面向遥感平台应用的光纤陀螺特性研究*

马知瑶 周一览

摘要：介绍了遥感技术的发展需求和发展现状，论述了光纤陀螺在遥感平台视轴稳定系统中的应用。重点对闭环光纤陀螺的角振动测量特性进行了实验研究，测试结果表明其测量带宽大于1kHz，2Hz以上频带的噪声等效角度优于90nrad，接近国外磁流体角速度传感器的性能，能够满足遥感平台视轴稳定系统的应用需求。由于光纤陀螺具有超高的测量带宽和超低的高頻段噪声等效角度，同时具有角速度量的直流测量特性，因此可以通过带宽选通技术将其同时应用于遥感平台的姿态测量和视轴稳定，实现光纤陀螺应用的多元化。

关键词：遥感平台;视轴稳定;角振动;光纤陀螺

中图分类号：TH703 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）11-0037-04

0 引言

随着现代科学技术的发展，遥感技术已成为一种先进、实用的综合性探测手段，广泛适用于测绘、地质、水利和气象等各领域。以水利行业为例，遥感应用已深入到水利工程的全生命周期，在水资源调查、水环境监测、水体动态变化监测、洪涝灾害监测评估等方面也有着成熟的应用。

遥感图像的空间分辨率是衡量遥感系统性能的主要技术指标之一。遥感系统在轨工作期间，动量轮变速转动、喷气、指向控制、太阳帆板调整、飞行器发动机等运动会引起遥感设备的工作轴的颤振，继而导致遥感图像的模糊，严重制约了遥感图像空间分辨率的提高[1-2]。而单纯采用减振的方式已不能满足目前高分辨率对地遥感的需求，因此人们转而采用主动测量方法得到遥感系统的角振动并进行精确的反馈控制保证遥感系统视轴稳定以进一步提高遥感图像的空间分辨率。

为了获得高分辨率图像，遥感系统的指向精度一般要求小于1～10μrad，甚至要求达到0.05μrad[3]，这就要求颤振测量装置要有足够高的测量精度。遥感系统颤振的频率可达300Hz，因此颤振测量装置要有足够大的测量带宽。再者，强辐照、大温差、微重力等环境条件要求颤振测量装置具有极强的环境适应能力和抗干扰能力。太空工作环境还对颤振测量装置的体积、重量、功耗、寿命等指标提出了严格的要求。

磁流体传感器MHD是目前美日等国广泛采用的遥感载体的颤振测量和视轴稳定控制技术。美国的新一代静止轨道环境卫星Goes-N的微小振动测控采用了美国应用技术联合体研制的Dynapak12型高精度三维角速度传感器，它是由3个相互正交的磁流体角速度传感器ARS-12[4]所集成，角位移控制精度为25μrad。日本于2006年1月发射升空的先进陆地观测卫星ALOS[5-6]的指向测定精度达到3.49μrad，其角位移传感器MHD-ADS是以ARS-12型角速度传感器为原型改造发展而来的。ARS-12是美国ATA公司研制的ARS系列MHD角速度传感器家族的重要成员，ARS系列角速度传感器包括ARS-06s、ARS-06、ARS-12、ARS-14、ARS-15等型号产品，主要性能指标表1所示，ARS-14产品如图1所示，其等效噪声角度曲线如图2所示。

MHD角速度传感器具有体积小、重量轻、测量精度高等优点，非常适合遥感平台的颤振测量应用。然而，MHD的原理决定了其对低频角振动不敏感，国内对MHD的研究才刚刚起步且相关产品和技术受到欧美国家的封锁，难以满足我国对于高分辨率对地遥感的迫切需求。

近年来，随着光纤陀螺技术的发展，利用光纤陀螺进行遥感平台微小振动测量和视轴稳定控制已成为世界各国研究的热点。由美国宇航局（NASA）和德国宇航局（DLR）联合开发的基于红外天文学的同温层观测站（SOFIA）工程[7]采用三个正交的干涉闭环光纤陀螺FOG180构成角振动传感系统，其指向稳定精度达7.3μrad。这是光纤陀螺首次应用于航天航空领域的定位控制系统。2010年，美国空军实验室（AFRL）资助光纤技术公司（ITI）和智能光纤光学系统公司（IFOS）进行基于开环光纤陀螺的视轴稳定系统[8]的开发，明确了大力发展光纤陀螺技术以满足未来航空航天领域定位控制的应用需求，该开环光纤陀螺主要性能指标如表2所示，其产品如图3所示。

光纤陀螺（FOG）是一种全固态陀螺，具有精度高、带宽大、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长等优点，且具备抗真空、抗辐照、抗冲击等特点[9]，非常适合于空间应用。本文针对遥感平台应用的特点重点介绍了光纤陀螺的静态特性和振动特性，初步验证了本文所述光纤陀螺应用于遥感平台微小振动测量的可行性。

