CN109059894B - 基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法，涉及一种宽频带、高灵敏度，用于敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动信息，在微小角振动测量系统内部正交安装三轴光学系统，安装三路光源驱动与模拟电路、三路微弱信号检测电路、一路二次电源电路和一路信号处理与接口电路。本发明尽量降低结构本体的高度，重心尽量位于几何中心处，并对局部采取加强措施，抗力学性能好；采用三轴一体构型，三轴光学系统正交安装于结构本体，减轻结构重量，轻质化程度高；三轴光学系统中三份光源独立驱动对应的光纤环，提高了光路的信噪比，测量精度高；对外采用TLK2711高速接口通信，数据传输速率高；指令信号与数据信号传输分离，数据可靠性高。

Description

基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法

技术领域

本发明涉及基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，特别涉及一种宽频带、高灵敏度，用于敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动测量系统，属于惯性测量技术领域。

背景技术

航天器作为高新科技发展的标志，在我国的现代化建设中扮演着极为重要的角色。随着航天领域和整个航天生态系统的发展变革，用于通信、科学、技术试验、对地观测等的商业卫星发展前景十分广阔。卫星在轨运行过程中会受到动量轮等多种环境因素的干扰，使卫星的结构体产生微小角振动，对有效载荷尤其是光学载荷的高精度成像会产生较大影响，造成像点模糊，影响成像质量。

由于卫星工作环境的复杂性，模拟工况较为困难，且微小角振动信息的测量方法没有完备的体系，现有技术尚未实现卫星高频微小角振动信息的检测。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的空缺，基于在轨卫星多种振动频率工况下光纤陀螺的测试结果，提供一种基于光纤角度传感和高速接口通信的微小角振动测量系统，该系统力学环境适应能力强、应用频带范围广、测量精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，包括：三轴光学系统、光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路、二次电源电路和信号处理与接口电路、电连接器；

二次电源电路通过一组供电电连接器接收一次电源，转换成二次电源给信号处理与接口电路供电，信号处理与接口电路将二次电源传输给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电，光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，三轴光学系统敏感卫星的微小角振动，产生Sagnac效应信号并输出给微弱信号检测电路，微弱信号检测电路对接收的Sagnac效应信号进行调制解调后得到微小角振动信号，发送至信号处理与接口电路；信号处理与接口电路能够根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速通信电连接器输出；

二次电源电路通过另一组通信电连接器接收外部指令，将该外部指令发送至信号处理与接口电路，信号处理与接口电路收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速电连接器输出。

三轴光学系统为角速度干涉仪，包括：无源光路部分和有源发热部分，无源光路部分，包括：掺铒光纤光源、耦合器、Y波导、光纤环；有源发热部分包括：掺铒光纤光源中的泵浦激光器、探测器；

掺铒光纤光源上电后，敏感卫星的微小角振动，实时输出Sagnac效应所需要的光信号送至耦合器，由耦合器对光信号进行耦合后送至Y波导，由Y波导进行输入光波的分束及偏振滤波后送至光纤环，光纤环敏感两相向传播光波之间的Sagnac相位差，经由Y波导对输出光波进行合束及偏振滤波后送至探测器，探测器将接收到的光信号转换为电信号，进行信号放大并输出送至微弱信号检测电路。

掺铒光纤光源，包括：泵浦激光器(24)，波分复用器(25)，掺饵光纤(26)，反射镜(27)，隔离器(28)和滤波器(29)；波分复用器(25)将泵浦光注入掺饵光纤(26)中，沿掺饵光纤(26)向前、后两个方向产生放大的自发辐射信号。向前的自发辐射经反射镜(27)反射后再次通过掺饵光纤(26)放大并与后向自发辐射叠加，形成更强的后向输出功率的信号，经隔离器(28)隔离和滤波器(29)滤波后输出光信号。

微弱信号检测电路，包括：Sagnac效应信号接收模块、相移器、光电探测器、前置放大器(30)、A/D转换器(31)、数字逻辑电路(32)、D/A转换器(33)、增益控制电路1(34)、D/A转换模块(35)、增益控制电路2(36)、相位调制器(37)；

