彈載微小型化三軸一體光纖陀螺組合設(shè)計(jì)*

李家韡，劉德文，陳華江,2，朱 一,2，姜海洋，葉 童

（1.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；2.上海新躍聯(lián)匯電子科技有限公司·上?！?00233）

0 引 言

光纖陀螺由于具有精度高、壽命長、可靠性高、動(dòng)態(tài)范圍寬、全固態(tài)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今慣性儀表的發(fā)展方向。光纖陀螺基于自身的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭、航天衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)及戰(zhàn)略武器裝備等軍用領(lǐng)域，以及航空、航海、無人機(jī)、機(jī)器人、隧道挖掘、礦井開采、油井探測(cè)、地面車輛導(dǎo)航等民用領(lǐng)域。光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的不同會(huì)帶來應(yīng)用環(huán)境的個(gè)性化差異，三軸一體光纖陀螺組合在兼顧傳統(tǒng)光纖陀螺優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可進(jìn)一步降低功耗、減小質(zhì)量及體積，已成為新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈姿態(tài)控制及慣性導(dǎo)航的重要角速度傳感器。

現(xiàn)有報(bào)道的三軸一體光纖陀螺由于在設(shè)計(jì)過程中僅考慮單機(jī)產(chǎn)品的小體積及小質(zhì)量設(shè)計(jì)，忽略了環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和與其余敏感元件及功能模塊的接口適配問題。國內(nèi)現(xiàn)有三軸一體光纖陀螺產(chǎn)品均采用陀螺密集型設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)局部減振。由于陀螺內(nèi)部結(jié)構(gòu)密集，熱傳導(dǎo)能力差，致使陀螺在溫度變化下零位偏置變化較大。此外，現(xiàn)有產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上僅考慮陀螺單機(jī)的小型化要求，未考慮陀螺與加速度計(jì)、彈上接口電路及探測(cè)制導(dǎo)等模塊的機(jī)械安裝和數(shù)據(jù)通信的適配性。這些問題導(dǎo)致現(xiàn)有產(chǎn)品在應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)武器型號(hào)時(shí)，無法真正發(fā)揮三軸一體陀螺組合小體積、小質(zhì)量設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而造成飛行控制系統(tǒng)無法有效集成光電探測(cè)、慣性導(dǎo)航及姿態(tài)控制。

本文通過三軸一體光纖陀螺組合進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了陀螺的小型化要求，在采用模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了產(chǎn)品內(nèi)部熱傳導(dǎo)能力，并通過增加橡膠減振器實(shí)現(xiàn)了敏感模塊的減振設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。在接口設(shè)計(jì)上，通過優(yōu)化與總體設(shè)計(jì)接口的適配性，與飛行控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了光電探測(cè)、慣性導(dǎo)航及姿態(tài)控制等功能。

1 彈載三軸一體光纖陀螺組合詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1 三軸一體光纖陀螺組合工作原理

三軸一體光纖陀螺組合由1個(gè)陀螺光源模塊及3個(gè)陀螺敏感模塊共同構(gòu)成。陀螺光源模塊由超輻射發(fā)光光源、一分三光纖耦合器及光源驅(qū)動(dòng)電路組成，同時(shí)為三路陀螺敏感組件模塊提供光波信號(hào)。陀螺敏感組件模塊由一分二光纖耦合器、Y波導(dǎo)集成光學(xué)相位調(diào)制器、脫骨架光纖環(huán)、光電探測(cè)器及陀螺控制電路組成。三軸陀螺敏感組件正交安裝，用于測(cè)量三正交軸向角速率輸入，每個(gè)陀螺敏感組件由獨(dú)立的閉環(huán)檢測(cè)電路進(jìn)行控制，閉環(huán)檢測(cè)電路負(fù)責(zé)光干涉信號(hào)的采集、處理、解調(diào)和傳輸。閉環(huán)檢測(cè)電路主要包括閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)及控制、數(shù)字接口輸出等環(huán)節(jié)。其中閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)電路由前放濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）處理電路、DA轉(zhuǎn)換電路、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)字量接口通信電路組成，用于實(shí)現(xiàn)光干涉信號(hào)的檢測(cè)與解調(diào)、閉環(huán)反饋和角速度輸出等功能，其原理圖如圖1所示。

圖1 三軸一體光纖陀螺原理圖Fig.1 Schematic diagram of a three-axis integrated fiber optic gyroscope

1.2 彈載三軸一體光纖陀螺組合模塊化、集成化設(shè)計(jì)

