CN107529373B - 光纤陀螺捷联惯性测量装置 - Google Patents
光纤陀螺捷联惯性测量装置Info
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Abstract
光纤陀螺捷联惯性测量装置在三个光纤陀螺和三个石英加速度计内部设置温度测量传感器,通过测量光纤陀螺和石英加速度计的温度变化,对其进行零位温度补偿,其中:光纤陀螺零位温度补偿模型为:Bf=KT0+KT1(T-T0),石英加速度计零位温度补偿模型为:Ba=KaT0+KaT1(T-T0)+Kat2(T-T0)2从而使得该测量装置能够在全温度范围工作,避免了现有技术测量装置中温控方案热平衡时间长的弊端,从而实现快速启动,加电后3-5s内即可以达到全部精度;此外由于采用了基于FPGA的光纤陀螺,一方面使陀螺的运算速度及可靠性大幅度提高,另一方面使陀螺的体积减小、重量减轻,特别能满足武器系统小型化、轻质化的要求。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种用于航空航天领域的飞行器导航、制导与控制的小型化、快速启动光纤陀螺捷联惯性测量装置。
背景技术
惯性测量装置因为自主性好、全天候工作的特点,在航空航天飞行器的导航制导领域获得广泛的应用,它可以实时地连续提供飞行器的位置、速度和姿态信息,引导飞行器达到指定位置。目前广泛使用的是采用挠性机电式陀螺和石英加速计组成的挠性捷联惯性测量装置,但是机电陀螺组成的装置因为电源体系复杂,马达同步稳定时间长等原因,难以做到体积小和快速启动,已不能适应现代战争对武器系统高度集成化和快速反应的要求。为此,国外开始采用光纤陀螺代替原捷联惯性测量装置中的挠性机电式陀螺,研制出了光纤捷联惯性测量装置,国外如美国Litton公司研制的光纤捷联惯性测量装置。光纤陀螺是一种全新的固态陀螺仪,设计集成度高、测量范围大、启动速度快和力学环境适应性好。光纤捷联惯性测量装置主要由三个光纤陀螺和三个加速度计及数字信号处理部分组成,采用完全一样的三个光纤陀螺,其输入轴正交放置,完成被测对象坐标系三个轴的角速度的测量,三个加速度计分别测量被测对象的速度和位置的变化量,数字处理部分对三个光纤陀螺和三个加速度计的测量的数据进行处理,得到所需要的信息。美国在其战术导弹上采用即是这种测量装置,但由于国外的机械加工制造工艺比较成熟,安装制造等误差小,而且光纤陀螺的制造加工精度高,温度变化对其影响小,采用这种设计完全能满足其快速反应的要求,其测量精度较高。由于我国的光纤陀螺加工制造技术相对落后,如果完全照搬过来,虽然反应速度和测量相对有了提高,但其温度变化对精度影响较大,为了能进一步达到高的测量精度,该装置需要带温控装置,即整个光纤陀螺仪表和加速计仪表元件工作在恒温范围内,否则精度无法保证,这样就造成了光纤惯用性测量体积相对增大,而且由于带温控装置造成了启动时间也相对较长,如《中国惯用性测量学报》1999年第1期P28-30公开的“光纤陀螺惯性测量单元的设计与实现”北京航空航天大学的研究即是采用上述的方案,其反应大约在20分钟至半小时之内,显然难以满足现代战争要求快速反应和测量精度高的要求;而且测量装置中的三个光纤陀螺中均采用DSP作为逻辑电路,主要是通过编程和执行程序代码来完成数字运算,外围需要增加一些辅助电路,致使体积、功耗增大,难以进一步降低成本,且不易实现国产化,不能适应现代战争对武器系统低成本、轻质化、低功耗和快速反应的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种体积小,成本低、全温度范围内快速启动且测量精度高的小型化、快速启动光纤陀螺捷联惯性测量装置。
