CN107356241A - 一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体 - Google Patents

一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体 Download PDF

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Abstract

一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其中光学敏感部件包括三个完全独立的光纤陀螺仪，陀螺仪的敏感轴正交斜置安装在半锥角为54°44′08″的圆锥体侧面上；信号处理部件包括三个完全独立的信号处理电路和一个二次电源模块，二次电源模块中包含三份完全独立的二次电源电路。在电气功能上该组合体包括三个完全独立的角速度测量通道，每个通道包括一份二次电源电路、一份信号处理电路和一只光纤陀螺仪，提高了测量的独立性，同时可以实现故障隔离，提高了组合体的可靠性，采用三轴斜置的方案能够使该组合体比较方便地与其它陀螺组合进行冗余配置，提高了测量精度。

Description

一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体
技术领域
本发明涉及惯性测量技术领域，特别涉及一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体。
背景技术
光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的新型惯性仪表，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长等优点，在空间惯性技术领域具有独特的优势，被广泛应用于空间飞行器的制导、导航和控制系统中。
在现有的光纤陀螺组合体中，一般采用集成一体化设计，光学敏感部件和信号处理部件均安装在一个结构体上，这种设计方式在低精度的产品中应用比较广泛，能够在较小的体积和较轻的重量下实现角速度测量，但针对甚高精度的产品，由于仪表的体积较大，为了确保力学特性，需要增加结构体的厚度确保力学环境适应性，这样便增加了产品的重量，不利于轻质化设计。
发明内容
本发明目的在于：克服甚高精度光纤陀螺组合体重量上的不足，提供了一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，该组合体中光纤陀螺仪表和信号处理电路分别安装在不同的结构体上，并且采取三个完全独立的角速度测量通道，三个通道互相没有任何的电气连接，降低了整个产品的重量。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，包括相互分离的光学敏感部件和信号处理部件，且光学敏感部件和信号处理部件之间通过电缆连接和通讯。
所述光学敏感部件包括三只光纤陀螺仪，三个陀螺敏感轴相互垂直，并且三个陀螺敏感轴均匀分布于半锥角为α＝54°44′08″的圆锥体侧面上，三个陀螺敏感轴在本体坐标系XOY平面内两两之间的投影夹角为120°。
本体坐标系的原点为光学敏感部件的质心，X轴和Y轴均位于水平面内，X轴的正方向与其中一个光纤陀螺仪敏感轴在水平面的投影方向相反，Y轴在水平面内与X轴垂直，Z轴垂直于水平面。
光纤陀螺仪中的光纤采用直径为135μm的细径保偏光纤，且所述光纤采用双层磁屏蔽。
所述信号处理部件包括三个相同的信号处理电路和三个相同的二次电源电路。
包括三个完全独立的角速度测量通道，每个通道包括一只光纤陀螺仪、一个信号处理电路和一个二次电源电路。
信号处理电路包括DSP、FPGA、A/D、电平转换电路以及1553B控制器；
光纤陀螺仪输出信号经电平转换后进入FPGA计数，完成陀螺输出信息的采集；温度信号经A/D转换后进入FPGA，完成温度信息的采集；DSP从FPGA中读取相应信息并进行处理，在1553B控制器的控制下，以1553B的接口形式实现与姿态控制系统的通信。
二次电源电路的一次电源电压输入范围为24V～45V，一次电压纹波≤600mV，每路二次电源电压的稳定度≤3％。
二次电源电路中均设置有磁保持继电器；姿态控制系统发送通断指令给二次电源电路，二次电源电路接收所述通断指令后，控制磁保持继电器进行开合，实现二次电源电压的通断控制。
姿态控制系统发送通断指令为开路集电极输出，常态为不导通状态，低电平有效，信号持续时间80ms±10ms，吸收电流能力不小于180mA。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的光学敏感部件与信号处理部件在结构上作为两个独立的单机使用，对于甚高精度产品大大减轻了产品的重量，并且光学敏感部件可以直接安装在有效载荷附近，提高了姿态测量的精度，光学敏感部件的功耗较低，对有效载荷的影响小；
(2)本发明的在电气设计上采用三个完全独立的角速度测量通道，二次电源模块由三份相同的二次电源电路组成，每份二次电源电路分别为本通道的光纤陀螺仪和信号处理电路单独供电，并且每个通道可以实现独立的通断控制，确保测量的独立性，可以方便地与其它陀螺进行冗余设计，提高了产品的可靠性。
附图说明
图1为本发明光纤陀螺组合体的光学敏感部件和信号处理部件；
图2为本发明光纤陀螺组合体的信号处理部件；
图3为本发明光纤陀螺组合体的信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示，本发明提出了一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，包括相互分离的光学敏感部件和信号处理部件，且光学敏感部件和信号处理部件之间通过电缆连接和通讯。该结构形式在安装上比较方便，光学敏感部件能够比较自由地与有效载荷安装在一起，提高了姿态控制系统的性能。
