空間三軸激光陀螺穩頻方法研究

張金剛，唐 苗，陳軍軍，汪世林

（1.海軍駐某院軍事代表室，北京100074；2.北京自動化控制設備研究所，北京100074）

空間三軸激光陀螺穩頻方法研究

張金剛1，唐 苗1，陳軍軍2，汪世林2

（1.海軍駐某院軍事代表室，北京100074；2.北京自動化控制設備研究所，北京100074）

空間三軸激光陀螺的每一個腔長控制器控制兩個通道的腔長，即其不同通道的光路穩頻具有耦合關系，要實現空間三軸陀螺的工程化應用，必須解決空間三軸激光陀螺的穩頻問題。針對空間三軸激光陀螺的穩頻回路進行詳細的分析，提出了一種穩頻方案，該方案將空間三軸激光陀螺的穩頻解算為三個通道單軸激光陀螺的穩頻問題，其核心思路是對光路穩頻關系進行等效變換。經過試驗驗證，該穩頻方案可行有效。

空間三軸激光陀螺；穩頻；等效變換

0 引言

小體積化和低成本化是激光陀螺的發展方向，空間三軸激光陀螺具備這些特點，是現階段國內外激光陀螺研究的一個熱點。高精度的激光陀螺需要主動穩頻，空間三軸激光陀螺集成了三個通道的單軸激光陀螺，這三只陀螺兩兩共用一個腔長控制反射鏡，導致兩兩通道的穩頻具有耦合關系。本文針對空間三軸激光陀螺的特殊光路結構展開空間三軸陀螺的穩頻技術研究工作并驗證了其正確性，解決了限制空間三軸激光陀螺工程化應用的關鍵問題。

1 空間三軸諧振腔結構

空間三軸激光陀螺集成了三只單軸激光陀螺，具有三個四邊形結構的光路通道，三個通道光路分布了三個球面鏡和三個平面鏡，如圖1所示。

圖1 空間三軸激光陀螺諧振腔布局圖Fig.1 Sturcture of orthogonal triaxial laser gyro

定義CHx為x通道，由球面鏡1、球面鏡2、平面鏡1、平面鏡3構成；定義CHy為y通道，由球面鏡2、球面鏡3、平面鏡1、平面鏡2構成；定義CHz為z通道，由球面鏡3、球面鏡1、平面鏡3、平面鏡2構成。

在球面鏡1、球面鏡2、球面鏡3上分別安裝了壓電元件PZT1、PZT2、PZT3，在平面鏡1、平面鏡2、平面鏡3上分別安裝了三個功率探測器x、y、z。空間三軸陀螺的穩頻過程即為通過驅動PZT1、PZT2、PZT3，同時檢測功率探測器x、y、z完成腔長的閉環控制過程［1－2］。從圖1中可以看出CHx、CHy、CHz兩兩共用一個球面鏡，必然會帶來穩頻耦合，需要對其進行解耦才能完成穩頻。從單軸激光陀螺穩頻出發進行分析。

2 單軸激光陀螺穩頻方案

圖2所示為單軸激光陀螺光路示意圖。其中上方位置的A和B為平面鏡，B平面鏡安裝有光電探測器以測量激光陀螺的功率信號，在下方位置處的兩個球面鏡處安裝有壓電驅動元件PZTX和PZTY。采用雙PZT驅動提高了穩頻靈敏度。

圖2 單軸激光陀螺光路Fig.2 Optical path of single laser gyro

單軸激光陀螺的穩頻回路如圖3所示。

圖3 單軸激光陀螺穩頻回路Fig.3 Frequency stabilization loop of single laser gyro

PZTX和PZTY為靈敏度相同的壓電元件，對單軸激光陀螺穩頻方案分兩種情況進行分析。

（1）PZTX和PZTY電壓相同

光路的光程由PZTX、PZTY共同進行控制，假設單PZT靈敏度為A。若圖3中，PZTX和PZTY電壓相同，設為V，雙PZT的穩頻方案等效為驅動電壓為V，PZT靈敏度為2A的單PZT驅動穩頻方案，如圖4所示。

圖4 單軸激光陀螺等效穩頻回路（PZTX與PZTY相同）Fig.4 Transformed frequency stabilizationloop of single laser gyro（PZTXis the same as PZTY）

等效后的穩頻控制系統為控制電壓為V的閉環腔長控制系統，其特殊性在于等效后系統的PZT靈敏度為PZTX或PZTY的2倍。

（2）PZTX和PZTY電壓不同

空間三軸激光陀螺的各通道兩個PZT電壓值并不相同，因此可以基于上述分析對PZT電壓不相等的情況進行等效。設PZTX的驅動電壓為X，PZTY驅動電壓為Y，靈敏度均為A。光路的總驅動電壓為X＋Y，進行如下變換，對兩路控制電壓進行分解。