本发明采用的技术方案是:光纤陀螺捷联惯性测量装置包括三个光纤陀螺、三个石英加速度计和数字处理电路等,其特征在于:
(1)分别在三个光纤陀螺和三个石英加速度计内部设置温度测量传感器,通过测量光纤陀螺和石英加速度计的温度变化,对其进行零位温度补偿,其中:光纤陀螺零位温度补偿模型为:Bf=KT0+KT1(T-T0)
石英加速度计零位温度补偿模型为:Ba=KaT0+KaT1(T-T0)+KaT2(T-T0)2
上式中T为环境温度,T0为室温,取值范围18~30℃,KT0为光纤陀螺零位补偿的零次项系数,KT1为光纤陀螺零位补偿的一次项系数,KaT0为加速度计零位补偿的零次项系数,KaT1为加速度计零位补偿的一次项系数,KaT2为加速度计零位补偿的二次项系数;
(2)采用基于FPGA的全数字闭环保偏光纤陀螺,代替原来采用基于DSP的全数字闭环光纤陀螺;
上述具体的补偿过程是:对陀螺仪和加速度计温度变化引起的零位漂移进行补偿,即首先通过静态测试得到不同温度点下光纤陀螺和加速度计的零位,然后通过最小二乘法求出陀螺仪和加速度计的KT0和KaT0零位补偿方程的零次项系数,陀螺仪和加速度计KT1和KaT1零位补偿的一次项系数,加速度计的KT2零位补偿的二次项系数,将上述系数写入到DSP数字信号处理器中,由温度传感器测得陀螺和加速度计当前温度,计算出光纤陀螺和加速度计的补偿量Bf、Ba作为温度误差从输出数据中扣除,即可消除温度的影响,从而使得该测量装置能够在全温范围工作,避免了现有技术测量装置中温控方案热平衡时间长的弊端,从而实现快速启动。
上述基于FPGA的的全数字处理闭环保偏光纤陀螺,由光路部分和电路部分组成,光路部分由宽带光源、光纤耦合器,光电探测器、多功能集成光学芯片和光纤线圈构成,从宽带光源发出的光,经光纤耦合器和多功能集成光学芯片后分成两束,分别按顺时针和逆时外方向沿光纤线圈传输,并在多功能集成光学芯片的Y分支的合光点上发生干涉相位差,此相位差由多功能集成光学芯片调制和反馈后经过光纤耦合器,之后到达光电探测器;电路部分包括放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器,放大滤波电路对光电探测器的输出模拟信号进行前置放大和选通滤波,并通过A/D转换器进行模数转换后,送入FPGA逻辑电路进行处理,其产生的方波调制与数字相位阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上。
本发明与现有技术相比具有的优点在于:
1、由于对光纤陀螺和石英加速度计分别进行零位补偿,因此启动时间短,加电后3-5s内达到全部精度,从而达到全温度范围内的快速启动;
2、由于采用了FPGA硬件电路作为逻辑电路,一方面使陀螺的运算速度及可靠性大幅度提高,另一方面使陀螺的体积减小、重量减轻,特别能满足武器系统小型化的要求,角速度动态范围可以达到±1000°/s,加速度达到±50g。
附图说明
图1为本发明光纤捷联惯性测量装置的结构原理框图;
图2为本发明中基于FPGA的全数字闭环光纤陀螺的结构原理框图;
图3为图2中FPGA可编程处理电路的原理框图;
具体实施方式
如图1所示,本发明由三个基于FPGA的光纤陀螺X、T、Z及与其相接的三个温度传感器、三个石英加速度计X、Y、Z及与其相接的三个温度传感器及DSP数字信号处理器组成,三个基于FPGA的光纤陀螺及三个石英加速度计分别测量X、Y、Z三个正交轴角速度和加速度值,然后角度信号和加速度信号被送到DSP数字信号处理器进行处理,通过各自的温度传感器提供温度补偿所需的温度信号,按照系统要求的并行格式每4ms发送一次数据,对陀螺仪和加速度计温度变化引起的零位漂移进行补偿,即首先通过静态测试得到若干温度点下光纤陀螺和加速度计的零位,然后通过最小二乘法求出陀螺仪和加速度计的KT0和KaT0零位补偿的零次项系数,陀螺仪和加速度计KT1和KaT1零位补偿的一次项系数,加速度计的KT2零位补偿的二次项系数,将上述系数写入到DSP数字信号处理器中,由温度传感器测得陀螺和加速度计当前温度,计算出光纤陀螺和加速度计的补偿量Bf、Ba作为温度误差从输出数据中扣除,即可消除温度的影响,从而使得该测量装置能够在全温范围(-40~+65℃)工作,克服了现有技术测量装置中温控方案热平衡时间长的弊端,从而实现快速启动。