Sagnac效应信号接收模块，接收三轴光学系统敏感卫星的微小角振动产生的光信号，经过Sagnac效应，产生Sagnac相位差，送至相移器；相移器为反馈调节装置，将正负反馈调制后的相位差送至光电探测器，转换为光电流信号后输出至前置放大器(30)，前置放大器(30)对光电流信号进行滤波放大后送至A/D转换器(31)，将光电流信号模拟量转换成数字量进入数字逻辑电路(32)，数字逻辑电路(32)采取四态波调制的方法对数字量进行解调，同时将解调出的角速度误差信号做适当的增益变化后进行积分后分三路输出，一路作为微小角振动信号输出给信号处理与接口电路，另外两路组成闭环反馈系统，其中一路输出至D/A转换器(33)，转换为模拟量后进入增益控制电路1(34)进行电压调制；另一路信号积分后输出至D/A转换模块(35)，D/A转换模块(35)同时接收增益控制电路1(34)调制后电压，通过数字积分得到微小角振动的信号输出，同时也作为产生相位阶梯波的反馈相位台阶，将微小角振动信号和反馈相位送至增益控制电路2(36)，调整为合适的电压后施加给相位调制器(37)，最终使整个控制系统闭环误差信号趋近于零，相位调制器(37)将输入的模拟电压转换成反馈相位差，抵消Sagnac效应产生的相位差，实现闭环反馈。

信号处理与接口电路，包括：FPGA(38)、配置存储器(39)和TI公司的TLK2711高速接口芯片(40)；

FPGA接收由微弱信号检测电路输出的微小角振动即卫星振动产生的角速度原始脉冲及三轴光学系统的温度信号存入配置存储器(39)，并将微小角振动根据对外的通信协议转化为对外输出的格式的数据，通过TLK2711高速接口由一组电连接器发送至外部中心机。

信号处理与接口电路，还包括：主备份CAN总线接口CANA(41)、CANB(42)和RS422串口(43)；

两路主备份CAN总线接口CANA(41)和CANB(42)完成三轴光学系和微弱信号检测电路状态监控和时间校正；同时，RS422串口(43)差分脉冲同步输出微小角振动即角增量数据供地面测试使用。

信号处理与接口电路，TLK2711高速接口的数据传输速率为1.6Gbps；

两路主备份CAN总线接口CANA(39)和CANB(40)完成状态监控和时间校正；同时，RS422串口(41)差分脉冲同步输出角增量数据供地面测试使用。

二次电源电路，包括：电阻R1～电阻R10、电容C1、C2、熔断器F1、F2，二极管V2、二极管V3、场效应管V1、滤波器和电源模块；电源模块，包括：第一DC/DC电源和第二DC/DC电源

熔断器F1的一端和熔断器F2的一端连接一次电源输入正端+28V，熔断器F2的另一端连接R1和R2组成的并联电阻的一端，R1和R2组成的并联电阻的另一端连接熔断器F1的另一端、R7和R8组成的并联电阻的一端、滤波器的一次电源输入正端；R7和R8组成的并联电阻的另一端连接R9和R10组成的并联电阻的一端，R9和R10组成的并联电阻的另一端连接二极管V2的负极、电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端、R5和R6组成的并联电阻的一端；

二极管V2的正极连接二极管V3的负极，电容C1的另一端连接电容C2的一端，R5和R6组成的并联电阻的另一端连接场效应管V1的负极、场效应管V1的正极连接二极管V3的正极、电容C2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和一次电源地；场效应管V1的负极连接滤波器的一次电源输入回线端并接一次电源地；滤波器的接地端接机壳地，滤波器的一次电源输出正端连接DC/DC电源1的正端、DC/DC电源2的正端和一次电源地，DC/DC电源1的负端、DC/DC电源2的负端分别输出+5V和-5V作为二次电源输出送至信号处理与接口电路。

三轴光学系统的本体(1)的侧面安装有四个电连接器，包括：电连接器(17)、电连接器(18)和电连接器(19)和电连接器(20)，其中，电连接器(17)、电连接器(18)和电连接器(19)安装在本体(1)的侧面底部，电连接器(20)安装在本体(1)的侧面中部且正对信号处理与接口电路(14)安装位置处；在三轴光学系统本体(1)侧面安装有一个基准镜(21)，尺寸为15mm×15mm×15mm，自身精度为5”级，三轴光学系统的输入轴相对基准镜法线方向的安装精度优于±10”；在三轴光学系统本体(1)侧面底部安装有一个接地桩(22)，尺寸为M3×8，配备2个M3的镀金螺母和两个镀金垫片；在三轴光学系统本体(1)底部的四个角上分别有一个安装孔(23)，尺寸优选为φ(5.5±0.1)mm。

