光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量組合外場測試方法探討

孫凝生

北京航天自動控制研究所，北京100854

光學(xué)陀螺捷聯(lián)慣性測量組合已廣泛用于運(yùn)載火箭、航天器等領(lǐng)域，是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)和姿態(tài)控制的重要裝置。控制系統(tǒng)是關(guān)系運(yùn)載火箭、航天器飛行性能和成敗的重要系統(tǒng)，因此，對控制系統(tǒng)進(jìn)行良好的測試性設(shè)計(jì)，使在火箭發(fā)射前對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試，確保火箭起飛前控制系統(tǒng)所有組成部分都處于正常的工作狀態(tài)，對提高飛行成功率具有重要意義。

目前光學(xué)陀螺單個或組裝成測量組合的單元測試或標(biāo)定均使用精密速率轉(zhuǎn)臺施加角速率輸入，裝箭之后就不再具備采用這種方法的條件，只能利用地球自轉(zhuǎn)角速度在陀螺輸入軸方向的分量作為輸入對陀螺進(jìn)行檢查和測試。由于地球自轉(zhuǎn)角速度較小和受發(fā)射方位的影響，檢測費(fèi)時(shí)、受限制和不充分。本文提出一種與機(jī)電陀螺加指令測試方法相似的方法，即通過給光纖陀螺施加電指令，使光纖陀螺產(chǎn)生對應(yīng)的輸出來檢測光陀螺是否正常(激光陀螺的測試方法另述)。

1 光纖陀螺原理簡介

干涉型光纖陀螺不論是開環(huán)式還是閉環(huán)式，都是基于在光纖環(huán)中相向而行的兩路同源光波的干涉特性實(shí)現(xiàn)角速率測量的。當(dāng)光纖環(huán)繞其法線方向有運(yùn)動角速度吋，2 路光波出現(xiàn)與角速度成正比的相位差，不同的相位差形成的干涉光強(qiáng)不同，因而可以通過檢測干涉光強(qiáng)的變化取得角速率信息。

設(shè)經(jīng)耦合器后進(jìn)入光纖環(huán)的順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向的光場為E0，經(jīng)過光纖環(huán)后的光場分別為:

式中，θ 為角運(yùn)動產(chǎn)生的相位差;φ 為光纖環(huán)產(chǎn)生的相位延遲。

輸出的干涉光場Eout為:Eout=Ecw+Eccw

輸出光強(qiáng)為:

隨兩路光波相位差的不同而出現(xiàn)的干涉光強(qiáng)與相位差θ 呈余弦函數(shù)關(guān)系，直接對該干涉光進(jìn)行變換應(yīng)用存在2個問題:1)小相位差區(qū)間靈敏度非常小;2)不能區(qū)分極性，即正負(fù)相位差的結(jié)果是相同的，只能反映角速率的大小而不能區(qū)分方向。解決這2個問題的一種成熟方法是采取相位調(diào)制。

相位調(diào)制器是使通過其中的光波相位隨控制電壓的變化而改變的一種器件。在光纖環(huán)的一端置入一個相位調(diào)制器，2 路相向傳播的光波到達(dá)調(diào)制器的時(shí)間分別為:t 和t －τ，τ 為光波在光纖圈中傳輸?shù)臅r(shí)間。當(dāng)相位調(diào)制器的控制電源隨時(shí)間動態(tài)變化時(shí)，由于2 束光波到達(dá)調(diào)制器的時(shí)間相差τ，對應(yīng)不同的控制電壓，對2 路相向傳播的光波產(chǎn)生不同的相移而形成相位差。相位調(diào)制有正弦調(diào)制、鋸齒波調(diào)制和矩形波調(diào)制等多種方式。

正弦調(diào)制是對相位調(diào)制器施加正弦形控制信號。設(shè)調(diào)制器受正弦信號控制產(chǎn)生的調(diào)制相位為:P(t)=Pm.sin(ωt)，則形成的2 路光波的相位差為:ΔP(t)= P(t)－P(t －τ)= 2Pmsin(ωτ/2)·CON(ω(t －τ/2))。

光電探測器輸出電流Id可表示為:

式中，KT為光電變換器靈敏度。

矩形波調(diào)制是對調(diào)制器施加正負(fù)交變的矩形波控制信號，矩形波的寬度為τ，由于相向傳輸?shù)墓獠ǖ竭_(dá)調(diào)制器的時(shí)間相差τ，因此對2 束光波進(jìn)行移相的結(jié)果因控制電壓的極性相反而形成相位差。其他形式的調(diào)制相類似，只是波形不同。

