0]

0引言

空空導(dǎo)彈作為機(jī)載戰(zhàn)術(shù)武器， 隨著載機(jī)隱身化和武器內(nèi)埋化的發(fā)展， 小型化變得更加迫切[1-2]。 為了滿(mǎn)足小型化需求， 空空導(dǎo)彈高度集成化設(shè)計(jì)， 一套慣性測(cè)量裝置（Inertial Measurement Unit， IMU）需同時(shí)滿(mǎn)足導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路三個(gè)回路的綜合需求。 陀螺是IMU的核心器件， 光纖陀螺由于動(dòng)態(tài)范圍廣、 測(cè)量精度高、 環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)， 成為空空導(dǎo)彈IMU的理想選擇。

帶寬是空空導(dǎo)彈IMU的重要指標(biāo)， 現(xiàn)代導(dǎo)彈要求陀螺的帶寬大于50 Hz[3]， 光纖陀螺具有較高的理論帶寬， 可達(dá)幾百甚至幾千赫茲[4-5]。 在實(shí)際應(yīng)用中， 空空導(dǎo)彈的導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路的力學(xué)特性各不相同， 對(duì)帶寬指標(biāo)的需求也有所區(qū)別， 同時(shí)光纖陀螺的帶寬指標(biāo)與其零偏穩(wěn)定性、 分辨率、 延遲時(shí)間等指標(biāo)也相互制約[6]。 因此， 本文針對(duì)空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬特性開(kāi)展研究。

1光纖陀螺帶寬特性

光纖陀螺啟動(dòng)后， 光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器， 在相位調(diào)制器內(nèi)部被其分束器分為兩束光， 分別在光纖環(huán)內(nèi)沿順時(shí)針和逆時(shí)針傳播， 之后兩束光在相位調(diào)制器內(nèi)部會(huì)合， 并發(fā)生干涉， 干涉光經(jīng)過(guò)耦合器到達(dá)探測(cè)器， 探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 通過(guò)電路部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、 放大、 濾波、 解調(diào)及數(shù)據(jù)輸出[6-7]， 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺原理如圖1所示。

根據(jù)光纖陀螺的動(dòng)態(tài)模型， 進(jìn)行理論推導(dǎo)變換得到光纖陀螺的傳遞函數(shù)：

F（s）=G·MTs+G·H=MH·1Tcs+1（1）

式中： Τc=τG·H為陀螺的時(shí)間常數(shù);? G·H為總的增益， 通過(guò)傳遞函數(shù)表達(dá)式可以看出陀螺系統(tǒng)為典型的一階慣性系統(tǒng)。

根據(jù)傳遞函數(shù)可以得到-3 dB帶寬為

B=12πTc=G·H2πτ（2）

與機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺不同， 光纖陀螺沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件， 理論上能夠獲得非常高的帶寬， 可達(dá)兆赫茲級(jí)別[5]。 高帶寬要求探測(cè)/解調(diào)系統(tǒng)的采樣和數(shù)字運(yùn)算速率要快， 且需要特殊的數(shù)字電路來(lái)處理頻繁的采樣數(shù)據(jù)。 對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)， 采樣速率和分辨率是一對(duì)矛盾， 因而在實(shí)際中可以根據(jù)具體需求選擇帶寬， 由于光纖陀螺噪聲較大， 輸出的數(shù)據(jù)一般還要經(jīng)數(shù)字濾波以減少噪聲， 從而在一定程度上將限制帶寬， 光纖陀螺產(chǎn)品帶寬一般在千赫茲以下[8]。

2空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬需求分析

2.1導(dǎo)航回路對(duì)光纖陀螺帶寬需求分析

IMU直接固聯(lián)在空空導(dǎo)彈上， 導(dǎo)航回路通過(guò)敏感IMU的測(cè)量信息， 利用導(dǎo)航算法， 獲得空空導(dǎo)彈自身的姿態(tài)、 速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 其功能框圖如圖3所示。

導(dǎo)航回路要求光纖陀螺真實(shí)敏感彈體角運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)光纖陀螺帶寬過(guò)低時(shí)， 對(duì)高頻信息能量造成衰減， 有可能導(dǎo)致彈體角運(yùn)動(dòng)信號(hào)表征不夠全面， 造成姿態(tài)誤差變大， 導(dǎo)航誤差也隨之增大。 空空導(dǎo)彈基本結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率約50 Hz， 為真實(shí)反映彈體角運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)航回路對(duì)光纖陀螺組合帶寬的要求一般在100 Hz以上。

2.2制導(dǎo)回路對(duì)光纖陀螺帶寬需求分析

新型空空導(dǎo)彈普遍采用全捷聯(lián)制導(dǎo)體制， 制導(dǎo)回路利用IMU信息對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行捷聯(lián)去耦， 隔離彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)引頭測(cè)量信息的影響。