微小角振动测量系统外包络尺寸优选为(180±1)mm×(163±1)mm×(117±2)mm，重量为(3.2±0.2)kg。安装面表面状态为导电本色氧化，安装脚厚度为(6±0.1)mm，平面度优于(0.1/200×200)mm，粗糙度优于3.2um。

微小角振动测量系统的上盖(2)上表面印刻坐标系标识，坐标系包括X、Y、Z三轴指向，Z轴垂直指向安装面反方向，Y轴位于水平面内，指向电连接器(17)、电连接器(18)、电连接器(19)和电连接器(20)反方向，X轴水平面内垂直Y轴，指向符合右手定则。

微小角振动测量系统精度0.02角秒，动态响应频带不小于200HZ，数据采样频率1000HZ。

微小角振动测量系统信号处理与接口电路(14)采用TLK2711高速接口通信，优选工作在100M时钟下，数据传输速率优选为1.6Gbps。采用主备份CAN总线通信完成与上位机的指令接收及状态反馈，通信速率优选为500kbps。

基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量方法步骤如下：

(1)二次电源电路通过供电电连接器上电，给信号处理与接口电路供电；

(2)由信号处理与接口电路给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电；

(3)由光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，

(4)三轴光学系统上电后，敏感卫星的微小角振动，产生模拟量并输出给微弱信号检测电路，

(5)微弱信号检测电路对接收的模拟量进行调制解调后得到微小角振动，送至信号处理与接口电路；

(6)信号处理与接口电路判断是否收到二次电源电路通过另一组电连接器接收到外部指令，若未接收到外部指令，不将微小角振动转化为对外输出的格式的数据，通过一组电连接器输出；若接收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动转化为对外需求格式的数据，通过一组电连接器输出。

本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

(1)本发明采用了一体化设计，铝合金本体兼顾力学、电磁兼容、抗辐照及安装强度特性，布局上紧凑设计，减轻结构重量，同时保证光学系统敏感轴的安装精度和稳定性；

(2)本发明采用了三个光纤环正交安装的构型，每份光源独立驱动对应的光纤环，增强了光路的信噪比，提高测量精度；

(3)本发明采用了高速接口通信，通过TI公司的高速接口芯片(型号为：TLK2711AIRCP)，基于串行/解串(SERializer/DESerializer，SerDes)技术，采用VML差分信号，充分利用传输媒体的信道容量，降低数据互联复杂程度，数据传输速率可达1.6Gbps，同时具有较好的实时性及抗干扰能力；

(4)本发明采用了高速接口通信与CAN总线接口通信，对外指令状态信号与数据传输分离，提高有效数据的可靠性。

(5)本发明微小角振动测量系统采用光纤角度传感的方式，敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动，为有效载荷提供高精度微小角振动测量信息，并通过高速接口进行通信，输出测量的角度信息，进而采用图像处理等手段进行图像修复，提高卫星成像质量。

(6)本发明基于光纤角度传感和高速接口通信的微小角振动测量系统具备光纤陀螺高精度、全固态、长寿命及高可靠性等优势。它是仅由光学器件和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，结构上完全固态化，没有任何运动部件。同时，它具有宽频带、高灵敏度、轻小型、环境适应性强等特点，可以精确检测卫星在轨运行过程中的微小角振动信息。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明爆破图；

图3为单轴光学系统示意图；

图4为微弱信号检测电路示意图；

图5为信号处理与接口电路的组成示意图；

图6为二次电源电路的组成示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法，涉及一种宽频带、高灵敏度，用于敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动信息，在微小角振动测量系统内部正交安装三轴光学系统，安装三路光源驱动与模拟电路、三路微弱信号检测电路、一路二次电源电路和一路信号处理与接口电路。本发明尽量降低结构本体的高度，重心尽量位于几何中心处，并对局部采取加强措施，抗力学性能好；采用三轴一体构型，三轴光学系统正交安装于结构本体，减轻结构重量，轻质化程度高；三轴光学系统中三份光源独立驱动对应的光纤环，提高了光路的信噪比，测量精度高；对外采用TLK2711高速接口通信，数据传输速率高；指令信号与数据信号传输分离，数据可靠性高。

基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，应用于光学载荷成像的商业卫星，卫星在轨运行过程中会受到动量轮等多种环境因素的干扰，使卫星的结构体产生微小角振动，影响成像质量。本发明主要实现卫星在轨运行过程中高频微小角振动的精确检测，将该微小角振动信息对外提供给控制系统进行图像补偿，提高光学载荷的成像质量。