再結合前述等效分析，PZTX和PZTY同時驅動的穩頻方案，可以等效為有效驅動電壓為、靈敏度為2A的單PZT驅動的穩頻方案，如圖5所示。

圖5 單軸激光陀螺等效穩頻回路（PZTX與PZTY不同）Fig.5 Transformed frequency stabilization loop of single laser gyro（PZTXis different from PZTY）

3 空間三軸激光陀螺的穩頻方案

對圖1所示的空間三軸激光陀螺，其穩頻回路如圖6所示。由三通道獨立的PZT驅動電路、三路功率采集電路和中央處理器等組成。PZT1的驅動電壓為V1，PZT2驅動電壓為V2，PZT3驅動電壓為V3，靈敏度均為A。不同通道的穩頻控制的對應關系如表1所示。

圖6 空間三軸激光陀螺穩頻回路Fig.6 Frequency stabilization loop of orthogonal triaxial laser gyro

表1 空間三軸激光陀螺的穩頻控制對應關系Tab.1 Corresponding relationship of frequency stabilization control for orthogonal triaxial laser gyro

表1所示的對應關系明確了穩頻控制的對應關系。進行等效變換后，可以利用單軸激光陀螺的穩頻方法進行穩頻。

若單獨分析CHx通道，其穩頻方案等效為有效驅動電壓為Vx、靈敏度為2A的單PZT穩頻方案，由式 （1）知

同理，假設Vy為CHy通道進行等效變換后的有效穩頻驅動電壓，Vz為CHz通道進行等效變換后有效穩頻驅動電壓，有

對式 （2）和 （3）進行計算，有

經過上述變換后，圖6所示穩頻框圖等效為如圖7所示的三個獨立通道穩頻等效框圖。借用單軸激光陀螺穩頻的方法［3－4］很容易就實現了空間三軸激光陀螺的穩頻。

圖7 空間三軸激光陀螺的等效穩頻回路Fig.7 Transformed frequency stabilization loop of orthogonal triaxial laser gyro

4 空間三軸激光陀螺的穩頻試驗驗證

選用空間三軸激光陀螺樣機進行穩頻試驗驗證，測試8800s的功率采集曲線如圖8所示，計算陀螺三個通道測試精度分別為0.014（°）／h、0.029（°）／h和0.023（°）／h。測試結果與單個通道采用單軸激光陀螺穩頻方案試驗性能一致，驗證了該穩頻方法的有效性與正確性。

5 結論

空間三軸激光陀螺因為反射鏡的共用節省了資源，隨之而來的是穩頻相互耦合的難點問題，作為一種新研制的激光陀螺，首要解決的就是完成該陀螺的穩頻控制問題。

本文提供的穩頻方案是在單軸激光陀螺穩頻的基礎上，進行詳細而深入的分析，對空間三軸激光陀螺的穩頻回路進行了等效變換，分解為三個單軸激光陀螺的穩頻回路，這樣就可以借用單軸激光陀螺的穩頻方法實現穩頻，雖然變換的計算公式簡單，但從該公式循序漸進的推演中，可以看出其巧妙之處。

圖8 穩頻試驗驗證（8800s）Fig.8 Frequency stabilization validation（sampling time is 8800s）

作者認為，本文給出的方法還有一些細節可以深入研究，比如實際的空間三軸激光陀螺的三個壓電元件的靈敏度并不嚴格相同，如何進一步進行精細分析以提升穩頻精度也是后續需要開展的工作。

［1］Wing T.The piezoelectricity driver for the dithered system in ring laser gyro［P］.US 4596273，1985－05－13.

［2］Murphy H J.Digital path length control for ring laser gyros［P］.US108 182，1992－04－28.

［3］楊培根.光電慣性技術［M］.北京：兵器工業出版社，1999.

［4］譚新洪，杜建邦.激光陀螺數字式穩頻方法的研究［J］.計量學報，2002，23（3）：216－218.

Research on Frequency Stabilization Method for Orthogonal Triaxial Laser Gyro

ZHANG Jin－gang1，TANG Miao1，CHEN Jun－jun2，WANG Shi－lin2
（1.The Navy Representative Office Stationed of CASIC，Beijing 100074，China；2.Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China）

Frequency stabilization for orthogonal triaxial laser gyro is quite difficult，because each cavity path controller controls two cavity paths.It’s quite necessary to find out the solution，frequency stabilization accuracy may limit the orthogonal triaxial laser gyro’s practical use.The frequency stabilization loop is analyzed in this paper，and a frequency stabilization method for orthogonal triaxial laser gyro is introduced，the frequency stabilization problem for orthogonal triaxial laser gyro turns into the problem for three single laser gyros frequency stabilization，the frequency stabilization transformation is the key procedure.Experiment result shows the method in this paper is useful.

Orthogonal triaxial laser gyro；Frequency stabilization；Transformation

V241.5

A

2095－8110（2015）04－0063－04

2015－03－18；

2015－06－15。

張金剛 （1969－），男，高級工程師，主要從事導彈武器系統及慣性導航方面的研究。