面向遙感平臺應用的光纖陀螺特性研究*

馬知瑤 周一覽

摘要：介紹了遙感技術的發展需求和發展現狀，論述了光纖陀螺在遙感平臺視軸穩定系統中的應用。重點對閉環光纖陀螺的角振動測量特性進行了實驗研究，測試結果表明其測量帶寬大于1kHz，2Hz以上頻帶的噪聲等效角度優于90nrad，接近國外磁流體角速度傳感器的性能，能夠滿足遙感平臺視軸穩定系統的應用需求。由于光纖陀螺具有超高的測量帶寬和超低的高頻段噪聲等效角度，同時具有角速度量的直流測量特性，因此可以通過帶寬選通技術將其同時應用于遙感平臺的姿態測量和視軸穩定，實現光纖陀螺應用的多元化。

關鍵詞：遙感平臺;視軸穩定;角振動;光纖陀螺

中圖分類號：TH703 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0037-04

0 引言

隨著現代科學技術的發展，遙感技術已成為一種先進、實用的綜合性探測手段，廣泛適用于測繪、地質、水利和氣象等各領域。以水利行業為例，遙感應用已深入到水利工程的全生命周期，在水資源調查、水環境監測、水體動態變化監測、洪澇災害監測評估等方面也有著成熟的應用。

遙感圖像的空間分辨率是衡量遙感系統性能的主要技術指標之一。遙感系統在軌工作期間，動量輪變速轉動、噴氣、指向控制、太陽帆板調整、飛行器發動機等運動會引起遙感設備的工作軸的顫振，繼而導致遙感圖像的模糊，嚴重制約了遙感圖像空間分辨率的提高[1-2]。而單純采用減振的方式已不能滿足目前高分辨率對地遙感的需求，因此人們轉而采用主動測量方法得到遙感系統的角振動并進行精確的反饋控制保證遙感系統視軸穩定以進一步提高遙感圖像的空間分辨率。

為了獲得高分辨率圖像，遙感系統的指向精度一般要求小于1～10μrad，甚至要求達到0.05μrad[3]，這就要求顫振測量裝置要有足夠高的測量精度。遙感系統顫振的頻率可達300Hz，因此顫振測量裝置要有足夠大的測量帶寬。再者，強輻照、大溫差、微重力等環境條件要求顫振測量裝置具有極強的環境適應能力和抗干擾能力。太空工作環境還對顫振測量裝置的體積、重量、功耗、壽命等指標提出了嚴格的要求。

磁流體傳感器MHD是目前美日等國廣泛采用的遙感載體的顫振測量和視軸穩定控制技術。美國的新一代靜止軌道環境衛星Goes-N的微小振動測控采用了美國應用技術聯合體研制的Dynapak12型高精度三維角速度傳感器，它是由3個相互正交的磁流體角速度傳感器ARS-12[4]所集成，角位移控制精度為25μrad。日本于2006年1月發射升空的先進陸地觀測衛星ALOS[5-6]的指向測定精度達到3.49μrad，其角位移傳感器MHD-ADS是以ARS-12型角速度傳感器為原型改造發展而來的。ARS-12是美國ATA公司研制的ARS系列MHD角速度傳感器家族的重要成員，ARS系列角速度傳感器包括ARS-06s、ARS-06、ARS-12、ARS-14、ARS-15等型號產品，主要性能指標表1所示，ARS-14產品如圖1所示，其等效噪聲角度曲線如圖2所示。

MHD角速度傳感器具有體積小、重量輕、測量精度高等優點，非常適合遙感平臺的顫振測量應用。然而，MHD的原理決定了其對低頻角振動不敏感，國內對MHD的研究才剛剛起步且相關產品和技術受到歐美國家的封鎖，難以滿足我國對于高分辨率對地遙感的迫切需求。

近年來，隨著光纖陀螺技術的發展，利用光纖陀螺進行遙感平臺微小振動測量和視軸穩定控制已成為世界各國研究的熱點。由美國宇航局（NASA）和德國宇航局（DLR）聯合開發的基于紅外天文學的同溫層觀測站（SOFIA）工程[7]采用三個正交的干涉閉環光纖陀螺FOG180構成角振動傳感系統，其指向穩定精度達7.3μrad。這是光纖陀螺首次應用于航天航空領域的定位控制系統。2010年，美國空軍實驗室（AFRL）資助光纖技術公司（ITI）和智能光纖光學系統公司（IFOS）進行基于開環光纖陀螺的視軸穩定系統[8]的開發，明確了大力發展光纖陀螺技術以滿足未來航空航天領域定位控制的應用需求，該開環光纖陀螺主要性能指標如表2所示，其產品如圖3所示。