如图1和图2所示，基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，包括本体(1)、上盖(2)、掺饵光纤光源(3)、光纤环(4)、磁屏蔽内罩(5)、磁屏蔽外罩(6)、Y波导(7)、耦合器(8)、探测器(9)、光源驱动与模拟电路(10)、侧盖(11)、微弱信号检测电路(12)、微弱信号检测电路支架(13)、信号处理与接口电路(14)、二次电源电路(15)、底盖板(16)。

上盖(2)上表面印刻坐标系标识，坐标系包括X、Y、Z三轴指向，Z轴垂直指向安装面反方向，Y轴位于水平面内，指向电连接器(17)、电连接器(18)、电连接器(19)和电连接器(20)反方向，X轴水平面内垂直Y轴，指向符合右手定则。掺饵光纤光源(3)两路固定安装在本体(1)顶部，一路固定安装在本体(1)侧壁；三轴光学系统，包括光纤环(4)、磁屏蔽内罩(5)、磁屏蔽外罩(6)、Y波导(7)，正交安装在本体(1)；光源驱动与模拟电路(10)和微弱信号检测电路(11)两路固定安装在本体(1)上部，一路固定安装在本体(1)侧壁；信号处理与接口电路板(14)和二次电源电路(15)顺序固定安装在本体(1)的底部。三轴光学系统本体(1)的侧面安装有四个电连接器，包括：电连接器(17)、电连接器(18)和电连接器(19)和电连接器(20)，其中，电连接器(17)、电连接器(18)和电连接器(19)安装在本体(1)的侧面底部，电连接器(20)安装在本体(1)的侧面中部且正对信号处理与接口电路(14)安装位置处；在三轴光学系统本体(1)侧面安装有一个基准镜(21)，尺寸为15mm×15mm×15mm，自身精度为5″级，三轴光学系统的输入轴相对基准镜法线方向的安装精度优于±10″；在三轴光学系统本体(1)侧面底部安装有一个接地桩(22)，尺寸为M3×8，配备2个M3的镀金螺母和两个镀金垫片；在三轴光学系统本体(1)底部的四个角上分别有一个安装孔(23)，尺寸为φ(5.5±0.1)mm。

基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统包括：三轴光学系统、光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路、二次电源电路和信号处理与接口电路、电连接器；

二次电源电路通过一组供电电连接器接收一次电源，转换成二次电源给信号处理与接口电路供电，信号处理与接口电路将二次电源传输给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电，光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，三轴光学系统敏感卫星的微小角振动，产生Sagnac效应信号并输出给微弱信号检测电路，微弱信号检测电路对接收的Sagnac效应信号进行调制解调后得到微小角振动信号，发送至信号处理与接口电路；信号处理与接口电路能够根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速通信电连接器输出；

二次电源电路通过另一组通信电连接器接收外部指令，包括数据开指令及数据关指令，将该外部指令发送至信号处理与接口电路，信号处理与接口电路收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速电连接器对外输出或者停止输出。

如图3所示，三轴光学系统为角速度干涉仪，用于敏感卫星微小角振动，产生Sagnac效应信号，包括：无源光路部分和有源发热部分，无源光路部分，包括：掺铒光纤光源、耦合器、Y波导、光纤环；有源发热部分包括：掺铒光纤光源中的泵浦激光器、探测器；

掺铒光纤光源为1.55μm宽带超荧光掺铒光纤光源，具有弱时间相干性、高输出功率和低发散角的特性，包括：泵浦激光器(24)，波分复用器(25)，掺饵光纤(26)，反射镜(27)，隔离器(28)和滤波器(29)；波分复用器(25)将泵浦光注入掺饵光纤(26)中，沿掺饵光纤(26)向前、后两个方向产生放大的自发辐射信号。向前的自发辐射经反射镜(27)反射后再次通过掺饵光纤(26)放大并与后向自发辐射叠加，形成更强的后向输出功率的信号，经隔离器(28)隔离和滤波器(29)滤波后输出光信号。

掺铒光纤光源上电后，敏感卫星的微小角振动，实时输出Sagnac效应所需要的光波信号送至耦合器，由耦合器对该光波信号进行耦合后送至Y波导，由Y波导进行输入光波的分束及偏振滤波后送至光纤环，光纤环敏感两相向传播光波之间的Sagnac相位差，经由Y波导对输出光波进行合束及偏振滤波后送至探测器，探测器将接收到的光信号转换为电信号，进行信号放大并输出送至微弱信号检测电路。