經(jīng)相敏調(diào)制與解調(diào)取得的光強(qiáng)信息(代表角速率信息)與角速度之間的關(guān)系產(chǎn)生了變化，偏置了工作點(diǎn)，消除了小范圍靈敏度小和不能區(qū)分極性的問題，經(jīng)解調(diào)后可獲得能代表被測角速度大小和方向的測量結(jié)果。

光纖陀螺結(jié)構(gòu)中采用相位調(diào)制和解調(diào)器，其目的是為了解決測角速功能的實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)也為光纖陀螺在應(yīng)用系統(tǒng)中的測試性設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)簡單又直觀的測試方法基礎(chǔ)。

2 單光纖陀螺儀測試方法

由光纖陀螺儀的工作原理可知，光纖陀螺輸出測量信息的源頭是由被測運(yùn)動角速度引發(fā)的光纖環(huán)中相向傳輸?shù)? 束光波的相位差。實(shí)現(xiàn)對陀螺儀的整體測試的測試方法，應(yīng)能使光纖環(huán)中相向傳輸?shù)? 路光波產(chǎn)生相位差，通過檢測與該相位差對應(yīng)的陀螺儀輸出信息，可診斷陀螺儀的狀態(tài)。能使光纖陀螺儀光纖環(huán)中2 路光波產(chǎn)生與輸入角速度等效的相位差，可通過相位調(diào)制器(現(xiàn)已集成到Y(jié) 波導(dǎo)器件中)實(shí)現(xiàn)。

(1)利用陀螺中偏置調(diào)制器施加激勵電壓的測試方法

偏置相位調(diào)制器的作用可以等效于視為對零位工作點(diǎn)進(jìn)行了偏置。由上節(jié)論述可知，給調(diào)制器施加動態(tài)控制電壓，可產(chǎn)生等效角速度輸入的相位差。利用此特性，在調(diào)制器控制端再疊加一個能產(chǎn)生需要相位的激勵電壓，使陀螺產(chǎn)生一個對應(yīng)的輸出值即可實(shí)現(xiàn)對陀螺儀的測試。

設(shè)需要陀螺輸出一個常值角速度Ωc，則需要產(chǎn)生一個常值相位差θc:

式中，L 為光纖長度;D 為光纖環(huán)直徑;λ 為光波波長;c 為光速。

施加的產(chǎn)生常值相位差的激勵電壓應(yīng)是一個漸增或漸減的波形(由需輸出的極性而定)，波形在τ時(shí)間的增量應(yīng)為產(chǎn)生所需相位差大小的相移所需要的控制電壓值。

設(shè)相位調(diào)制器特性方程為:

式中，φ 為相移;K 為系數(shù);U 為控制電壓。

產(chǎn)生θc相位差需要激勵電壓在τ 時(shí)間內(nèi)的增量為:

可采用鋸齒波或階梯波產(chǎn)生需要的相位差。

1)鋸齒波

復(fù)位時(shí)間為0 的理想鋸齒波產(chǎn)生的相位差θ為:

式中，f，ω 分別為鋸齒波頻率和角頻率。

由式(5)可知，等幅鋸齒波產(chǎn)生的相位差正比于鋸齒波頻率，通過改變頻率可以改變相位差值。由于負(fù)頻率無意義，為能適應(yīng)正、負(fù)角速度，用于陀螺反饋時(shí)需預(yù)置一個f0頻率(稱工作基頻)，產(chǎn)生一個2π(4π…)相位差。

由于模擬電路具有易受溫度等影響及復(fù)位時(shí)間不理想等因素，在閉環(huán)陀螺中逐漸被由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的階梯波方式替代。但作為功能測試，仍不失為一種可取的方法，因?yàn)?①功能測試需要的輸出是某一固定值，只需設(shè)計(jì)簡單的固定頻率鋸齒波發(fā)生器;②因測試是靜態(tài)性的，不需預(yù)置基頻，可通過加反相器等簡單方法改變鋸齒波極性產(chǎn)生反極性輸出;③受溫度等影響，非理想復(fù)位等產(chǎn)生的誤差，對功能性測試是完全可接受的。

2)階梯波

采用階梯形激勵電壓的波形如圖1 所示。

圖1 階梯形激勵電壓的波形

階梯的寬度應(yīng)為τ，階梯的高度為:

無論是線性還是階梯形增長的激勵電壓，都不可能無限制增長，增加到一定程度需要復(fù)位再重復(fù)。階梯波復(fù)位時(shí)相當(dāng)于在復(fù)位階梯中產(chǎn)生一個反極性相位差，因而應(yīng)選取n 為下列值時(shí)復(fù)位:

令:Vp/K=2jπ，j=1，2，3;

Vp=nΔU，

求得:

式中，n 為階梯波周期中的階梯數(shù)。

這樣復(fù)位產(chǎn)生的反極性相位差為2jπ，由于光纖陀螺兩路相向傳輸光波的相位差與輸出呈三角函數(shù)關(guān)系，2jπ 角度變化對輸出不產(chǎn)生影響。

實(shí)現(xiàn)該測試方法需設(shè)計(jì)激勵電壓的加入點(diǎn)和產(chǎn)生電壓波形的電路。無論開環(huán)還是閉環(huán)陀螺儀，一般調(diào)制控制信號最后都是通過運(yùn)算放大器施加給調(diào)制器，利用該運(yùn)算放大器可以較容易的施加測試激勵電壓，增加一個運(yùn)算放大器輸入端，輸入需要的電壓。為避免測試電路影響，非測試時(shí)可將運(yùn)算放大器測試輸入端與施加測試電壓電路斷開并與零線短接。

電壓波形產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟，鋸齒波電路有許多種，可選擇簡單和復(fù)位較理想的電路。使用數(shù)字電路技術(shù)可以較容易實(shí)現(xiàn)需要的階梯波。

(2)通過反饋通道施加測試激勵的測試方法

數(shù)字式閉環(huán)光纖陀螺的原理是將開環(huán)的輸出作為誤差信號，經(jīng)變換、解調(diào)和處理，反饋產(chǎn)生與被測角速度引發(fā)的大小相同但符號相反的相位差，隨動的調(diào)節(jié)使2 者合成的總相位差為0。圖2 為其功能框圖，工作信息流程為:光纖環(huán)輸出干涉光信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信息，對其進(jìn)行放大和A/D 變換成數(shù)字量，經(jīng)數(shù)字解調(diào)后進(jìn)行積分，再按積分后的量生成相應(yīng)的階梯波，與偏置調(diào)制信號合成后經(jīng)D/A變換和放大后施加到相位調(diào)制器。

圖2 數(shù)字式閉環(huán)光纖陀螺功能框圖

若在反饋通道的原反饋控制信號基礎(chǔ)上，疊加另一控制信號，產(chǎn)生與之對應(yīng)的輸出，可起到與實(shí)際輸入相等效的檢測作用。

測試控制信號可選擇的加入點(diǎn)有2 處:在反饋通路的形成階梯波環(huán)節(jié)的后端和前端。

在后端加入，需在邏輯電路中通過軟件設(shè)計(jì)一個固定相位差的與反饋階梯波相同波形的控制信號模塊作為測試激勵的模塊。測試時(shí)，通過測試命令控制運(yùn)行該模塊，將模塊中設(shè)定的調(diào)相波形與偏置、反饋調(diào)制信號合在一起加入相位調(diào)制器。相位調(diào)制器是線性特性元件，根據(jù)線性疊加原理，在原功能的基礎(chǔ)上會附加產(chǎn)生一個與測試激勵相對應(yīng)的輸出，實(shí)現(xiàn)測試功能。非測試狀態(tài)該模塊不執(zhí)行，不影響陀螺的正常功能。

在前端加入，應(yīng)在積分器輸出端將量值與積分器輸出值相加，加入量值正比于需要的測試輸出值。積分器輸出端是陀螺輸出測量結(jié)果的取值點(diǎn)，陀螺輸出應(yīng)取相加前的積分器輸出值。在前端加入，加入量只是一個數(shù)值，較簡單。

(3)在光纖環(huán)的一端新增一個相位調(diào)制器

上述方法都是利用光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)中原有的相位調(diào)制器，其特點(diǎn)是不需為測試增加額外的光學(xué)器件，但要涉及原有的電路。

若在光纖環(huán)的一端增加一個相位調(diào)制器，并將上述方法中使用到的電路也單獨(dú)配置，形成可使光纖環(huán)中兩路相向傳輸光波產(chǎn)生測試需要的相位差功能模塊，則測試功能部分與陀螺儀工作配置就完全分開了。

3 光纖陀螺慣性測量組合測試方法

光纖陀螺用于制導(dǎo)控制，一般是由多個陀螺和加速度計(jì)組裝在一起，構(gòu)成捷聯(lián)慣性測量組合。對整個慣性測量組合的測試方法可有如下多種設(shè)計(jì)選擇。

