摘要：本文介绍采用全数字闭环光纤陀螺组成的惯性测量单元的实现方法，采用DSP作为中央处理单元，完成三轴组合的时序控制、数字解调、滤波算法、波形合成及数据传输，并对三轴陀螺进行了全面的性能测试，测试结果表明惯性测量单元中每个陀螺零漂均小于0.5°/h，标度因数线性度＜200 ppm，达到了预期的设计要求。
关键词：光纤陀螺； 惯性测量单元； DSP； 闭环
1 引言
光纤陀螺是一种完全不同于常规机电陀螺的光电传感器。它没有机械活动部件，具有工艺简单、体积小、重量轻、启动速度快、灵敏度高、动态范围大、抗冲击和耐过载等一系列的优异性能。在航空、航天、航海等军用及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的发展前景，成为国内外研究的热点。国内在光纤陀螺研究方面也投入了大量人力、物力。目前，单轴光纤陀螺技术已经成熟，接近实用化。
惯性测量单元为导航、制导和控制系统的核心，主要由以下几部分组成：
①陀螺传感器，用于敏感角速度或角度。
②加速度计传感器，用于敏感比力，从而获得速度、位置的变化量。
③处理器部件，用于处理陀螺和加速度计传感器数据，形成系统解算所需的信息。
随着以计算机为“数学平台”的捷联技术的发展，由捷联式测量单元构成的系统在某些应用中正在逐渐取代传统的框架式系统。对惯性器件(陀螺仪和加速度计)也提出了更高的要求，而传统的机电陀螺已很难满足这方面的要求。光纤陀螺作为中等精度器件，应用于惯性测量单元中，具有令人称道的特性。与挠性陀螺相比，它具有抗冲击及可靠性高等特性；与激光陀螺相比，具有体积小、成本低及无闭锁的特点。因此，特别适合于构造惯性测量单元(IMU)。用光纤陀螺构造的惯性测量单元，可以根据应用对象的不同设计要求，在精度、成本、重量、体积等方面进行灵活及容错的综合设计。
光纤陀螺惯性测量单元的设计方案有几种。本文主要介绍以DSP为基础进行并行处理的全数字闭环光纤陀螺惯性测量单元设计方案。由于闭环光纤陀螺能提供更大的动态范围以及良好的标度因数线性度，并且实现方法已趋近成熟，实验室样机已达0.3°/h的精度，所以采用三个单轴全数字闭环光纤螺组成惯性测量单元无疑是首选方案之一。
2 闭环光纤陀螺的硬件组成
闭环光纤陀螺的基本原理是在光纤环中人为地引入一非互易的补偿相移，以抵消由于光纤环转动产生的Sagnac相移。补偿相移与Sagnac相移大小相等、方向相反，使光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零相位差点附近。陀螺的输出信号可以从补偿相位中获得。这时，陀螺的动态范围和线性度取决于引入补偿相位的器件性能。在电路实现上，根据选用的解调手段和进行相位调制的控制波形的不同，闭环光纤陀螺又分为模拟闭环和数字闭环。模拟闭环采用钮齿波来实现相位补偿，数字闭环采用数字阶梯波反馈来实现相位补偿。由于模拟闭环采用的锯齿波要求具有短的、稳定的回归时间来提高标度因数的线性度及稳定度，在技术上有一定难度。因而目前国内外一般都采用数字阶梯波反馈的数字闭环方案，如图1所示。
图1 闭环光纤陀螺原理框图 图中，BS为保偏分束器，光纤环采用保偏光纤，光源SLD为超发射二极管。PINFET为光电转换探测器。Y波导是集偏振器、分束器、相位调制器于一体的多功能集成光学器件。 图2 闭环光纤陀螺相位调制关系 闭环检测电路包括前置放大、A/D转换、DSP、逻辑器件、D/A转换及驱动等相关电路组成，完成数字解调、数字滤滤、阶梯波形成、反馈控制、时序控制、信号输出等基本功能。 3 惯性测量单元的实现 以闭环光纤陀螺构造的惯性测量单元，每个陀螺有单独的检测电路，其基本结构如图3所示。 图3 惯性测量单元的构成框图 三轴陀螺共用一个现场可编辑的逻辑阵列(FPGA)实现时序控制及阶梯波形成。一个DSP作为中央处理器，完成对三轴陀螺的数字调解、数字滤波、波形反馈及数据输出。为了保证系统的实时性控制，DSP软件采用中断方式完成解调和信号输出，并保证信号输出的优先级高于陀螺信号处理的优先级。其基本程序框图如图4所示，数字解调中断服务子程序如图5所示。 |
图4 主程序流程图 图5 中断子程序流程图 4 陀螺性能测试 ①陀螺结构参数见表1所示 表1 |
| 光纤长度 | 光纤环直径 | SLD功率 | Y波导半波 电压 | |
| X轴 | 500 m | 80 μW | 2.4 V | |
| Y轴 | 500 m | 80 μW | 2.1 V | |
| Z轴 | 500 m | 80 μW | 2.3 V |
②测试条件及环境：测试点纬度Φ=39°58实验室环境，光纤陀螺每2.5 ms输出一组数据(包括X，Y，Z轴) ③零漂测试：为了测试三只陀螺的长时间稳定性，进行2 h的测试。测试时，沿用国内一般采用的方法，即1 s采样(陀螺仪每2.5 ms输出一组数据，累加到1 s，输出一个累加值)，10 s平滑。三只陀螺的零漂曲线分别如图6，7，8所示。 图6 X轴陀螺零漂曲线 图7 Y轴陀螺零漂曲线 图8 Z轴陀螺零漂曲线 ④标度因数线性度测试：当转台分别以如下角速率转动时：0°/s、±3°/s、±5°/s、±8°/s、±10°/s、±20°/s、±30°/s、±50°/s、±80°/s、±120°/s、±200°/s及±300°/s，测量惯性测量单元的输出。结果如图9，10，11所示。 图9 X轴陀螺标度因数线性度曲线 图10 Y轴陀螺标度因数线性度曲线 图11 Z轴陀螺标度因数线性度曲线 5 结论分析 三只陀螺的性能测试参数如表2所示。 表2 |
| 序号 | 指标名称 | 设计值 | 实测值 | |
| 1 | 零漂 | | X轴 | 0.2213°/h |
| Y轴 | 0.3293°/h | |||
| Z轴 | 0.2677°/h | |||
| 2 | 标度因数 非线性度 | | X轴 | 157ppm |
| Y轴 | 97ppm | |||
| Z轴 | 144ppm | |||
由测试结果可以看出，采用DSP并行处理的三轴陀螺惯性测量单元的设计方案是可行的，它具有易于实现、算法灵活等优点，并达到了预期的设计要求。 作者简介：宋凝芳，女，北京航空航天大学宇航学院讲师，从事GPS应用及光纤陀螺研究。 参考文献： |