实施例:取T0=25℃,则:
光纤陀螺零位温度补偿模型为:Bf=KT0+KT1(T-25)
加速计零位温度补偿模型为:Ba=KaT0+KaT1(T-25)+KaT2(T-25)2
通过事前标定,得到X轴光纤陀螺和加速度计的补偿系数为:
光纤陀螺温度补偿系数:KT0=23.5°/h,KT1=0.271°/h
加速度计温度补偿系数:KaT0=0.0000280g,KaT1=0.00213374g/℃,KaT2=0.00107419/(℃)2;
上述系数写入DSP,即可实施补偿。在-40℃,-25℃,0℃,25℃,65℃五个温度点下的补偿过程如表1:
表1
对Y轴和Z轴的光纤陀螺及加速度计的零位进行与上述补偿相似。
如图2所示,本发明中基于FPGA全数字闭环光纤陀螺由光路部分和电路部分组成,光路部分由宽带光源1、光纤耦合器2、光电探测器5、多功能集成光学芯片3和光纤线圈4构成,从宽带光源1发出的光,经光纤耦合器2和多功能集成光学芯片3后分成两束,分别按顺时针和逆时外方向沿光纤线圈4传输,并在多功能集成光学芯片4的Y分支的合光点上发生干涉相位差,多功能集成光学芯片3作为相位调制器将此相位差调制后返回经过光纤耦合器4到达光电探测器5;电路部分由前置放大和滤波电路6、A/D转换7、FPGA逻辑电路8、对FPGA逻辑电路产生的数字信号进行数模转换的D/A转换器9及对FPGA逻辑电路产生的2复位数字补偿信号的进行数模转换的D/A转换器10及增益控制电路11组成,放大滤波电路6对光电探测器5输出的信号进行前置放大和选通滤波,并通过A/D转换器7进行模数转换后,送入FPGA逻辑电路8对数字量进行处理,并存贮陀螺的输出信号,同时其产生的方波调制信号和数字相位阶梯波反馈信号叠加之和进行经过D/A转换9,输入到增益控制器11中,由增益控制11调整增益幅后将方波调制信号和数字相位阶梯波反馈信号之和加到多功能集成光学芯片3的一臂上,形成基于FPGA的数字闭环处理光纤陀螺。
如图3所示,FPGA逻辑电路8主要由数字解调80、加法器81、存储器82、速率寄存器83、加法器84、存储器85、加法器86、晶振88、分频器87组成,其中数字解调80、加法器81和存储器82完成对多功能集成光学芯片3输出的调制误差信号的数字回路积分功能,产生数字相位阶梯波的高度;寄存器83、加法器84和存储器85完成对数字回路积分后的信号进行二次积分,产生数字相位阶梯波,加法器86将将晶振88和分频器87产生的方波调制信号作为偏置调制与数字相位阶梯波叠加后加到多功能集成电路芯片3的一臂上,使光纤线圈中的顺时针和逆时针光波产生一个固定相位差(等于阶梯波的高度),抵消旋转引起的Sagnac相移,光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零个位差点附近,提高光纤陀螺的标度因数稳定性和动态范围,同时回路积分输出的旋转速率数字量存储在速率寄存器83中作为陀螺的输出值。
此外,FPGA逻辑电路8还自动产生2π复位误差控制信号,用于将陀螺输出信号复位,该误差信号经过D/A转换10加到多功能集成光学芯片上,形成第二反馈回路。第二个反馈回路的作用是通过比较陀螺输出信号复位前后的采样数字值,获得第二个误差信号,用于补偿多功能集成电路芯片3作为相位调制器响应的长期漂移,使陀螺输出信号精度提高;该第二反馈回路由FPGA电路8产生,经过D/A转换10后,通过增益控制电路11调整增益后加到多功能集成光学芯片3上。
