微型三轴一体化光纤陀螺研究

周昌学，陈朝春，卜继军，付 静，帅师师，胡 兴，牟炳富

(四川压电与声光技术研究所，重庆 400060)

光纤陀螺从1976 年提出到现在，已走过了从原理样机到工程应用的多个阶段。作为新一代光学速率传感器，光纤陀螺相比于其他陀螺具有寿命长、抗振动冲击性能好、动态范围大、体积小、结构和加工工艺简单、成本低等特点［1-3］。目前，国内从中低精度到0.001 °/h 的高精度陀螺均有报道，其应用范围从军用的航空航天、武器制导、战车导航、卫星姿态控制到民用的石油钻井、轨道检测、机器人控制、车辆导航等均有覆盖。随着光纤陀螺技术的日益成熟，其应用前景会更加广阔。

目前光纤陀螺从结构上大体有单轴和三轴一体化之分。随着光纤陀螺技术的不断成熟、发展，三轴一体化光纤陀螺受到越来越多的关注［4］。通常在惯性导航或姿态控制应用中需要测量3 个方向的角速度信息，简单的实现方案可采用3 套单轴光纤陀螺进行组合，但组合后其体积、功耗和成本通常难以达到系统的要求。基于惯性导航或控制系统的需要，从降低成本、简化结构、节省空间和降低功耗等方面考虑，把3 个轴向正交陀螺的部分器件经过有效的整合，实现三轴陀螺的一体化设计可解决上述问题［5］。

1 微型三轴一体化光纤陀螺总体结构

单轴闭环光纤陀螺由SLD 光源、2 ×2 耦合器、Y 波导、光纤环和探测器构成。三轴一体化光纤陀螺仪的实现方案有很多种，比如共用光源方案［6］、时分复用方案、共用处理电路方案等［5，7］，都可降低成本、简化结构、节省空间、降低功耗。本文在对三轴光纤陀螺精度、体积、功耗进行分析的基础上，将共用光源方案、时分复用方案、共用处理电路方案结合起来，设计了微型三轴一体化光纤陀螺。

微型三轴一体化光纤陀螺中3 个光纤陀螺光路共用1个光源和1 个探测器，而Y 波导和光纤环仍独立使用，2 ×2耦合器变成3 ×3 耦合器，信号处理部分由3 个独立部分合成1 个整体，三轴一体化光纤陀螺总体结构框图见图1。

图1 微型三轴一体化光纤陀螺总体结构

2 微型三轴一体化光纤陀螺设计

2.1 结构设计

微型三轴一体化光纤陀螺结构如图2 所示。为减小光路体积并充分利用结构的空间提高光纤陀螺精度，在光纤环的设计上采用异形化(一般光纤环均为圆形)设计，将光纤环设计成椭圆形，这样既能保证光纤环有足够的有效面积和长度，又有利于其他光学器件的安装。通过光纤环的异形化设计，大大降低了系统体积，在8 cm×8 cm×7 cm 尺寸下完成了三轴一体化光纤陀螺设计。同时设计上还预留了扩展空间，可用于安装DC-DC 电源，以适应不同用户对不同供电的要求。

图2 微型三轴一体化光纤陀螺结构设计

需要注意的是，椭圆形光纤环对光纤绕环工艺提出了更高的要求，需要在4 极对称绕环精度和绕环张力变化上进行更进一步的控制，同时在涂胶工艺上也需要优化。

2.2 信号处理设计

三轴一体化光纤陀螺信号处理部分采用3 轴共用1 套信号检测与处理电路的方法。其与单轴光纤陀螺一样由前置放大电路、A/D 转换电路、数字信号处理电路、D/A 转换电路等组成，完成光干涉信号的采集、处理和传输。处理器(FPGA)通过时序控制完成3 轴角速度信号在1 套信号检测与处理电路上的分时检测与输出。

