CN109931921A - 一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制系统及实现方法，系统包括：模拟锁相环、加噪电路、驱动电路、谐振腔、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路。抖动控制方法包括：调整锁相环中心频率，与常温预先测量的谐振腔固有频率一致；锁相环输出信号加噪后通过驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆，使谐振腔抖动在谐振状态，再将检测到的谐振腔抖动信号作为锁相环的输入信号，构成一个闭环系统。由于环境温度、谐振腔老化等原因，谐振腔固有频率发生变化，闭环系统中锁相环能够自动跟踪输入信号，使驱动信号尽可能与谐振腔固有频率一致，处于谐振状态。实现以最小的抖动驱动功率，得到需要的抖动幅度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制系统，在谐振腔固有频率随环境变化时，保证谐振腔抖动基本处于谐振状态，提高抖动驱动频率，降低激光陀螺整体功耗。
背景技术
激光陀螺是一个角速度感应装置，是捷联式惯性导行系统的关键部件。普遍使用的机抖激光陀螺，是通过抖动轮或者抖动杆，对谐振腔外加机械抖动。谐振腔输出的拍频信号包含载体角速度、抖动引起的角速度、地球自转角速度和噪声引起的角速度。采用多种方法，可以提取载体真实角速度，通过这种方法可以消除激光陀螺固有的闭锁效应。若能使外加抖动信号的频率与谐振腔固有频率一致，就能以最小驱动功率获得额定抖动幅度。抖动幅度大小根据激光陀螺输出拍频信号偏频量确定。偏频量是陀螺输出信号的平均频率，随抖动幅度变化而变化。但是，由于环境温度、湿度、谐振腔应力等变化，谐振腔的固有频率随之变化，如何实现抖动驱动信号频率与谐振腔固有频率尽可能接近，出现了多种不同方法，本发明系统及方法能够低成本、高实时性、高可靠性地使抖动驱动信号频率自动跟踪谐振腔的固有频率。
发明内容
本发明目的在于提出一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制系统及实现方法，在-40°至85°温度范围内，使机抖式激光陀螺谐振腔抖动频率时时刻刻都处于固有频率附近，实现以最小驱动功率，得到抖动幅度满足偏频量要求。
一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制系统，其特征为由模拟锁相环（PLL-PhaseLocked Loop）、伪随机序列加噪电路、正弦波驱动电路、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路构成一个闭环系统，其中，谐振腔固定在抖动轮或者抖动杆上，如图1所示。
自动跟踪抖动控制系统控制方法：采用CD4046模拟锁相环构造一个闭环抖动控制系统，调整锁相环中心频率（压控振荡器VCO中心频率）与谐振腔固有频率一致；锁相环输出正弦信号与伪随机序列叠加后，通过驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆上，使谐振腔抖动处于谐振状态；再将检测到的谐振腔抖动信号作为锁相环的输入信号，若谐振腔固有频率有小的变化，该闭环系统会自动跟踪，使抖动频率尽可能与谐振腔固有频率一致。
不同谐振腔固有频率一般分布在280Hz至750Hz之间，采用专门工具提前测定每个谐振腔常温下的固有频率。系统在工作时，当环境温度在-40°至85°变化和（或者）谐振腔老化等原因，谐振腔固有频率变化一般在±12Hz以内。
初始工作状态，锁相环输出正弦波信号，输出频率为锁相环中心频率，输出信号频率与谐振腔固有频率一致，从抖动杆或者抖动轮检测到的信号也为固有频率，锁相环输入信号与反馈信号频率一致，锁相环不用做任何调节。
