一種數字式激光陀螺腔長和抖動控制系統

梁 浩，李錦成，王冬梅，尹 焱，王思涵

（北京航天時代激光導航技術有限責任公司，北京100094）

0 引言

激光慣組[1-2]在國防領域具有非常廣泛的應用，隨著國防工業的飛速發展，對小型化、低功耗激光慣組的需求越來越迫切。

國外對慣組小型化相關技術研究較早，以Honeywell公司為代表，已經形成一系列的體積小、質量小、功耗低的數字化激光慣組。目前，國內小型化激光慣組的需求極具增長，特別是新一代運載、武器等型號對慣性儀表的體積、質量、功耗、成本的要求越來越高，并提出多表冗余設計的需求。作為激光慣組的重要組成部分，激光陀螺相關電路的體積和功耗直接決定了激光慣組的體積和功耗。傳統慣組電路設計基本采用分立器件，各功能電路單獨成板的設計，慣組需要設計電子箱來承載幾塊電路板，同時電氣系統非常復雜。為了改變之前 “笨重”的激光慣性產品現狀，滿足新一代國防型號的需求，國內激光慣性領域各科研院所均開展了陀螺電路的數字化和一體化的研究設計工作。針對激光陀螺電路的設計優化，尤其是通過數字化，將陀螺相關控制電路進行合理的結合，對減少慣組元器件、節省成本、降低尺寸和功耗以及多表冗余設計具有非常實際的意義。

在激光陀螺電路中，和陀螺直接相關的控制電路主要包括腔長控制電路和抖動控制電路[3-5]。本文設計了一種以微控制器為核心，通過軟件實現激光陀螺腔長控制和抖動控制的核心功能，同時將陀螺腔長控制電路、抖動控制電路進行一體化的設計，減少了硬件，降低了系統功耗和電路尺寸。

1 系統構成

如圖1所示，陀螺控制電路主要包括：光強信號調理電路、帶通濾波器、移相器、穩頻驅動電路、差分放大電路、幅值提取電路、比較器、抖動驅動電路以及微控制器。

光強信號調理電路、帶通濾波器、移相器、穩頻驅動電路用于對激光陀螺進行腔長穩定控制；差分放大電路、幅值提取電路、比較器、抖動驅動電路用于對激光陀螺進行抖動控制。

微控制器是整個控制電路的核心，通過軟件實現激光陀螺腔長穩定控制和抖動控制的核心功能，同時對陀螺工作特征（如光強、腔長控制電壓、抖頻等）進行監測。

2 電路設計

2.1 腔長控制電路

激光陀螺的理論基礎為Sagnac效應，根據理論，激光陀螺的標定因數為K＝4A/λL。其中，A為光路圍起來的面積；L為激光光路長度，即陀螺腔長。由此可知，陀螺的腔長對標定因數有直接的影響，標定因數的穩定性取決于陀螺腔長的穩定性。

腔長控制采用相敏調制解調[6-8]方法，圖2中縱坐標為陀螺光強，橫坐標為腔長控制電壓。期望工作點為n2，但是實際工作點可能在n1或n3，在腔長控制電壓上疊加一個正弦激勵信號，光強信號中會反饋出與激勵信號同頻的交流信號，即信號A1和信號B1。當在工作點n1和n2加入同頻同相的激勵信號時，反饋信號A1、B1分別與激勵信號一個是同相而另一個是反相的。在不考慮相位延遲的情況下，在激勵信號的波峰和波谷，對信號A1進行采樣并做差值運算，得到的值的符號是正，對信號B1進行采樣并做差值運算，得到的值的符號是負，從而可以明確當前工作點在n1還是n3，得到腔長控制電壓補償量的方向。同時，由于光強信號斜率的變化，隨著離期望工作點n2的臨近，反饋信號峰谷差值越來越小。在C點時，反饋信號為C1，波峰和波谷時的差值為0，這樣就知道當前工作點離n2的差值，以便進行腔長控制電壓量的補償。

腔長控制電路實現的功能是穩定陀螺腔長，從而穩定標定因數，腔長控制電路的硬件部分由光強信號調理電路、帶通濾波器、移相器、穩頻驅動電路組成。

光強信號調理電路為互阻放大電路和一個前置帶通濾波電路，將陀螺直流光電管的輸出轉換成可測量的電壓量，其輸出稱為光強。光強信號為直流電壓并包含著腔長控制激勵的反饋信號，此信號通過前置帶通濾波電路后進行濾波，成為交流分量信號，送入單片機的A/D，腔長控制部分軟件利用反饋信號實現腔長控制電壓的解調功能。

帶通濾波器中，單片機的I/O口生成一個定頻方波信號，此信號通過帶通濾波器后，形成正弦波信號，與驅動電壓一起送至陀螺抓卡。

穩頻驅動電路將單片機D/A送出的腔長控制電壓放大至上百伏，用于陀螺執行機構的驅動，實現陀螺腔長調節。

移相器為經典移相電路，由于電路的傳遞特性以及抓卡的相位延遲，導致單片機的采樣環節無法做到同相位，需要移相器對激勵量進行相位補償，使單片機的I/O口輸出和對交流反饋信號的采樣同相。