(1)各組成儀表各自實(shí)現(xiàn)各自的測試

各個陀螺儀都按上述方法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的測試設(shè)計(jì);加速度計(jì)同現(xiàn)行的方法相同，在反饋力矩器端引出測試指令輸入點(diǎn)，通過給力矩器施加電流，使加速度計(jì)產(chǎn)生對應(yīng)的輸出，實(shí)現(xiàn)對加速度計(jì)的測試。測試時(shí)，由測試系統(tǒng)或另外裝置生成需要的激勵信號，進(jìn)行逐個儀表的單獨(dú)測試。

(2)在慣性測量組合中設(shè)置公用測試功能塊

設(shè)置公用測試電路產(chǎn)生測試激勵信號，將測試激勵信號同時(shí)并加給被測儀表。

加速度計(jì)的測試較簡單，與單表測試的狀態(tài)相同，仍是在每個加速度計(jì)的反饋力矩器端引出測試指令輸入點(diǎn)，設(shè)置一個電流(或電壓)源通過控制開關(guān)分別與每個加速度計(jì)測試指令輸入端連接，測試時(shí)控制開關(guān)閉合，將測試指令施加給加速度計(jì)。

如前面所述，陀螺儀有多種測試設(shè)計(jì)選擇，但為了測試功能模塊通用，慣性測量組合中各個陀螺應(yīng)選擇相同的設(shè)計(jì)。

1)在與相位調(diào)制器相連的運(yùn)算放大器輸入端施加測試激勵時(shí)，需設(shè)置一個公用的階梯波或鋸齒波發(fā)生電路，產(chǎn)生測試需要的相位差的控制電壓波形，分別經(jīng)控制開關(guān)并加給所有陀螺。由于陀螺儀的參數(shù)相互之間可能存在偏差，同一波形施加到不同陀螺，產(chǎn)生的輸出等效角速度值可能會略存差別。若階梯波的階梯寬度與光波在光纖環(huán)中傳播時(shí)間τ不等，每一個階梯，在形成的常值相位差上會出現(xiàn)一個相當(dāng)于一個階梯電壓對應(yīng)值的窄脈沖，脈沖的正或負(fù)取決于階梯寬度比τ 大還是小，這會導(dǎo)致輸出出現(xiàn)毛刺。由于輸出的大小可預(yù)先標(biāo)定，階梯寬度與τ 之差應(yīng)是非常小，對測試目的不會產(chǎn)生影響。

2)在反饋回路形成階梯波前加入測試激勵信號時(shí)，信號為電壓，比較簡單，但信號的輸入可有多種選擇:

①通過測試命令啟動陀螺內(nèi)的軟件，施加常值或某一固定波形信號;

②設(shè)置公用信號電壓產(chǎn)生模塊，通過陀螺反饋回路中的A/D 輸入陀螺儀，可以給各個陀螺施加相同信號或各不相同的信號;

③設(shè)置數(shù)字信號電壓發(fā)生器，通過通信接口輸入陀螺儀。

4 小結(jié)

以上各方法皆可實(shí)現(xiàn)對光纖陀螺和光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量組合的現(xiàn)場測試功能，在測試過程中，影響工作性能的每個組成環(huán)節(jié)都能得到檢查，除加速度計(jì)反饋力矩器的工作范圍外，達(dá)到了測試全覆蓋。將這些方法應(yīng)用到發(fā)射現(xiàn)場的測試性設(shè)計(jì)中，可改變測試不完善的狀況。

比較文中提出的幾種光纖陀螺儀測試方法，相對而言，在光纖陀螺反饋回路階梯波生成前端加入測試激勵方法的指令只是一個電壓，可通過軟件、A/D 或通信接口簡單的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)是首選。

無論哪種公用測試功能模塊，均有多種成熟的實(shí)現(xiàn)方法供選擇，都不存在技術(shù)困難。測試功能模塊可設(shè)在捷聯(lián)慣性測量組合內(nèi)部也可放在外部。陀螺和加速度計(jì)輸出端不需另引出測試點(diǎn)，其輸出可由系統(tǒng)中與之相連的控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和診斷處理。

在光纖陀螺反饋回路階梯波形成前施加測試激勵的方法，除可實(shí)現(xiàn)測試外，還為在無隨動轉(zhuǎn)臺條件下控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加完善的測試性設(shè)計(jì)提供了條件。