由于戰(zhàn)術(shù)武器輕小型化要求日益加劇，彈載三軸一體光纖陀螺須在滿足精度要求的前提下進(jìn)行輕小型化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)三軸一體光纖陀螺在輕小型化設(shè)計(jì)過程中未能進(jìn)行模塊化、集成化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在減小體積和質(zhì)量的情況下性能降低，無法實(shí)現(xiàn)部分組件及部件的單元測(cè)試，整機(jī)出現(xiàn)故障，難以進(jìn)行模塊化的拆卸返修等。

本文采用模塊化、集成化技術(shù)進(jìn)行輕小型化三軸一體光纖陀螺設(shè)計(jì)，首先將三軸一體光纖陀螺劃分為1個(gè)陀螺光源模塊及3個(gè)陀螺敏感模塊。將光源恒流驅(qū)動(dòng)與管芯溫控的電路進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，利用系統(tǒng)級(jí)封裝（System in a Package，SIP）技術(shù)將光源恒流驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷電路及運(yùn)算放大電路進(jìn)行數(shù)?；旌戏庋b。將用于閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)的陀螺敏感模塊及對(duì)外數(shù)字通信的陀螺控制電路進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，利用SIP技術(shù)將前置放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA處理電路、DA轉(zhuǎn)換電路、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)字量接口通信電路進(jìn)行數(shù)?；旌戏庋b。基于上述數(shù)?；旌戏庋b芯片形成輕小型集成化陀螺電路。

SIP數(shù)模混合集成電路模塊采用全氣密陶瓷方形扁平封裝（Ceramic Quad Flat Pack，CQFP），基本結(jié)構(gòu)采用外殼加基板的形式，外殼為帶底部熱沉的陶瓷結(jié)構(gòu)，由Kovar圍框、外引腳連接器和蓋板組成，通過氣密縫焊工藝實(shí)現(xiàn)金屬蓋板與腔體的密封。蓋板和圍框材料為Kovar合金，底部熱沉為MoCu材料，外引腳連接器為高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramics，HTCC）和Kovar金屬組成。內(nèi)基板采用低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）工藝和薄膜布線工藝加工。數(shù)?；旌想娐稬TCC基板層數(shù)為7層，薄膜電路層數(shù)為1層。LTCC基板布線最小線寬為150μm，薄膜布線最小線寬為100μm。內(nèi)部有源芯片和LTCC基板采用絕緣膠粘貼，表貼電阻和電容采用導(dǎo)電膠粘貼。電路模塊封裝內(nèi)采用了高精度貼片工藝和細(xì)間距引線鍵合工藝等，芯片與阻容平鋪，阻容最小組裝間距200μm，引線鍵合最小間距57.5μm。

1.3 彈載三軸一體光纖陀螺組合環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

彈載光纖陀螺組合根據(jù)武器系統(tǒng)使用情況的不同，對(duì)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的要求也有相應(yīng)的區(qū)別。彈載光纖陀螺須滿足-40℃～60℃的工作溫度及一定量級(jí)的高、低頻率機(jī)械振動(dòng)及沖擊。光纖陀螺工作環(huán)境的溫度變化主要引起光纖折射率的變化，產(chǎn)生寄生相移，導(dǎo)致陀螺敏感光纖環(huán)產(chǎn)生Shupe效應(yīng)，造成陀螺零位偏置變化。

設(shè)光纖環(huán)長度為，其中極小的一段長度為δ，其距離光纖環(huán)兩端的距離分別為和-。為光纖傳輸折射率，當(dāng)溫度發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，引起的光纖折射率變化為dd，其對(duì)應(yīng)的相位差為

（1）

式中，為光纖中光速；為光波波長。當(dāng)為0或者時(shí)，即越接近光纖環(huán)的兩端發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，引入的相位誤差越大。另外，可以發(fā)現(xiàn)光纖環(huán)關(guān)于中心的對(duì)稱位置同時(shí)發(fā)生溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的相位誤差是一致的，因?yàn)棣ぃǎ?-Δ（-）。

光纖陀螺在工作過程中，光源會(huì)產(chǎn)生熱量，是主要熱源。這些熱量通過傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流會(huì)傳遞到三路光纖陀螺敏感組件,進(jìn)而影響光纖陀螺的性能，特別是小型化光纖陀螺，由于其傳熱路徑短、熱容量小和散熱條件差，極其容易受到熱源的影響。三軸一體光纖陀螺采用模塊化設(shè)計(jì)，總體布局時(shí)將發(fā)熱量較大的陀螺光源模塊安裝至散熱較好的金屬底板，將易受溫度變化影響的陀螺敏感組件模塊安裝至遠(yuǎn)離熱源且熱傳遞緩慢的區(qū)域，以保證陀螺在溫度變化較大的環(huán)境下精度滿足要求。

