一种小型集成化光纤惯组的设计与实现

刘雪锋

(湖北三江航天红峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

提出了一种光纤惯组设计方案。该小型化光纤惯组具备以下特点：合理分配供电需求，减少电源板电源模块所需种类和数量；数据处理板只采用一个FPGA，实现了陀螺闭环处理、加表数据采集及惯组数据补偿等功能，减少了元器件和印制板；FPGA软件采用模块化设计，集成陀螺闭环处理模块、加表AD采集模块和惯组误差补偿模块，达到了减小产品体积重量、缩短生产周期、降低功耗和成本的目标。

1 方案设计

1.1 总体方案设计

针对惯性传感器，现有的型号产品主要技术指标能够满足要求，但在重量和体积上无法满足指标要求，必须采用多种集成化设计来减小产品的体积和重量。产品的主要技术实现途径如下：

一是三轴光纤陀螺主要由光源组件、3个敏感环体组件、陀螺前放板电路组成，用于采集角速度信息并进行信号调理放大；电源板主要由二次电源电路组成，为产品提供二次电源供电，并充分利用印制板空间集成了加速度信号放大和AD转换电路；数据处理板集成了传统陀螺主板闭环处理和加速度信号采集功能，实现了陀螺和加表的数据采集、补偿处理和输出；温度传感器用于采集产品的温度信息及陀螺和加表的温度补偿。

二是对供电进行合理分配。将陀螺供电+5 V和数据处理板供电+5 V合在一起，减少电源模块数量，降低产品功耗，缩小产品体积，减轻产品重量；集成加速度信号处理板和电源板，集成陀螺主板和数据处理板，采用一个FPGA作为主控芯片，实现惯组数据采集和处理；FPGA软件集成陀螺闭环模块、加速度信号处理模块、惯组工具误差补偿和温度补偿。

三是移除DSP芯片，将工具误差补偿与温度补偿放在FPGA中实现。通过对补偿计算公式进行拆解，使用Xilinx公司提供的IP核floating-point 5.0，实现浮点型数据的转换与计算，使用时钟延时确保每一步计算的准确性，使用状态机完成所有计算，获得最终结果。

1.2 原理设计

光纤惯组主要由三轴光纤陀螺、三轴加速度计、电源板、数据处理板和相关结构件组成，其原理框图如图1所示。

图1中各部分主要组成和功能如下：三轴光纤陀螺主要由光源组件、3个敏感环体组件、陀螺前放板电路组成，用于采集角速度信息并进行信号调理放大；电源板主要由二次电源电路组成，为产品提供二次电源供电，并充分利用印制板空间集成了加速度信号放大和AD转换电路；数据处理板集成了传统陀螺主板闭环处理和加速度信号采集功能，实现了陀螺和加表的数据采集、补偿处理和输出；温度传感器用于采集产品的温度信息，用于陀螺和加表的温度补偿。

图1 光纤惯组原理框图Fig.1 Principle block diagram of optical fiber array

1.3 结构设计

产品主要结构由光源组件、光纤环、电源板、数据处理板和相关结构件组成，结构模型如图2所示。从上到下分别为外罩、敏感组件、减振垫、数据处理板、电源板和底座，其中敏感组件包括三轴光纤陀螺、三轴加表、光源组件和前放板。敏感组件输出信号与电路板之间通过接插件相连，数据处理板和电源板通过对插插座相连。

图2 产品结构示意图Fig.2 Schematic diagram of product structure

1.4 光纤陀螺设计

光纤陀螺采用小型三轴一体化光纤陀螺，陀螺光路和光源板借用成熟型号产品，为了减小功耗、质量和体积，将陀螺前放板供电由原来的±3.3 V改为±5 V，去掉了陀螺电源板，并将陀螺主板与惯组数据处理板进行硬件和软件的集成设计，光纤陀螺零偏稳定性为0.2°/h，全温零偏稳定性达到0.5°/h。根据已生产陀螺统计数据，合格率可达95%以上。

1.5 电源板设计

产品电源板包括二次电源模块和加表信号处理电路组成，其中二次电源模块供电输出如表1所示。加表信号处理电路采用ADS1210电路。

表1 二次电源供电输出Tab.1 Secondary power supply output

1.6 数据处理板设计

产品数据处理板集成了陀螺主板陀螺AD转换、DA转换和后放电路。去掉数据处理板上的DSP，将DSP进行的工具误差补偿、温度补偿等数据处理通过FPGA乘法器实现，只使用一个FPGA芯片XC6SLX45-2CSG324I就完成了陀螺闭环处理、加表数据采集及数据补偿输出功能。

1.7 FPGA软件设计

产品FPGA软件采用模块化设计，陀螺闭环处理模块借用3F080B光纤陀螺，加表信号采集模块借用S1B光纤惯性导航系统。惯组工具误差补偿和温度补偿模块参考惯组DSP相关程序，通过乘法器和移位运算实现FPGA软件移植。

2 某型光纤陀螺稳态热分析

某型光纤陀螺主要由光纤环组件、外罩、光学器件、主板电路和光源板电路等构成，如图3所示。其中结构件材料为硬铝，包括绕制光纤环所用的光纤环、电路板的材料及一些细小构件所用的塑料等。由于低成本需求，环组件未采取静磁屏蔽措施，无骨架光纤环直接通过胶水粘接于陀螺底座上，其余部分通过螺钉固连。

图3 某型光纤陀螺结构方案实体模型Fig.3 Solid model of a fiber optic gyroscope structure scheme

为降低计算量，基于已获得的准确光纤陀螺结构的实体模型，根据各个部件对陀螺的发热及热传导贡献大小，对陀螺系统进行合理简化，建立了陀螺系统的整体热分析模型。实际计算中，光纤陀螺组成材料包括硬铝、PCB印制板(FR4)、光纤环、塑料(光学器件)，材料参数如表2所示。

表2 陀螺热分析材料参数Tab.2 Material parameters of gyroscope thermal analysis

将实际功耗转为输入载荷边界条件施加在陀螺内部的发热器件上；内部各零部组建间的接触热阻通过ANSYS摩擦接触以经验值进行简化；而静止空气对流换热系数一般设定为5～25 W/m2℃，结合试验测试结果，将仿真模型本体外表面与静止空气对流系数设为8.3 W/m2℃，将其作为散热边界条件计算室温(20℃)状态下此型光纤陀螺的稳态温度场。计算结果如图4所示。

图4 某型光纤陀螺稳态温度场计算结果Fig.4 Calculation results of steady-state temperature field of a optical fiber gyroscope

根据计算可知，室温环境下，陀螺整体温度上升10.3℃～16.3℃，在大气环境下系统升温并不是很高，但是由光纤环温度计算结果可知，温度上升13.5℃～14.8℃，温度场温差为1.3℃左右，最高温度点分布在离SLD光源较近部位。说明以上结构形式中，光纤环与陀螺结构体的温度有一定区别，且光纤环温度梯度在轴向与径向方向上一致性很差，这与陀螺结构导致的内部热传导方向有关，且其环粘接面温度稍高于上方温度。

3 结语

低成本小型集成化光纤惯组是未来的发展要点，需开展产品研制，以满足市场需求。应在光纤陀螺光路集成化、光路复用、一体化方面开展研究，重视导航计算机与GPS集成化，以大大降低成本，缩小系统体积，提高产品竞争力。