光路系统可以工作在0.8um,或1.3um,或1.55um三个光通信窗口,宽带光源1可以采用边发光二极管(ELED),或超发光二极管(SLD),或宽带掺铒光纤光源(SFS)。如果采用1.55um的宽带掺铒光纤光源(SFS)时,光纤线圈4需要采用大直径环圈和长度较长的保偏光纤(一般在1000km以上)。选择SFS是因为它有足够高的功率,可以在降额使用(为了保持长寿命)的情况下提供大于4mw的输出功率,可使散粒噪声和光电探测器5噪声值满足低角随机游走(ARW)的需要,工作在1.55μm波长提供了比0.8μm、1.3μm最低的辐射灵敏度,SFS输出的宽谱有助于减少宽带光源1相对强度噪声(RIN)和陀螺偏置不稳定性,且SFS的波长稳定性,与采用半导体二极管光源相比,可使陀螺很容易达到几ppm的标度因数稳定性。采用大直径环圈和长度较长的保偏光纤也是为了改善零偏稳定性和随机游走,这种很低的角随机游走、很长的寿命、高的可靠性,在飞船、潜艇、战略导弹等应用中,它具有达到任意高分辨率的能力;光电探测器5采用Si-PIN/FET光电探测器或Zn/GaAs-PIN/FET光电探测器。
Claims (3)
1.光纤陀螺捷联惯性测量装置包括三个光纤陀螺、三个石英加速度计和数字处理电路等,其特征在于:
(1)在三个光纤陀螺和三个石英加速度计内部分别设置温度测量传感器,所述温度测量传感器通过测量光纤陀螺和石英加速度计的温度变化,对其进行零位温度补偿,
其中:光纤陀螺零位温度补偿模型为:Bf=KT0+KT1(T-T0)
石英加速度计零位温度补偿模型为:Ba=KaT0+KaT1(T-T0)+KaT2(T-T0)2
上式中T为环境温度值,T0为常温温度值,KT0为光纤陀螺零位补偿的零次项系数,KT1为光纤陀螺零位补偿的一次项系数,KaT0为加速度计零位补偿的零次项系数,KaT1为加速度计零位补偿的一次项系数,KaT2为加速度计零位补偿的二次项系数;
(2)上述每个光纤陀螺采用基于FPGA的全数字闭环保偏光纤陀螺。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺捷联惯性测量装置,其特征在于:所述的基于FPGA的全数字处理闭环保偏光纤陀螺,由光路部分和电路部分组成,光路部分由宽带光源、光纤耦合器,光电探测器、多功能集成光学芯片和光纤线圈构成,从宽带光源发出的光,经光纤耦合器和多功能集成光学芯片后分成两束,分别按顺时针和逆时方向沿光纤线圈传输,并在多功能集成光学芯片的Y分支的合光点上发生干涉相位差,此相位差由多功能集成光学芯片调制和反馈后经过光纤耦合器,之后到达光电探测器;电路部分包括放大滤波电路、A/D转换、FPGA逻辑电路、D/A转换器,放大滤波电路对光电探测器的输出模拟信号进行前置放大和选通滤波,并通过A/D转换器进行模数转换后,送入FPGA逻辑电路进行处理,其产生的方波调制与数字相位阶梯波反馈信号之和经过D/A转换器后加至多功能集成光学芯片的一臂上。
3.根据权利要求2所述的光纤陀螺捷联惯性测量装置,其特征在于:所述FPGA逻辑电路由数字解调器、加法器、存储器、寄存器、晶振、分频器组成,数字解调器、第一个加法器和第一个存储器完成回路积分,产生数字相位阶梯波的高度;寄存器、第二个加法器和第二个存储器产生完整的数字相位阶梯波发生器;第三个加法器将晶振和分频器产生的方波调制信号作为偏置调制与数字相位阶梯波叠加。
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