振動(dòng)及沖擊環(huán)境下，影響光纖陀螺性能的主要原因在于，光纖陀螺中敏感元件光纖環(huán)在振動(dòng)環(huán)境下性能下降，導(dǎo)致光纖的折射率和應(yīng)力分布均發(fā)生變化。具體體現(xiàn)在振動(dòng)引起的非互易相移變化，根據(jù)彈光效應(yīng)理論，光纖受到外界應(yīng)力影響導(dǎo)致其形狀和折射率發(fā)生變化。因而，振動(dòng)前后光波相移會(huì)有不同，光纖陀螺中相互傳播的兩路光波就會(huì)產(chǎn)生非互易相移，這種非互易相移導(dǎo)致的誤差可以表示為

=cos（+）

（2）

式中，為受振動(dòng)輸入影響的非互易相移誤差的幅值;為振動(dòng)輸入頻率;為受振動(dòng)輸入影響的非互易相移誤差的初始相位。該非互易相位誤差會(huì)導(dǎo)致陀螺零偏發(fā)生變化，從而影響陀螺在振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)速精度。根據(jù)對(duì)彈載光纖陀螺實(shí)際運(yùn)輸及飛行振動(dòng)、沖擊環(huán)境的分析，須在設(shè)計(jì)過程中提高陀螺結(jié)構(gòu)的剛度，并針對(duì)光纖陀螺的敏感模塊進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，以避免導(dǎo)彈高頻振動(dòng)及沖擊導(dǎo)致的光纖敏感環(huán)非互易相移變化。

三軸一體光纖陀螺結(jié)構(gòu)主體材料選用高剛度、小質(zhì)量的鋁合金結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)通過增加關(guān)鍵部位厚度、優(yōu)化器件安裝方式等手段，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升了陀螺抗沖擊振動(dòng)性能。通過有限元軟件仿真分析，陀螺組合中易受振動(dòng)沖擊影響的陀螺敏感組件模塊本體結(jié)構(gòu)在3000Hz以內(nèi)無諧振點(diǎn)。本體結(jié)構(gòu)固有頻率如表1所示，本體各階模態(tài)的固有頻率均高于一般導(dǎo)彈使用環(huán)境頻率要求。

表1 三軸一體光纖陀螺敏感模塊各階模態(tài)固有頻率Tab.1 Natural frequencies of three-axis integrated fiber optic gyroscope sensitive modules

為了進(jìn)一步改善高頻振動(dòng)及沖擊環(huán)境帶來的陀螺性能下降，對(duì)三軸一體光纖陀螺敏感模塊進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，采用內(nèi)置橡膠減振器對(duì)敏感模塊進(jìn)行減振，可以顯著降低陀螺敏感組件高頻振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)量級(jí)。將三維傳感器粘貼在陀螺各軸敏感模塊上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行20～2000Hz的高頻隨機(jī)振動(dòng)。如圖2所示，陀螺軸、軸、軸輸入的高頻振動(dòng)在200Hz以上時(shí)，振動(dòng)量級(jí)得到顯著降低，減振效率達(dá)70%。

（a） X軸敏感模塊

（b） Y軸敏感模塊

（c） Z軸敏感模塊圖2 高頻振動(dòng)下各敏感模塊減振情況Fig.2 Vibration reduction of sensitive module under high frequency vibration

1.4 彈載三軸一體光纖陀螺組合接口適配性設(shè)計(jì)

彈載光纖陀螺組合由于需要適配不同的彈體體積空間，并根據(jù)系統(tǒng)需要與其余功能模塊，諸如紅外探測(cè)制導(dǎo)模塊、姿態(tài)控制模塊、導(dǎo)航捷聯(lián)解算模塊及彈上計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行一體化集成，因而需要進(jìn)行陀螺模塊化設(shè)計(jì)，并形成可以變更多種系統(tǒng)接口的三軸一體光纖陀螺組合。

為適應(yīng)系統(tǒng)異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，可將陀螺敏感模塊及陀螺光源模塊進(jìn)行不同機(jī)械排布。不同的機(jī)械排布可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械接口的適應(yīng)性匹配，優(yōu)化熱隔離設(shè)計(jì)，可根據(jù)系統(tǒng)要求與其余模塊實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，并根據(jù)線角耦合要求調(diào)整產(chǎn)品質(zhì)心偏差，控制陀螺線角耦合指標(biāo)。