光学敏感部件包括三只光纤陀螺仪，三个陀螺敏感轴相互垂直，并且三个陀螺敏感轴均匀分布于半锥角为α＝54°44′08″的圆锥体侧面上，三个陀螺敏感轴在本体坐标系XOY平面内两两之间的投影夹角为120°。这样使光纤陀螺组合体比较方便地与其它惯性器件进行冗余配置，提高了系统的可靠性。
光纤陀螺仪中的光纤采用直径为135μm的细径保偏光纤，且所述光纤采用双层磁屏蔽，有效减小了组合体的体积和重量，提高了组合体的空间磁环境适应性。
如图2所示，信号处理部件包括三个相同的信号处理电路和三个相同的二次电源电路。
本发明的光纤陀螺组合体包括三个完全独立的角速度测量通道，每个通道包括一只光纤陀螺仪、一个信号处理电路和一个二次电源电路。每个通道内部的故障不会影响其它通道的功能，有效隔离了故障。三个通道之间没有任何的电气连接关系，如图3所示。
信号处理电路包括DSP、FPGA、A/D、电平转换电路以及1553B控制器；温度信号经A/D转换后进入FPGA，完成温度信息的采集；DSP从FPGA中读取相应信息并进行处理，在1553B控制器的控制下，以1553B的接口形式实现与姿态控制系统的通信，提高了系统通信的效率。
二次电源电路的一次电源电压输入范围为24V～45V，一次电压纹波≤600mV，每路二次电源电压的稳定度≤3％。二次电源电路中均设置有磁保持继电器，能够对三个通道进行独立的开关；姿态控制系统发送通断指令给二次电源电路，二次电源电路接收所述通断指令后，控制磁保持继电器进行开合，实现二次电源电压的通断控制。姿态控制系统发送通断指令为开路集电极输出，常态为不导通状态，低电平有效，信号持续时间80ms±10ms，吸收电流能力不小于180mA。
本发明提供了光学敏感部件和信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，包括3只光纤陀螺仪、3份信号处理电路和1个二次电源模块；其中：光纤陀螺仪用于测量载体相对于惯性空间的角速度，输出脉冲信号，脉冲的频率与角速度成正比，陀螺仪的输出脉冲到信号处理电路中；信号处理电路对接收到的脉冲频率信号进行脉冲计数，经数据处理后得到载体相对于惯性空间的角速度，输出给姿态控制系统；二次电源模块对外部提供的一次母线电压进行变换，得到光纤陀螺仪和信号处理电路所需要的二次电源电压，二次电源电压对光纤陀螺仪、信号处理电路进行供电。
该组合体包括光学敏感部件与信号处理部件，并且二者分离作为两个单机产品。光学敏感部件由3只光纤陀螺仪组成，3只光纤陀螺仪的敏感轴斜置安装在半锥角为54°44′08〃的结构本体上；信号处理部件包括3份信号处理电路和1个二次电源模块。
二次电源模块包括3个完全独立的二次电源电路；每路二次电源电路给1只光纤陀螺仪和1份信号处理电路供电。
每路二次电源电路均设置有磁保持继电器；姿态控制系统发送通断指令给二次电源电路，二次电源电路接收所述通断指令后，控制所述磁保持继电器进行开合，实现所述二次电源电压的通断控制。
在具体的实现过程中，光纤陀螺仪采用全数字闭环保偏的设计方案，使用直径为135μm的细径保偏光纤，以实现更小的弯曲半径、更小的光纤环体积并绕制更多的光纤。光纤陀螺仪采用光电一体式结构设计方案，光纤环等保偏光路位于陀螺数字电路与陀螺模拟电路(含掺铒光纤光源)等发热部件之间，光纤环采用双层磁屏蔽，即保证了磁屏蔽性能，也减缓了外界温度变化对光纤环的影响，提高了高低温环境下的测量精度。
二次电源电路由输入过流保护电路、输入浪涌抑制电路、遥控电路、输入滤波电路、+5V隔离变换电路、-5V隔离变换电路以及对应的输出滤波电路组成。+5V隔离变换电路、-5V隔离变换电路各采用抗辐照厚膜DC/DC标准电路。输入滤波电路选用与抗辐照厚膜DC/DC电路配套的厚膜工艺混合集成电路。
实施例：
在该实施例中，光纤陀螺组合体包括光学敏感部件和信号处理部件两个部分，光学敏感部件中包括三只光纤陀螺仪和结构本体，信号处理部件包括三份信号处理电路、一个二次电源模块和结构件，其中二次电源模块中包括三份二次电源电路，如图1所示。
每份二次电源电路分别给一只光纤陀螺仪和一份信号处理电路供电，在二次电源电路中设置了一个磁保持继电器，磁保持继电器接收姿态控制系统的通断控制指令，通断控制指令控制磁保持继电器进行开合操作，实现供电电路的通断控制；通断指令为开路集电极输出，常态为不导通状态，低电平有效，信号持续时间80ms±10ms，吸收电流能力不小于180mA。
图2所示为本实施例中光纤陀螺组合体的系统组成示意图，一份二次电源、一只光纤陀螺仪和一份信号处理电路构成一个角速度测量通道，光纤陀螺组合体中共包括三个完全独立的角速度测量通道，能够独立完成角速度测量，提高了系统的可靠性。
光学敏感部件中的光纤陀螺仪敏感轴采用3S构型，三个陀螺敏感轴相互垂直，并且均匀分布于半锥角为α＝54°44′08″的圆锥体侧面上，三个陀螺敏感轴在本体坐标系XOY平面内的投影夹角为120°。在系统设计上能够与其它陀螺进行冗余配置，实现多信息的最优融合。
信号处理部件中的信号处理电路采用DSP+FPGA+PROM的最小系统设计，FPGA主要完成光纤陀螺仪输出脉冲的计数、温度信息的采集、地检数据的存储等功能，DSP主要完成陀螺和温度信息的处理，通过1553B控制器实现与姿态控制系统的通信，信号处理电路与姿态控制系统的通信采用1553B总线形式。
上述发明的光纤陀螺组合体实现了甚高精度的测量，零偏稳定性优于0.0003°/h，随机游走系数优于0.0001°/h1/2。采用了光学敏感部件和信号处理部件分离的组合体，大大减轻了整个产品的重量，重量由一体式的9.5kg降低至两体式的7.8kg。
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。