当谐振腔固有频率缓慢变化时，检测电路检测到变化后的谐振腔抖动输出信号，将其作为锁相环输入，锁相环跟踪输入信号频率变化，输出频率接近变化后的固有频率，使谐振腔抖动处于谐振状态或者亚谐振状态。谐振腔变化后的固有频率与常温时固有频率相差比较小时（±6Hz以内），抖动处于谐振状态；变化比较大时，抖动处于亚谐振状态。-40°或者+85°最恶劣条件下，抖动频率与谐振腔实际固有频率误差最大不超过2Hz。
锁相环输出正弦信号，加噪电路包含伪随机序列发生器电路，伪随机序列发生器输出串行伪随机序列，伪随机序列最小脉冲宽度是锁相环输出正弦波信号周期的倍数；加噪电路用伪随机序列高低电平调制正弦波幅度，伪随机序列电平为高“1”时，正弦波幅度相对大，伪随机序列电平为低“0”时，正弦波幅度相对小，正弦波幅度相差20%~40%。正弦波幅度实际值，根据激光陀螺输出拍频信号偏频量决定，可以自动调整。
抖动驱动和抖动检测器件采用压电陶瓷片，将多个压电陶瓷片固定在抖动杆或者抖动轮上，其中一个作为抖动检测传感器，其余用于杆/轮抖动驱动。
实现本发明的技术路线是：作为闭环抖动控制系统核心单元，锁相环 (PLL)是一种反馈控制电路，由鉴相器（PD，Phase Detector）、滤波器（LF，Loop Filter）和压控振荡器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分组成，如图2所示。其工作原理是鉴相器检测输入信号和输出信号的相位差，将检测出的相位差转换为电压信号，再经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，控制压控振荡器输出信号的频率，压控振荡器输出信号即为锁相环输出；反馈通路把振荡器输出信号的频率、相位反馈到鉴相器。经过一定时间后，锁相环输出信号频率与输入信号频率一致，实现了输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，集成电路CD4046外加电阻电容即可实现一个完整锁相环。
激光陀螺的抖动机构数学模型可以近似为一个典型的二阶振荡环节，其传递函数为：
其中，为抖动角度，为抖动激励电压（即驱动电路输出信号），谐振腔固有频率与抖动驱动信号频率的关系：。设谐振腔固有频率=400 Hz，系统品质因数Q=1/=100，则系统幅频和相频特性如图3所示。说明，驱动信号频率只有等于或者接近谐振腔固有频率时，才能获得最大的抖动幅度。
抖动驱动信号是谐振腔抖动机构的激励源，若将锁相环中心频率设置为400Hz，激励源频率与谐振腔固有频率一致，闭环系统处于谐振状态。若随着环境温度变化，谐振腔固有频率缓慢变化，相当于锁相环输入信号变化，根据锁相环工作原理，锁相环输出信号会跟踪输入信号，确保激励源与固有频率一致。
锁相环中心频率一旦设定（为常温谐振腔固有频率），一般不会变化。当环境温度变化比较小时，谐振腔固有频率变化相对比较小，闭环系统基本处于谐振状态；当环境温度达到极端温度附近例如-40°或者+85°附近时，谐振腔固有频率与锁相环中心频率偏差比较大时，激励源频率与固有频率接近，处于亚谐振状态。
一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制实现方法，包括如下步骤：
抖动控制回路属于激光陀螺一个组成部分，由模拟锁相环、加噪电路、驱动电路、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路构成一个闭环系统，其中，谐振腔固定在抖动轮或者抖动杆上。提前测定谐振腔固有频率，调整锁相环中心频率，使其输出的正弦波频率与常温预先测量的谐振腔固有频率一致；正弦波有两种幅度值，两种幅度相差20~40%，并可调；依据加噪电路输出的伪随机序列“0”、“1”变化，取不同值，即叠加噪声；再通过驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆的压电陶瓷片上，使抖动轮或者抖动杆抖动运动，带动谐振腔抖动在谐振状态，加到抖动轮或者抖动杆压电陶瓷片上的正弦波实际幅度值，由抖动驱动电路中放大电路根据偏频量确定；通过抖动轮或者抖动杆上用于检测的压电陶瓷片，检测出谐振腔抖动信号，将其作为锁相环的输入信号，如图1所示。