三轴一体化光纤陀螺时分复用的原理是给1 轴光路加调制信号时，另2 轴不加调制处于非工作状态，实现3 个陀螺交替工作。加调制的信号频率高，未加调制的信号变化缓慢，根据频率的不同可以区分混在一起的信号和“噪声”。即系统在对x 轴施加调制信号使其处于闭环工作状态并输出角速度信息时，y 轴和z 轴不加调制并处于开环非工作状态。其工作时序如图3 所示，按照一定的时间间隔，x、y、z 轴轮流处于工作状态。

图3 三轴一体化光纤陀螺工作时序

系统采用单个D/A 电路完成3 路信号的闭环反馈，对三轴陀螺施加的反馈信号通过1 个控制开关进行通道切换，电路原理如图4 所示。将D/A 输出调制信号输送至放大电路，经放大后作为反馈信号，控制信号根据时序信号选择合适的通道将反馈信号加载到相应陀螺的相位调制器上，完成闭环控制。

图4 三轴一体化光纤陀螺时分控制

2.3 温度补偿技术

构成光纤陀螺的主要器件如SLD 光源、Y 波导、光纤环等对温度比较敏感，为提高陀螺全温精度，对其进行全温误差参数补偿非常重要［8］。在大量试验数据的基础上，考虑工程实用性，建立了三轴光纤陀螺仪的全温误差模型:

式中:Nx，Ny，Nz为三轴陀螺输出量;ωx，ωy，ωz为三轴陀螺输入转动角速度;E0x，E0y，E0z为三轴陀螺的标度因数温度系数拟合常值项;kij(i=x，y，z;j=1，2)为三轴陀螺标度因数温度系数;Eyx，Ezx，Exy，Ezy，Exz，Eyz为三轴光纤陀螺的交叉耦合系数;kij(i=x，y，z;j=x，y，z)为三轴陀螺交叉耦合系数的温度系数;D0x，D0y，D0z为三轴陀螺的零偏温度系数拟合常值项;kij(i=x，y，z;j=3，4)为三轴向陀螺零偏温度系数。

3 微型三轴一体化光纤陀螺性能

研制出的微型三轴一体化光纤陀螺照片如图5 所示。

图5 微型三轴光纤陀螺照片

微型三轴一体化光纤陀螺样机研制完成后，进行了一系列的常规测试。实测的三轴光纤陀螺主要指标为:零偏稳定性均小于2°/h，零偏重复性均小于2°/h。此外，还完成了高低温工作、温度循环、振动与冲击等试验，满足设计要求。目前，三轴一体化光纤陀螺仪已经成功应用到了某系统中。

4 结束语

微型三轴一体化光纤陀螺采用光源、探测器和信号处理电路共用方案，在结构设计上采用椭圆化光纤环，在信号处理上采用时分复用的方法。研制出的三轴光纤陀螺体积小于8 cm×8 cm ×7cm，零偏稳定性小于2°/h，零偏重复性小于2°/h，陀螺温度性能较好，具有较强的抗振动冲击能力。

［1］张桂才. 光纤陀螺原理与技术［M］. 国防工业出版社，2008.

［2］Lefevre H C.The Fiber-Optic Gyroscope［M］.London:ARTECH HPUSE，1993.

［3］石国祥，陈坚，叶军，等.光纤陀螺温度影响的非线性综合误差补偿［J］.四川兵工学报，2011，32(3):76-78.

［4］金靖，宋凝芳，李敏，等.卫星用光纤陀螺三轴组合的关键技术［J］.北京航空航天大学学报，2006，32(11):1386-1389.

［5］盛钟延，周柯江，叶炜.光纤陀螺(FOG)小型化技术［J］.激光与红外，2002，30(1):53-55.

［6］刘会文，朱杰，李佳程. 三轴一体化光纤陀螺技术［J］.中国惯性技术学报，2007，15(5):612-614.

［7］鲁军，刘军，王立冬.一种三轴光纤陀螺时分复用方案的设计与分析［J］. 中国惯性技术学报，2009，17(5):586-588.

［8］吉世涛，秦永元，蓝燕. 光纤陀螺输入轴失准角温度补偿研究［J］. 测控技术，2010，29(10):6-8.