如图4所示，微弱信号检测电路用于提高Sagnac效应信号的信噪比，从强背景噪声中检测出微弱的有效信号，即微小角振动脉冲信号。包括：Sagnac效应信号接收模块、相移器、光电探测器、前置放大器(30)、A/D转换器(31)、数字逻辑电路(32)、D/A转换器(33)、增益控制电路1(34)、D/A转换模块(35)、增益控制电路2(36)、相位调制器(37)；

Sagnac效应信号接收模块，接收三轴光学系统敏感卫星的微小角振动产生的光信号，经过Sagnac效应，产生Sagnac相位差，送至相移器；相移器为反馈调节装置，将正负反馈调制后的相位差送至光电探测器，转换为光电流信号后输出至前置放大器(30)，前置放大器(30)对光电流信号进行滤波放大后送至A/D转换器(31)，将光电流信号模拟量转换成数字量进入数字逻辑电路(32)，数字逻辑电路(32)采取四态波调制的方法对数字量进行解调，同时将解调出的角速度误差信号做适当的增益变化后进行积分后分三路输出，一路作为微小角振动信号输出给信号处理与接口电路，另外两路组成闭环反馈系统，其中一路输出至D/A转换器(33)，转换为模拟量后进入增益控制电路1(34)进行电压调制；另一路信号积分后输出至D/A转换模块(35)，D/A转换模块(35)同时接收增益控制电路1(34)调制后电压，通过数字积分得到微小角振动的信号输出，同时也作为产生相位阶梯波的反馈相位台阶，将微小角振动信号和反馈相位送至增益控制电路2(36)，调整为合适的电压后施加给相位调制器(37)，最终使整个控制系统闭环误差信号趋近于零，相位调制器(37)将输入的模拟电压转换成反馈相位差，抵消Sagnac效应产生的相位差，实现闭环反馈。

如图5所示，信号处理与接口电路用于接收并响应对外指令，将微小角振动脉冲信号通过TLK2711高速接口对外发送，同时通过RS422串口完成地面测试，包括：FPGA(38)、配置存储器(39)、TI公司的TLK2711高速接口芯片(40)主备份CAN总线接口CANA(41)、CANB(42)和RS422串口(43)。FPGA接收由微弱信号检测电路输出的微小角振动即卫星振动产生的角速度原始脉冲及三轴光学系统的温度信号存入配置存储器(39)，并将微小角振动根据对外的通信协议转化为对外输出的格式的数据，通过TLK2711高速接口由一组电连接器发送至外部中心机，数据传输速率为1.6Gbps。两路主备份CAN总线接口CANA(41)和CANB(42)完成三轴光学系统和微弱信号检测电路状态监控和时间校正，通信速率为500kbps；同时，RS422串口(43)差分脉冲同步输出微小角振动即角增量数据供地面测试使用。

如图6所示，二次电源电路用于将对外的一次电源电压转换成微振动测量系统内部使用的二次电源电压，同时提供过流保护、浪涌抑制和滤波功能，包括电阻R1～电阻R10、电容C1、C2、熔断器F1、F2(型号：MGA-S-2.1A)，二极管V2(优选型号：ZW54)、V3(优选型号：ZW54)、场效应管V1(优选型号：JANTXV2N7219)、滤波器(优选型号：DVMC28F)和电源模块(优选型号：DVTR2805SF)；电源模块，包括：DC/DC电源1和DC/DC电源2。过流保护电路，包括：熔断器F1、F2，电阻R1、R2(优选型号：RJ25-0.5W-1Ω)，熔断器F1的一端和熔断器F2的一端连接一次电源输入正端+28V，熔断器F2的另一端连接R1和R2组成的并联电阻的一端，R1和R2组成的并联电阻的另一端连接熔断器F1的另一端。浪涌抑制电路，包括电阻R3～电阻R10、电容C1、C2，二极管V2、V3和场效应管V1，R7和R8组成的并联电阻的一端、滤波器的一次电源输入正端；R7和R8组成的并联电阻的另一端连接R9和R10组成的并联电阻的一端，R9和R10组成的并联电阻的另一端连接二极管V2的负极、电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端、R5和R6组成的并联电阻的一端；二极管V2的正极连接二极管V3的负极，电容C1的另一端连接电容C2的一端，R5和R6组成的并联电阻的另一端连接场效应管V1的负极、场效应管V1的正极连接二极管V3的正极、电容C2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和一次电源地；场效应管V1的负极连接滤波器的一次电源输入回线端并接一次电源地；滤波器的接地端接机壳地，滤波器的一次电源输出正端连接DC/DC电源1的正端、DC/DC电源2的正端和一次电源地，DC/DC电源1的负端、DC/DC电源2的负端分别输出+5V和-5V作为二次电源输出送至信号处理与接口电路。