2 彈載三軸一體光纖陀螺組合產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 彈載三軸一體光纖陀螺組合常溫零偏性能

根據(jù)系統(tǒng)使用需求，陀螺考核一次上電啟動(dòng)零偏穩(wěn)定性時(shí)間應(yīng)不小于1000s。在常溫?zé)o熱機(jī)狀態(tài)下,對(duì)三軸一體光纖陀螺組合上電測(cè)試2400s，陀螺各敏感軸模塊輸出如圖3所示。三軸一體光纖陀螺軸100s平滑零偏穩(wěn)定性為0.036（°）/h（1），陀螺軸100s平滑零偏穩(wěn)定性為0.031（°）/h（1），陀螺軸100s平滑零偏穩(wěn)定性為0.037（°）/h（1）。

（a） 陀螺X軸常溫零偏輸出

（b） 陀螺Y軸常溫零偏輸出

（c） 陀螺Z軸常溫零偏輸出圖3 三軸一體光纖陀螺常溫零偏輸出Fig.3 Static zero deviation output curve of three-axis integrated fiber optic gyroscope under normal temperature range

2.2 彈載三軸一體光纖陀螺組合振動(dòng)性能

根據(jù)系統(tǒng)使用需求，陀螺使用環(huán)境飛行振動(dòng)頻率一般為20～2000Hz，振動(dòng)量級(jí)均方根加速度一般在6～13（為重力加速度）之間。將三軸一體光纖陀螺安裝至電磁振動(dòng)臺(tái)，分別對(duì)三軸一體光纖陀螺、、三方向輸入高頻隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)頻率為20～2000Hz，振動(dòng)量級(jí)均方根加速度為13.44。記錄不同方向振動(dòng)輸入下陀螺各敏感軸角速度信號(hào)輸出，并計(jì)算振中輸出偏差，結(jié)果如表2所示。

表2 三軸一體光纖陀螺組合高頻振動(dòng)各敏感模塊角速度輸出及振中輸出變化量Tab.2 Sensitive module angular rate output and variation in vibration output under threee-axis high frequency vibration

2.3 彈載三軸一體光纖陀螺組合溫度性能

根據(jù)系統(tǒng)使用需求，陀螺使用環(huán)境溫度一般在-40℃～60℃。將三軸一體光纖陀螺放入溫度試驗(yàn)箱，其溫度變化范圍為-40℃～60℃，溫度變化梯度為1℃/min，全程采集陀螺零偏輸出。陀螺輸出曲線及外界溫度變化曲線如圖4所示。陀螺軸全溫100s平滑零偏穩(wěn)定性為0.067（°）/h（1），陀螺軸全溫100s平滑零偏穩(wěn)定性為0.056（°）/h（1），陀螺軸全溫100s平滑零偏穩(wěn)定性為0.075（°）/h（1）。

（a） 陀螺X軸全溫零偏輸出

（b） 陀螺Y軸全溫零偏輸出

（c） 陀螺Z軸全溫零偏輸出

（d） 外界溫度變化圖4 三軸一體光纖陀螺全溫零偏輸出Fig.4 Total temperature angle rate output of three-axis integrated fiber optic gyroscope under whole temperature range

3 結(jié) 論

本文通過采用光學(xué)及電子元器件SIP技術(shù),實(shí)現(xiàn)了三軸一體光纖陀螺組合的模塊化、集成化設(shè)計(jì)。通過模塊化、集成化設(shè)計(jì)，優(yōu)化與總體設(shè)計(jì)接口的適配性，與飛行控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了光電探測(cè)、慣性導(dǎo)航及姿態(tài)控制等功能。通過產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)及敏感模塊剛度設(shè)計(jì)、減振設(shè)計(jì)，提高了陀螺一次啟動(dòng)零偏穩(wěn)定性以及在溫度變化、振動(dòng)沖擊環(huán)境下的零偏性能指標(biāo)，陀螺一次啟動(dòng)零偏穩(wěn)定性小于0.04（°）/h（1），-40℃～60℃溫度范圍內(nèi)，溫度變化梯度為1℃/min時(shí)零偏穩(wěn)定性小于0.08（°）/h（1），高頻隨機(jī)振動(dòng)振中零偏偏差小于0.4（°）/h。