光纖陀螺（FOG）是一種全固態陀螺，具有精度高、帶寬大、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長等優點，且具備抗真空、抗輻照、抗沖擊等特點[9]，非常適合于空間應用。本文針對遙感平臺應用的特點重點介紹了光纖陀螺的靜態特性和振動特性，初步驗證了本文所述光纖陀螺應用于遙感平臺微小振動測量的可行性。

1 光纖陀螺的角振動測量特性

采用國內目前已成熟應用的數字閉環光纖陀螺進行動態角振動測量和靜態測量實驗，實驗中光纖陀螺數據更新率為6kHz。

動態實驗采用直流電機作為角振動源，其可提供的最高角振動頻率為1000Hz。采用雙頻激光測振儀和光纖陀螺同時測量角振動，雙頻激光測振儀的測量結果作為陀螺測量結果的基準。雙頻激光測振儀采用上海微電子裝備有限公司的SPM型干涉測量儀，其線位移分辨率為0.05nm，數據更新率10MHz，SPM型干涉測量儀測振原理如圖4所示，圖中為被測轉動體相對于激光光線方向轉過的角度，為兩角錐棱鏡在激光光線方向的相對位移，為兩角錐棱鏡頂點的距離，滿足，由此可從位移得到角度信息。實驗中兩角錐棱鏡之間的距離為36mm，忽略角錐棱鏡的距離誤差，得雙頻激光測振儀的測角分辨率可達1.4nrad，其測量分辨率和數據更新率均滿足作為基準的要求。

實驗系統安裝圖如圖5所示，通過電機提供承載平臺的角運動，光纖陀螺與雙頻激光測振儀的角錐棱鏡均與承載平臺剛性連接，保證光纖陀螺與雙頻激光測振儀測量輸入量一致。

光纖陀螺動態測量實驗結果如圖6所示，為便于顯示，圖中只給出兩個周期的結果，雙頻激光動態實驗結果圖類似，由于雙頻激光采樣頻率更高，故其實驗曲線更平滑，鑒于篇幅雙頻激光動態實驗曲線未給出。取動態實驗結果曲線的峰峰值的一半作為振動的幅值，實驗數據結果如表3所示。

如表3所示，動態實驗所取角振動頻率點分別為10Hz、300Hz、600Hz、1000Hz，在上述四個頻率下，光纖陀螺測得幅度與角振動實際幅度的比值均大于0.95，由此可知，該光纖陀螺帶寬大于1000Hz。所使用的光纖陀螺數據更新率由光纖環渡越時間及閉環周期確定，最高可達100kHz。由于實驗中輸入角振動的最高頻率為1000Hz，考慮到數據傳輸和處理，實驗中光纖陀螺數據更新率設定為6kHz。

靜態實驗結果如圖7所示，圖7（a）為噪聲功率譜密度，其對應的均方噪聲等效角度如圖7（b）所示，該光纖陀螺2～1000Hz范圍內噪聲等效角度為0.01775arc sec，即0.086μrad。

光纖陀螺角振動測量特性與MHD角振動測量特性的主要性能比較如表4所示。

表4中開環光纖陀螺為美國智能光纖光學系統公司的陀螺，閉環光纖陀螺為本文所述實驗用陀螺。

由表4可知，MHD噪聲等效角度很低，國外已成熟應用于遙感平臺角振動測量，但是其對低頻不敏感且目前國內對于MHD傳感器的研究才剛剛起步，不能滿足目前我國對于遙感系統高分辨率遙感的迫切需求。相比而言，光纖陀螺具有全固態、啟動快、耐沖擊、抗干擾等優點，且國內光纖陀螺技術已基本成熟，其精度和帶寬可以滿足目前遙感平臺的應用需求。由于光纖陀螺的帶寬遠大于1000Hz，且敏感低頻角運動，可通過帶寬選通技術，提取光纖陀螺低頻測量信息用于遙感平臺姿態和運動的測量和控制，提取高頻信息用于遙感平臺視軸穩定控制與遙感圖像補償，實現光纖陀螺應用的多元化。

2 結語

對遙感平臺的微角振動進行主動測量并通過反饋系統進行穩定控制保證視軸穩定是進一步提高遙感系統空間分辨率的最直接有效手段。國外已成熟應用的磁流體（MHD）角振動測量技術雖然精度較高，但是其對低頻不敏感且國內對應研究才剛起步。相比而言，國內光纖陀螺技術已基本成熟，其精度和帶寬可以滿足目前遙感平臺的應用需求，且通過帶寬選通技術，光纖陀螺既可用于遙感平臺姿態和運動的測量控制，又可用于視軸穩定控制。

參考文獻

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