微小角振动测量系统的上盖(2)上表面印刻坐标系标识，坐标系包括X、Y、Z三轴指向，Z轴垂直指向安装面反方向，Y轴位于水平面内，指向电连接器(17)、电连接器(18)、电连接器(19)和电连接器(20)反方向，X轴水平面内垂直Y轴，指向符合右手定则。

基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，外包络尺寸优选为(180±1)mm×(163±1)mm×(117±2)mm，重量为(3.2±0.2)kg。安装面表面状态为导电本色氧化，安装脚厚度为(6±0.1)mm，平面度优于(0.1/200×200)mm，粗糙度优于3.2um。

基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，优选方案为精度0.02角秒，动态响应频带不小于200HZ，数据采样频率1000HZ。由一组高速电连接器通过LVDS ToCameraLink接口转接盒与CameraLink板卡连接，采集对外输出，微小角振动测量系统能够敏感200HZ动态响应频带的卫星微小角振动，且分辨率优于0.005角秒，精度优于0.02角秒。微小角振动测量系统信号处理与接口电路(14)采用TLK2711高速接口通信，工作在100M时钟下，数据传输速率为1.6Gbps。采用主备份CAN总线通信完成与上位机的指令接收及状态反馈，通信速率为500kbps。

三轴光学系统的本体(1)的侧面安装有四个电连接器，包括：电连接器(17)、电连接器(18)和电连接器(19)和电连接器(20)，其中，电连接器(17)、电连接器(18)和电连接器(19)安装在本体(1)的侧面底部，电连接器(20)安装在本体(1)的侧面中部且正对信号处理与接口电路(14)安装位置处；在三轴光学系统本体(1)侧面安装有一个基准镜(21)，尺寸为15mm×15mm×15mm，自身精度为5″级，三轴光学系统的输入轴相对基准镜法线方向的安装精度优于±10″；在三轴光学系统本体(1)侧面底部安装有一个接地桩(22)，尺寸为M3×8，配备2个M3的镀金螺母和两个镀金垫片；在三轴光学系统本体(1)底部的四个角上分别有一个安装孔(23)，尺寸为φ(5.5±0.1)mm。

本发明基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)二次电源电路通过供电电连接器上电，给信号处理与接口电路供电；

(2)由信号处理与接口电路给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电；

(3)由光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，

(4)三轴光学系统上电后，敏感卫星的微小角振动，产生模拟量并输出给微弱信号检测电路，

(5)微弱信号检测电路对接收的模拟量进行调制解调后得到微小角振动，送至信号处理与接口电路；

(6)信号处理与接口电路判断是否收到二次电源电路通过另一组电连接器接收到外部指令，若未接收到外部指令，不将微小角振动转化为对外输出的格式的数据，通过一组电连接器输出；若接收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动转化为对外需求格式的数据，通过一组电连接器输出。

本发明采用了一体化设计，铝合金本体兼顾力学、电磁兼容、抗辐照及安装强度特性，布局上紧凑设计，减轻结构重量，同时保证光学系统敏感轴的安装精度和稳定性；且本发明采用了三个光纤环正交安装的构型，每份光源独立驱动对应的光纤环，增强了光路的信噪比，提高测量精度；

本发明采用了高速接口通信，通过TI公司的高速接口芯片(型号为：TLK2711AIRCP)，基于串行/解串(SERializer/DESerializer，SerDes)技术，采用VML差分信号，充分利用传输媒体的信道容量，降低数据互联复杂程度，数据传输速率可达1.6Gbps，同时具有较好的实时性及抗干扰能力；且本发明采用了高速接口通信与CAN总线接口通信，对外指令状态信号与数据传输分离，提高有效数据的可靠性。

本发明微小角振动测量系统采用光纤角度传感的方式，敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动，为有效载荷提供高精度微小角振动测量信息，并通过高速接口进行通信，输出测量的角度信息，进而采用图像处理等手段进行图像修复，提高卫星成像质量，且本发明基于光纤角度传感和高速接口通信的微小角振动测量系统具备光纤陀螺高精度、全固态、长寿命及高可靠性等优势。它是仅由光学器件和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，结构上完全固态化，没有任何运动部件。同时，它具有宽频带、高灵敏度、轻小型、环境适应性强等特点，可以精确检测卫星在轨运行过程中的微小角振动信息。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于包括：三轴光学系统、光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路、二次电源电路和信号处理与接口电路、电连接器；

