一种数字式激光陀螺腔长和抖动控制系统

梁 浩，李锦成，王冬梅，尹 焱，王思涵

（北京航天时代激光导航技术有限责任公司，北京100094）

0 引言

激光惯组[1-2]在国防领域具有非常广泛的应用，随着国防工业的飞速发展，对小型化、低功耗激光惯组的需求越来越迫切。

国外对惯组小型化相关技术研究较早，以Honeywell公司为代表，已经形成一系列的体积小、质量小、功耗低的数字化激光惯组。目前，国内小型化激光惯组的需求极具增长，特别是新一代运载、武器等型号对惯性仪表的体积、质量、功耗、成本的要求越来越高，并提出多表冗余设计的需求。作为激光惯组的重要组成部分，激光陀螺相关电路的体积和功耗直接决定了激光惯组的体积和功耗。传统惯组电路设计基本采用分立器件，各功能电路单独成板的设计，惯组需要设计电子箱来承载几块电路板，同时电气系统非常复杂。为了改变之前 “笨重”的激光惯性产品现状，满足新一代国防型号的需求，国内激光惯性领域各科研院所均开展了陀螺电路的数字化和一体化的研究设计工作。针对激光陀螺电路的设计优化，尤其是通过数字化，将陀螺相关控制电路进行合理的结合，对减少惯组元器件、节省成本、降低尺寸和功耗以及多表冗余设计具有非常实际的意义。

在激光陀螺电路中，和陀螺直接相关的控制电路主要包括腔长控制电路和抖动控制电路[3-5]。本文设计了一种以微控制器为核心，通过软件实现激光陀螺腔长控制和抖动控制的核心功能，同时将陀螺腔长控制电路、抖动控制电路进行一体化的设计，减少了硬件，降低了系统功耗和电路尺寸。

1 系统构成

如图1所示，陀螺控制电路主要包括：光强信号调理电路、带通滤波器、移相器、稳频驱动电路、差分放大电路、幅值提取电路、比较器、抖动驱动电路以及微控制器。

光强信号调理电路、带通滤波器、移相器、稳频驱动电路用于对激光陀螺进行腔长稳定控制；差分放大电路、幅值提取电路、比较器、抖动驱动电路用于对激光陀螺进行抖动控制。

微控制器是整个控制电路的核心，通过软件实现激光陀螺腔长稳定控制和抖动控制的核心功能，同时对陀螺工作特征（如光强、腔长控制电压、抖频等）进行监测。

2 电路设计

2.1 腔长控制电路

激光陀螺的理论基础为Sagnac效应，根据理论，激光陀螺的标定因数为K＝4A/λL。其中，A为光路围起来的面积；L为激光光路长度，即陀螺腔长。由此可知，陀螺的腔长对标定因数有直接的影响，标定因数的稳定性取决于陀螺腔长的稳定性。

腔长控制采用相敏调制解调[6-8]方法，图2中纵坐标为陀螺光强，横坐标为腔长控制电压。期望工作点为n2，但是实际工作点可能在n1或n3，在腔长控制电压上叠加一个正弦激励信号，光强信号中会反馈出与激励信号同频的交流信号，即信号A1和信号B1。当在工作点n1和n2加入同频同相的激励信号时，反馈信号A1、B1分别与激励信号一个是同相而另一个是反相的。在不考虑相位延迟的情况下，在激励信号的波峰和波谷，对信号A1进行采样并做差值运算，得到的值的符号是正，对信号B1进行采样并做差值运算，得到的值的符号是负，从而可以明确当前工作点在n1还是n3，得到腔长控制电压补偿量的方向。同时，由于光强信号斜率的变化，随着离期望工作点n2的临近，反馈信号峰谷差值越来越小。在C点时，反馈信号为C1，波峰和波谷时的差值为0，这样就知道当前工作点离n2的差值，以便进行腔长控制电压量的补偿。

腔长控制电路实现的功能是稳定陀螺腔长，从而稳定标定因数，腔长控制电路的硬件部分由光强信号调理电路、带通滤波器、移相器、稳频驱动电路组成。

光强信号调理电路为互阻放大电路和一个前置带通滤波电路，将陀螺直流光电管的输出转换成可测量的电压量，其输出称为光强。光强信号为直流电压并包含着腔长控制激励的反馈信号，此信号通过前置带通滤波电路后进行滤波，成为交流分量信号，送入单片机的A/D，腔长控制部分软件利用反馈信号实现腔长控制电压的解调功能。

带通滤波器中，单片机的I/O口生成一个定频方波信号，此信号通过带通滤波器后，形成正弦波信号，与驱动电压一起送至陀螺抓卡。

稳频驱动电路将单片机D/A送出的腔长控制电压放大至上百伏，用于陀螺执行机构的驱动，实现陀螺腔长调节。

移相器为经典移相电路，由于电路的传递特性以及抓卡的相位延迟，导致单片机的采样环节无法做到同相位，需要移相器对激励量进行相位补偿，使单片机的I/O口输出和对交流反馈信号的采样同相。