由于环境温度、谐振腔老化等原因，谐振腔固有频率会缓慢变化，闭环系统中锁相环能够自动跟踪输入信号，使驱动信号尽可能与谐振腔固有频率一致，处于谐振状态。达到一定驱动能量获得最大抖动幅度或者抖动幅度一定时，所需抖动能量最小， 与现有技术相比本发明的优点。
1.现有抖动闭环控制系统一般采用单片机通过数字模拟转换器DAC输出正弦波，通过抖动驱动电路驱动抖动轮或者抖动杆，再通过单片机检测抖动频率，形成闭环。缺点：电路复杂，成本高，单片机软件受干扰易“跑飞”造成系统不稳定。本发明可以克服上述缺点。
2.本发明能够快速跟踪谐振腔固有频率。
3.本发明无需编程、电路简单、成本低，可靠性高。
与现有技术相比本发明的缺点：
当环境温度达到极端温度附近例如-40°或者+85°附近时，谐振腔固有频率与锁相环中心频率偏差比较大时，激励源频率与固有频率接近，处于亚谐振状态。但是，经过大量实验，锁相环不会失所。
附图说明:
借助于附图可以详细描述并理解本发明。
图1为抖动驱动结构示意图。
图2为锁相环原理示意图。
图3为抖动系统的幅频和相频特性示意图。
其他说明。
谐振腔：激光陀螺内部由棱镜/反射镜、石英晶体、激光发生器等构成的光回路空间物体。
拍频信号：谐振腔输出的干涉条纹，经过光电转换、放大后的电信号，其包含载体角速度、地球自转速度、主动抖动驱动引起的角速度和电路噪声引起的角速度。
偏频量：激光陀螺输出信号的平均频率，反映抖动幅度大小。是衡量去除激光陀螺闭锁效应的重要参数。
Claims (6)
1.一种用于激光陀螺的自动跟踪抖动控制系统，其特征在于：由模拟锁相环、加噪电路、驱动电路、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路构成一个闭环系统，其中，谐振腔固定在抖动轮或者抖动杆上。
2.如权利要求1所述系统，自动跟踪抖动控制系统控制方法，其特征在于：采用CD4046模拟锁相环，调整锁相环中心频率与谐振腔固有频率一致；锁相环输出正弦信号，采用加噪电路产生的伪随机序列幅度调制后，通过驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆上，使谐振腔抖动处于谐振状态；再将检测到的谐振腔抖动信号作为锁相环的输入信号，若谐振腔固有频率有小的变化，该闭环系统会自动跟踪，使抖动频率尽可能与谐振腔固有频率一致。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于，不同谐振腔固有频率一般分布在280Hz至750Hz之间，采用专门工具测定每个谐振腔常温下的固有频率；系统在工作时，当环境温度在-40°至85°变化和（或者）谐振腔老化，谐振腔固有频率变化范围一般±12Hz以内。
4.如权利要求1所述系统，其特征在于，谐振腔固有频率因环境因素缓慢变化时，闭环系统中锁相环跟踪其变化，使抖动处于谐振状态或者亚谐振状态：抖动频率与谐振腔实际固有频率误差最大不超过2Hz。
5.如权利要求1所述系统，其特征在于，锁相环输出正弦信号，加噪电路包含伪随机序列发生器电路，伪随机序列发生器输出串行伪随机序列，伪随机序列最小脉冲宽度是锁相环输出信号周期长度，非最小脉冲宽度是锁相环输出信号周期的整倍数；加噪电路用伪随机序列高低电平调制正弦波幅度；伪随机序列低电平“0”时，正弦波幅度相对比较低，伪随机序列高电平“1”时，正弦波幅度相对比较高，正弦波幅度相差20%~40%；正弦波幅度实际值，根据激光陀螺输出信号的偏频量决定，可以手动调整。
6.如权利要求1所述系统，其特征在于，将驱动电路中多个压电陶瓷片固定在抖动杆或者抖动轮上，其中一个作为抖动检测传感器，其余并联连接，用于抖动杆或者抖动轮抖动驱动。
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