二次电源电路通过一组供电电连接器接收一次电源，转换成二次电源给信号处理与接口电路供电，信号处理与接口电路将二次电源传输给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电，光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，三轴光学系统敏感卫星的微小角振动，产生Sagnac效应信号并输出给微弱信号检测电路，微弱信号检测电路对接收的Sagnac效应信号进行调制解调后得到微小角振动信号，发送至信号处理与接口电路；信号处理与接口电路能够根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速通信电连接器输出；

二次电源电路通过另一组通信电连接器接收外部指令，将该外部指令发送至信号处理与接口电路，信号处理与接口电路收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速电连接器输出；

微弱信号检测电路，包括：Sagnac效应信号接收模块、相移器、光电探测器、前置放大器(30)、A/D转换器(31)、数字逻辑电路(32)、D/A转换器(33)、增益控制电路1(34)、D/A转换模块(35)、增益控制电路2(36)、相位调制器(37)；

Sagnac效应信号接收模块，接收三轴光学系统敏感卫星的微小角振动产生的光信号，经过Sagnac效应，产生Sagnac相位差，送至相移器；相移器为反馈调节装置，将正负反馈调制后的相位差送至光电探测器，转换为光电流信号后输出至前置放大器(30)，前置放大器(30)对光电流信号进行滤波放大后送至A/D转换器(31)，将光电流信号模拟量转换成数字量进入数字逻辑电路(32)，数字逻辑电路(32)采取四态波调制的方法对数字量进行解调，同时将解调出的角速度误差信号做适当的增益变化后进行积分后分三路输出，一路作为微小角振动信号输出给信号处理与接口电路，另外两路组成闭环反馈系统，其中一路输出至D/A转换器(33)，转换为模拟量后进入增益控制电路1(34)进行电压调制；另一路信号积分后输出至D/A转换模块(35)，D/A转换模块(35)同时接收增益控制电路1(34)调制后电压，通过数字积分得到微小角振动的信号输出，同时也作为产生相位阶梯波的反馈相位台阶，将微小角振动信号和反馈相位送至增益控制电路2(36)，调整为合适的电压后施加给相位调制器(37)，最终使整个控制系统闭环误差信号趋近于零，相位调制器(37)将输入的模拟电压转换成反馈相位差，抵消Sagnac效应产生的相位差，实现闭环反馈。

2.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：三轴光学系统为角速度干涉仪，包括：无源光路部分和有源发热部分，无源光路部分，包括：掺铒光纤光源、耦合器、Y波导、光纤环；有源发热部分包括：掺铒光纤光源中的泵浦激光器、探测器；

掺铒光纤光源上电后，敏感卫星的微小角振动，实时输出Sagnac效应所需要的光信号送至耦合器，由耦合器对光信号进行耦合后送至Y波导，由Y波导进行输入光波的分束及偏振滤波后送至光纤环，光纤环敏感两相向传播光波之间的Sagnac相位差，经由Y波导对输出光波进行合束及偏振滤波后送至探测器，探测器将接收到的光信号转换为电信号，进行信号放大并输出送至微弱信号检测电路。

3.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：掺铒光纤光源，包括：泵浦激光器(24)，波分复用器(25)，掺饵光纤(26)，反射镜(27)，隔离器(28)和滤波器(29)；波分复用器(25)将泵浦光注入掺饵光纤(26)中，沿掺饵光纤(26)向前、后两个方向产生放大的自发辐射信号；向前的自发辐射经反射镜(27)反射后再次通过掺饵光纤(26)放大并与后向自发辐射叠加，形成更强的后向输出功率的信号，经隔离器(28)隔离和滤波器(29)滤波后输出光信号。

4.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：信号处理与接口电路，包括：FPGA(38)、配置存储器(39)和TI公司的TLK2711高速接口芯片(40)；

FPGA接收由微弱信号检测电路输出的微小角振动即卫星振动产生的角速度原始脉冲及三轴光学系统的温度信号存入配置存储器(39)，并将微小角振动根据对外的通信协议转化为对外输出的格式的数据，通过TLK2711高速接口由一组电连接器发送至外部中心机。

5.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：信号处理与接口电路，还包括：主备份CAN总线接口CANA(41)、CANB(42)和RS422串口(43)；

两路主备份CAN总线接口CANA(41)和CANB(42)完成三轴光学系和微弱信号检测电路状态监控和时间校正；同时，RS422串口(43)差分脉冲同步输出微小角振动即角增量数据供地面测试使用。