微控制器的功能是通过D/A发送腔长控制电压，通过I/O口发生激励方波信号，通过A/D对光强及解调信号进行采样。

2.2 抖动控制电路

激光陀螺由于闭锁效应，会导致陀螺在小角速度工作时输出异常。机械抖动偏频技术使陀螺在抖轮的交变谐振抖动作用下使陀螺工作在较大的角速度中，从而大大减少闭锁效应带来的输出误差[9-10]。

传统抖动方法使用基于模拟电路的正弦波抖动驱动电路，在数字抖动控制中，抖动控制电路采用三态方波作为抖轮的驱动，控制抖轮上的压电陶瓷片进行往复的抖动运动，频率为抖轮的谐振频率。

抖动控制电路硬件包括差分放大电路、幅值提取电路、比较器、抖动驱动电路几部分。

差分放大电路采用仪表放大器对陀螺检抖信号进行放大，经过放大的信号送入有效值提取电路和比较器电路。有效值提取电路送出检抖信号的有效值，比较器电路送出检抖信号整形后的方波信号。

幅值信号送入微控制器的A/D进行采样，微控制器在上电后进行陀螺频率的扫描。由于抖轮等效于一个Q值很高的滤波器，在谐振频率点，反馈远远大于其他频率的反馈。微控制器根据检抖装置通过差分放大器和有效值提取电路的幅值信息，可通过寻找反馈幅值的最大值得到陀螺的抖频信息，完成陀螺的起抖。

比较器输出的方波信号送入微控制器的I/O口作为中断触发源，在抖轮起抖以后，陀螺会以谐振频率进行自激振荡。微控制器根据反馈的方波信号，通过边沿触发计算出抖轮的驱动信号，并通过I/O口送出。驱动信号经过驱动放大电路放大至正负三态方波驱动陀螺抖动，使陀螺产生闭环的抖动，实现抖动频率的跟踪。

3 软件设计

3.1 软件总体设计

如图3所示，程序启动后首先对陀螺进行检测，确认陀螺点亮后，使能抖动中断，后续抖动部分都在抖动中断中执行，抖动工作后，调用腔长控制部分，进行陀螺腔长控制。

3.2 腔长控制软件设计

陀螺腔长控制包括陀螺模式扫描[8]、定时器抖动激励信号中的解调、跳模判断和腔长控制电压量的更新输出等几方面。如图4所示，进入腔长控制程序后，程序判断是否进行过陀螺模式扫描。如没有，则进行一次陀螺模式扫描流程，找到上电后腔长控制电压合适的工作点，使陀螺初始化时工作在纵模上。扫描结束后，关闭模式扫描标志，后续程序将不再进行扫描，同时打开定时器2，后续腔长控制功能的调制解调功能都在定时器2的中断中执行。定时器2设置为自动重装载模式作为抖动激励信号的发生定时器，控制I/O口的电平状态。定时器频率设为激励信号的频率4倍频，将方波分为0、1、2、3这4段。其中，0到1、1到2段时I/O口为高电平，2到3、3到0段时I/O口为低电平。在第1点和第3点进入中断时，进行高电平和低电平时交流分量的采样工作。累计进行128个周期的采样后，对采样值进行数字PID的解调计算，更新解调后的腔长控制电压量，然后对腔长控制电压进行跳模判断，决定是否需要进行跳模更新，最后将腔长控制电压进行输出，具体中断程序如图5所示。

3.3 抖动控制软件设计

陀螺上电后，程序发出一系列的激励驱动，使陀螺抖轮产生自激。反馈电路捕捉到自激信号后，将信号进行放大及整形成方波。单片机对检抖反馈的方波进行捕捉，反馈波形触发边沿中断，进入中断程序，程序判断是上升沿中断还是下降沿中断。通过判断结果，选择是进行正向驱动还是负向驱动。

4 性能测试分析

为验证数字控制电路的性能，选择了6个小型陀螺子样。在室温条件下，冷态上电，进行7200s静态通电测试。

由图7可以看到，6只陀螺冷态上电后，随着温度的稳定，百秒方差逐渐稳定。6只陀螺中，刚上电后的最大百秒方差为0.03，稳定后的百秒方差最大为0.02，最小为0.01，与使用大尺寸分立电路进行的单陀螺测试结果相当。但是电路通过一体化设计后，整个尺寸减少60%，原器件数量减少50%以上。同时对电路功耗进行了测试，整个控制电路的功耗在2W左右，功耗较分立电路降低了60%。综合考量，整体性能远远优于原分立电路。

目前，此产品已应用于型号产品上，在各项整机环境试验的测试中性能表现优异，为惯性测量组合的小型化、低功耗设计做出了非常重要的贡献。

5 结论

激光陀螺数字式控制电路以微控制器为核心，将原先分立的腔长控制电路、抖动控制电路和前放电路集成在一块电路板上，同时以软件算法代替采用硬件电路方式实现腔长控制和抖动控制，大大减少了硬件资源，在体积和功耗上有着明显的优势，并且可方便地进行冗余设计，电路经过测试，性能良好。目前，此电路已经应用于多个型号产品中，功能、性能满足系统使用要求，在应用中具有实际意义。