微控制器的功能是通過D/A發送腔長控制電壓，通過I/O口發生激勵方波信號，通過A/D對光強及解調信號進行采樣。

2.2 抖動控制電路

激光陀螺由于閉鎖效應，會導致陀螺在小角速度工作時輸出異常。機械抖動偏頻技術使陀螺在抖輪的交變諧振抖動作用下使陀螺工作在較大的角速度中，從而大大減少閉鎖效應帶來的輸出誤差[9-10]。

傳統抖動方法使用基于模擬電路的正弦波抖動驅動電路，在數字抖動控制中，抖動控制電路采用三態方波作為抖輪的驅動，控制抖輪上的壓電陶瓷片進行往復的抖動運動，頻率為抖輪的諧振頻率。

抖動控制電路硬件包括差分放大電路、幅值提取電路、比較器、抖動驅動電路幾部分。

差分放大電路采用儀表放大器對陀螺檢抖信號進行放大，經過放大的信號送入有效值提取電路和比較器電路。有效值提取電路送出檢抖信號的有效值，比較器電路送出檢抖信號整形后的方波信號。

幅值信號送入微控制器的A/D進行采樣，微控制器在上電后進行陀螺頻率的掃描。由于抖輪等效于一個Q值很高的濾波器，在諧振頻率點，反饋遠遠大于其他頻率的反饋。微控制器根據檢抖裝置通過差分放大器和有效值提取電路的幅值信息，可通過尋找反饋幅值的最大值得到陀螺的抖頻信息，完成陀螺的起抖。

比較器輸出的方波信號送入微控制器的I/O口作為中斷觸發源，在抖輪起抖以后，陀螺會以諧振頻率進行自激振蕩。微控制器根據反饋的方波信號，通過邊沿觸發計算出抖輪的驅動信號，并通過I/O口送出。驅動信號經過驅動放大電路放大至正負三態方波驅動陀螺抖動，使陀螺產生閉環的抖動，實現抖動頻率的跟蹤。

3 軟件設計

3.1 軟件總體設計

如圖3所示，程序啟動后首先對陀螺進行檢測，確認陀螺點亮后，使能抖動中斷，后續抖動部分都在抖動中斷中執行，抖動工作后，調用腔長控制部分，進行陀螺腔長控制。

3.2 腔長控制軟件設計

陀螺腔長控制包括陀螺模式掃描[8]、定時器抖動激勵信號中的解調、跳模判斷和腔長控制電壓量的更新輸出等幾方面。如圖4所示，進入腔長控制程序后，程序判斷是否進行過陀螺模式掃描。如沒有，則進行一次陀螺模式掃描流程，找到上電后腔長控制電壓合適的工作點，使陀螺初始化時工作在縱模上。掃描結束后，關閉模式掃描標志，后續程序將不再進行掃描，同時打開定時器2，后續腔長控制功能的調制解調功能都在定時器2的中斷中執行。定時器2設置為自動重裝載模式作為抖動激勵信號的發生定時器，控制I/O口的電平狀態。定時器頻率設為激勵信號的頻率4倍頻，將方波分為0、1、2、3這4段。其中，0到1、1到2段時I/O口為高電平，2到3、3到0段時I/O口為低電平。在第1點和第3點進入中斷時，進行高電平和低電平時交流分量的采樣工作。累計進行128個周期的采樣后，對采樣值進行數字PID的解調計算，更新解調后的腔長控制電壓量，然后對腔長控制電壓進行跳模判斷，決定是否需要進行跳模更新，最后將腔長控制電壓進行輸出，具體中斷程序如圖5所示。

3.3 抖動控制軟件設計

陀螺上電后，程序發出一系列的激勵驅動，使陀螺抖輪產生自激。反饋電路捕捉到自激信號后，將信號進行放大及整形成方波。單片機對檢抖反饋的方波進行捕捉，反饋波形觸發邊沿中斷，進入中斷程序，程序判斷是上升沿中斷還是下降沿中斷。通過判斷結果，選擇是進行正向驅動還是負向驅動。

4 性能測試分析

為驗證數字控制電路的性能，選擇了6個小型陀螺子樣。在室溫條件下，冷態上電，進行7200s靜態通電測試。

由圖7可以看到，6只陀螺冷態上電后，隨著溫度的穩定，百秒方差逐漸穩定。6只陀螺中，剛上電后的最大百秒方差為0.03，穩定后的百秒方差最大為0.02，最小為0.01，與使用大尺寸分立電路進行的單陀螺測試結果相當。但是電路通過一體化設計后，整個尺寸減少60%，原器件數量減少50%以上。同時對電路功耗進行了測試，整個控制電路的功耗在2W左右，功耗較分立電路降低了60%。綜合考量，整體性能遠遠優于原分立電路。

目前，此產品已應用于型號產品上，在各項整機環境試驗的測試中性能表現優異，為慣性測量組合的小型化、低功耗設計做出了非常重要的貢獻。

5 結論

激光陀螺數字式控制電路以微控制器為核心，將原先分立的腔長控制電路、抖動控制電路和前放電路集成在一塊電路板上，同時以軟件算法代替采用硬件電路方式實現腔長控制和抖動控制，大大減少了硬件資源，在體積和功耗上有著明顯的優勢，并且可方便地進行冗余設計，電路經過測試，性能良好。目前，此電路已經應用于多個型號產品中，功能、性能滿足系統使用要求，在應用中具有實際意義。