全捷聯(lián)制導(dǎo)回路從IMU獲得實(shí)時(shí)的導(dǎo)彈姿態(tài)角速度信息， 通過(guò)快速解算得到彈體角運(yùn)動(dòng)造成的天線(xiàn)指向偏差的實(shí)時(shí)修正值， 然后將計(jì)算結(jié)果及時(shí)傳給波束控制系統(tǒng)， 由波束控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)波束指向角的修正[9-10]。 導(dǎo)引頭計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)解耦過(guò)程中的數(shù)學(xué)解算， 并將輸出的解耦信號(hào)與雷達(dá)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行融合形成制導(dǎo)信號(hào)， 最終輸送給彈體控制系統(tǒng)。 全捷聯(lián)制導(dǎo)回路原理圖如圖4所示。

為了實(shí)時(shí)反映彈體運(yùn)動(dòng)， 減小寄生耦合， 制導(dǎo)回路對(duì)光纖陀螺帶寬要求與導(dǎo)航回路相似， 理論上是越高越好。

2.3穩(wěn)定回路對(duì)光纖陀螺帶寬需求分析

穩(wěn)定回路利用IMU作為自動(dòng)駕駛儀的傳感器， 設(shè)計(jì)穩(wěn)定算法由彈載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)彈控制參數(shù)， 使導(dǎo)彈在飛行空域中具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性， 其框圖如圖5所示。

穩(wěn)定回路一般要求光纖陀螺、 舵機(jī)等高頻部件在自動(dòng)駕駛儀工作頻率范圍內(nèi)造成的相移不超過(guò)30°～45°。 光纖陀螺帶寬不宜過(guò)高， 高帶寬陀螺對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)衰減較小， 舵機(jī)引入高頻噪聲， 造成舵機(jī)高頻抖動(dòng)， 甚至?xí)斐煞€(wěn)定回路在高階模態(tài)頻率處失穩(wěn)。

3光纖陀螺帶寬測(cè)試方法

3.1帶寬測(cè)試方案

光纖陀螺帶寬測(cè)試方法有正弦調(diào)制法[11]、 等效輸入法[4，12]、 相關(guān)辨識(shí)法[13-14]、 角振動(dòng)法[15]、? 基于 Faraday 效應(yīng)法[5]等多種測(cè)試方法。 本文采用角振動(dòng)方法， 通過(guò)角振動(dòng)臺(tái)使光纖陀螺在不同頻率下進(jìn)行角振動(dòng)， 同步記錄光纖陀螺輸出信號(hào)和角振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)信號(hào)（光纖陀螺輸入信號(hào)）， 根據(jù)光纖陀螺的輸入輸出信號(hào)計(jì)算其頻率特性。

角振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)信號(hào)可通過(guò)加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量， 加速度計(jì)用于測(cè)量角振動(dòng)臺(tái)的線(xiàn)加速度， 經(jīng)數(shù)學(xué)變換可變?yōu)榻撬俣龋?從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量角振動(dòng)臺(tái)角速度的功能， 試驗(yàn)用加速度計(jì)帶寬要求小于等于500 Hz。 試驗(yàn)時(shí)將光纖陀螺固定在角振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上， 同時(shí)將加速度計(jì)以及測(cè)試模塊固定在角振動(dòng)臺(tái)面， 其中加速度計(jì)的敏感方向應(yīng)與在角振動(dòng)臺(tái)安裝位置的切向平行， 安裝示意圖如圖6所示。

3.2帶寬測(cè)試處理方法

光纖陀螺在頻率ωi下輸出可表示為

4光纖陀螺帶寬測(cè)試結(jié)果

將某型空空導(dǎo)彈光纖陀螺通過(guò)試驗(yàn)工裝固定在角振動(dòng)臺(tái)面的中央， 使其輸入軸和角振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)軸方向一致， 也將加速度計(jì)裝夾在角振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面， 加速度計(jì)的測(cè)量方向和角振動(dòng)臺(tái)切線(xiàn)方向相平行。 角振動(dòng)臺(tái)從低頻開(kāi)始， 逐個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行角振動(dòng)試驗(yàn)， 同時(shí)記錄光纖陀螺和加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)， 并按照光纖陀螺帶寬測(cè)試處理方法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 光纖陀螺幅頻特性的詳細(xì)結(jié)果如表1所示， 曲線(xiàn)如圖7所示， 根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知， 此型光纖陀螺帶寬為152.9 Hz。

5結(jié)論

本文針對(duì)空空導(dǎo)彈特定應(yīng)用背景， 分析了光纖陀螺帶寬特性， 分別從導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路綜合分析， 指出導(dǎo)航回路和制導(dǎo)回路為了實(shí)時(shí)反映彈體運(yùn)動(dòng)， 要求光纖陀螺帶寬較高， 而穩(wěn)定回路要求光纖陀螺帶寬不宜過(guò)高， 高帶寬可能造成穩(wěn)定回路高頻抖動(dòng)甚至失穩(wěn)。 綜合各回路應(yīng)用需求， 光纖陀螺帶寬一般選擇在80～200 Hz范圍。 提出光纖陀螺工程化帶寬測(cè)試方法， 并對(duì)某型空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果帶寬為152.9 Hz， 滿(mǎn)足空空導(dǎo)彈對(duì)光纖陀螺帶寬要求。

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