1 光纤陀螺的角振动测量特性

采用国内目前已成熟应用的数字闭环光纤陀螺进行动态角振动测量和静态测量实验，实验中光纤陀螺数据更新率为6kHz。

动态实验采用直流电机作为角振动源，其可提供的最高角振动频率为1000Hz。采用双频激光测振仪和光纤陀螺同时测量角振动，双频激光测振仪的测量结果作为陀螺测量结果的基准。双频激光测振仪采用上海微电子装备有限公司的SPM型干涉测量仪，其线位移分辨率为0.05nm，数据更新率10MHz，SPM型干涉测量仪测振原理如图4所示，图中为被测转动体相对于激光光线方向转过的角度，为两角锥棱镜在激光光线方向的相对位移，为两角锥棱镜顶点的距离，满足，由此可从位移得到角度信息。实验中两角锥棱镜之间的距离为36mm，忽略角锥棱镜的距离误差，得双频激光测振仪的测角分辨率可达1.4nrad，其测量分辨率和数据更新率均满足作为基准的要求。

实验系统安装图如图5所示，通过电机提供承载平台的角运动，光纤陀螺与双频激光测振仪的角锥棱镜均与承载平台刚性连接，保证光纤陀螺与双频激光测振仪测量输入量一致。

光纤陀螺动态测量实验结果如图6所示，为便于显示，图中只给出两个周期的结果，双频激光动态实验结果图类似，由于双频激光采样频率更高，故其实验曲线更平滑，鉴于篇幅双频激光动态实验曲线未给出。取动态实验结果曲线的峰峰值的一半作为振动的幅值，实验数据结果如表3所示。

如表3所示，动态实验所取角振动频率点分别为10Hz、300Hz、600Hz、1000Hz，在上述四个频率下，光纤陀螺测得幅度与角振动实际幅度的比值均大于0.95，由此可知，该光纤陀螺带宽大于1000Hz。所使用的光纤陀螺数据更新率由光纤环渡越时间及闭环周期确定，最高可达100kHz。由于实验中输入角振动的最高频率为1000Hz，考虑到数据传输和处理，实验中光纤陀螺数据更新率设定为6kHz。

静态实验结果如图7所示，图7（a）为噪声功率谱密度，其对应的均方噪声等效角度如图7（b）所示，该光纤陀螺2～1000Hz范围内噪声等效角度为0.01775arc sec，即0.086μrad。

光纤陀螺角振动测量特性与MHD角振动测量特性的主要性能比较如表4所示。

表4中开环光纤陀螺为美国智能光纤光学系统公司的陀螺，闭环光纤陀螺为本文所述实验用陀螺。

由表4可知，MHD噪声等效角度很低，国外已成熟应用于遥感平台角振动测量，但是其对低频不敏感且目前国内对于MHD传感器的研究才刚刚起步，不能满足目前我国对于遥感系统高分辨率遥感的迫切需求。相比而言，光纤陀螺具有全固态、启动快、耐冲击、抗干扰等优点，且国内光纤陀螺技术已基本成熟，其精度和带宽可以满足目前遥感平台的应用需求。由于光纤陀螺的带宽远大于1000Hz，且敏感低频角运动，可通过带宽选通技术，提取光纤陀螺低频测量信息用于遥感平台姿态和运动的测量和控制，提取高频信息用于遥感平台视轴稳定控制与遥感图像补偿，实现光纤陀螺应用的多元化。

2 结语

对遥感平台的微角振动进行主动测量并通过反馈系统进行稳定控制保证视轴稳定是进一步提高遥感系统空间分辨率的最直接有效手段。国外已成熟应用的磁流体（MHD）角振动测量技术虽然精度较高，但是其对低频不敏感且国内对应研究才刚起步。相比而言，国内光纤陀螺技术已基本成熟，其精度和带宽可以满足目前遥感平台的应用需求，且通过带宽选通技术，光纤陀螺既可用于遥感平台姿态和运动的测量控制，又可用于视轴稳定控制。

参考文献

[1] 樊超，李英才，易红伟.颤振对TDICCD相机像质的影响分析[J].光子学报，2007，36（9）：1714-1717.

[2] 姚呈康，李庆辉，胡琳.星载遥感相机像移分析[J].红外与激光工程，2009，38（5）：901-905.

[3] 霍红庆，马勉军，李云鹏.卫星微角颤振高精度测量技术[J].传感器与微系统，2011，30（3）：4-6.

[4] D.Laughlin，D.Smith.ARS-12G inertial angular vibration sensor provides nanoradian measurement[C].Proceedings of SPIE，2001.

[5] Iwata T，Kawahara T，Muranaka N.High-bandwidth pointing determination for the advanced land observing satellite （ALOS）[C].24th International Symposium on Space Technology and Science，2004.

[6] Iwata T.Precision geolocation determination and pointing management for the advanced land observing satellite （ALOS）[C].Proceedings of 2003 IEEE International Conference（IGARSS03），2003.

[7] Franziska Harms.A Contribution to Characterizing and Calibrating the Pointing Control System of the SOFIA Telescope[D].Stuttgart：Institute of Space Systems Universitt Stuttgart，2009.

[8] Ram Yahalom，Behzad Moslehi，J.C.Ha.Low-Cost，Compact Fiber-Optic Gyroscope for Super-Stable Line-of-Sight Stabilization[C].IEEE，2010.

[9] 王巍，楊清生，王学锋.光纤陀螺的空间应用及其关键技术[J].红外与激光工程，2006，35（5）：509-512.