Claims (10)

1.一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：包括相互分离的光学敏感部件和信号处理部件，且光学敏感部件和信号处理部件之间通过电缆连接和通讯。
2.根据权利要求1所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：所述光学敏感部件包括三只光纤陀螺仪，三个陀螺敏感轴相互垂直，并且三个陀螺敏感轴均匀分布于半锥角为α＝54°44′08″的圆锥体侧面上，三个陀螺敏感轴在本体坐标系XOY平面内两两之间的投影夹角为120°。
3.根据权利要求2所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：本体坐标系的原点为光学敏感部件的质心，X轴和Y轴均位于水平面内，X轴的正方向与其中一个光纤陀螺仪敏感轴在水平面的投影方向相反，Y轴在水平面内与X轴垂直，Z轴垂直于水平面。
4.根据权利要求2所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：光纤陀螺仪中的光纤采用直径为135μm的细径保偏光纤，且所述光纤采用双层磁屏蔽。
5.根据权利要求2所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：所述信号处理部件包括三个相同的信号处理电路和三个相同的二次电源电路。
6.根据权利要求5所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：包括三个完全独立的角速度测量通道，每个通道包括一只光纤陀螺仪、一个信号处理电路和一个二次电源电路。
7.根据权利要求1、5或6所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：信号处理电路包括DSP、FPGA、A/D、电平转换电路以及1553B控制器；
光纤陀螺仪输出信号经电平转换后进入FPGA计数，完成陀螺输出信息的采集；温度信号经A/D转换后进入FPGA，完成温度信息的采集；DSP从FPGA中读取相应信息并进行处理，在1553B控制器的控制下，以1553B的接口形式实现与姿态控制系统的通信。
8.根据权利要求5或6所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：二次电源电路的一次电源电压输入范围为24V～45V，一次电压纹波≤600mV，每路二次电源电压的稳定度≤3％。
9.根据权利要求5或6所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：二次电源电路中均设置有磁保持继电器；姿态控制系统发送通断指令给二次电源电路，二次电源电路接收所述通断指令后，控制磁保持继电器进行开合，实现二次电源电压的通断控制。
10.根据权利要求9所述的一种光学敏感部件与信号处理部件分离的光纤陀螺组合体，其特征在于：姿态控制系统发送通断指令为开路集电极输出，常态为不导通状态，低电平有效，信号持续时间80ms±10ms，吸收电流能力不小于180mA。
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