6.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：信号处理与接口电路，TLK2711高速接口的数据传输速率为1.6Gbps；

两路主备份CAN总线接口CANA(39)和CANB(40)完成状态监控和时间校正；同时，RS422串口(41)差分脉冲同步输出角增量数据供地面测试使用。

7.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：二次电源电路，包括：电阻R1～电阻R10、电容C1、C2、熔断器F1、F2，二极管V2、二极管V3、场效应管V1、滤波器和电源模块；电源模块，包括：第一DC/DC电源和第二DC/DC电源

熔断器F1的一端和熔断器F2的一端连接一次电源输入正端+28V，熔断器F2的另一端连接R1和R2组成的并联电阻的一端，R1和R2组成的并联电阻的另一端连接熔断器F1的另一端、R7和R8组成的并联电阻的一端、滤波器的一次电源输入正端；R7和R8组成的并联电阻的另一端连接R9和R10组成的并联电阻的一端，R9和R10组成的并联电阻的另一端连接二极管V2的负极、电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端、R5和R6组成的并联电阻的一端；

二极管V2的正极连接二极管V3的负极，电容C1的另一端连接电容C2的一端，R5和R6组成的并联电阻的另一端连接场效应管V1的负极、场效应管V1的正极连接二极管V3的正极、电容C2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和一次电源地；场效应管V1的负极连接滤波器的一次电源输入回线端并接一次电源地；滤波器的接地端接机壳地，滤波器的一次电源输出正端连接DC/DC电源1的正端、DC/DC电源2的正端和一次电源地，DC/DC电源1的负端、DC/DC电源2的负端分别输出+5V和-5V作为二次电源输出送至信号处理与接口电路。

8.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：所述微小角振动测量系统的上盖(2)上表面印刻坐标系标识，坐标系包括X、Y、Z三轴指向，Z轴垂直指向安装面反方向，Y轴位于水平面内，指向第一电连接器(17)、第二电连接器(18)、第三电连接器(19)和第四电连接器(20)反方向，X轴水平面内垂直Y轴，指向符合右手定则。

9.基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)二次电源电路通过供电电连接器上电，给信号处理与接口电路供电；

(2)由信号处理与接口电路给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电；微弱信号检测电路，包括：Sagnac效应信号接收模块、相移器、光电探测器、前置放大器(30)、A/D转换器(31)、数字逻辑电路(32)、D/A转换器(33)、增益控制电路1(34)、D/A转换模块(35)、增益控制电路2(36)、相位调制器(37)；

Sagnac效应信号接收模块，接收三轴光学系统敏感卫星的微小角振动产生的光信号，经过Sagnac效应，产生Sagnac相位差，送至相移器；相移器为反馈调节装置，将正负反馈调制后的相位差送至光电探测器，转换为光电流信号后输出至前置放大器(30)，前置放大器(30)对光电流信号进行滤波放大后送至A/D转换器(31)，将光电流信号模拟量转换成数字量进入数字逻辑电路(32)，数字逻辑电路(32)采取四态波调制的方法对数字量进行解调，同时将解调出的角速度误差信号做适当的增益变化后进行积分后分三路输出，一路作为微小角振动信号输出给信号处理与接口电路，另外两路组成闭环反馈系统，其中一路输出至D/A转换器(33)，转换为模拟量后进入增益控制电路1(34)进行电压调制；另一路信号积分后输出至D/A转换模块(35)，D/A转换模块(35)同时接收增益控制电路1(34)调制后电压，通过数字积分得到微小角振动的信号输出，同时也作为产生相位阶梯波的反馈相位台阶，将微小角振动信号和反馈相位送至增益控制电路2(36)，调整为合适的电压后施加给相位调制器(37)，最终使整个控制系统闭环误差信号趋近于零，相位调制器(37)将输入的模拟电压转换成反馈相位差，抵消Sagnac效应产生的相位差，实现闭环反馈；

(3)由光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，

(4)三轴光学系统上电后，敏感卫星的微小角振动，产生模拟量并输出给微弱信号检测电路，

(5)微弱信号检测电路对接收的模拟量进行调制解调后得到微小角振动，送至信号处理与接口电路；

(6)信号处理与接口电路判断是否收到二次电源电路通过另一组电连接器接收到外部指令，若未接收到外部指令，不将微小角振动转化为对外输出的格式的数据，通过一组电连接器输出；若接收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动转化为对外需求格式的数据，通过一组电连接器输出。

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