激光陀螺范文

2024-05-07

激光陀螺范文（精选6篇）

激光陀螺第1篇

伴随着FPGA芯片门数、工作频率和数学运算能力的提升, 尤其是其具有多任务和高速并行等特性优点, 使得数字信号处理的FPGA得到普遍应用,使之成为激光陀螺高速解调的理想实现方案。

激光陀螺的输出信号中包含外界输入角速度、机械抖动角速度两部分信息,而机械抖动信号又叠加了伪随机噪声。针对激光陀螺解调的滤波器需衰减特别大、精度特别高及后续处理方便等,本文提出了基于浮点运算来设计滤波器,来满足信号滤波要求。

1滤波器原理及参数分析

1.1滤波器原理

常用数字滤波器有IIR和FIR两种滤波方式。由于FIR滤波器通带内输出相位延时是线性的, 而IIR是非线性的,并且具有良好的线性相位和高稳定性,在数字信号处理领域中应用广泛,因此采用FIR滤波结构设计[1]。其输入输出函数如下:

其中x(n)为滤波器当前输入,x(n-i)为滤波器前i个时刻的输入,a(i)为滤波器的权系数。其实现模型如图1所示。

从图1中可以看出,滤波器输出y(n)是滤波器当前输入到前N个输入序列x(n)…x(n-N+1)和权系数a(0) … a(N-1) 之间的卷积。因此FPGA实现FIR滤波的过程便是实现动态移位及卷积的过程。为了能快速设计出可靠的FIR滤波器,通常在MATLAB中设计满足要求的滤波器模型,生成FIR滤波器所需要的权系数。假设滤波器的阶数为N,则N个滤波系数之和满足下式:

1.2滤波器参数设计

利用MATLAB中滤波器设计工具来设计满足要求的FIR滤波器, 在命令界面输入FDATOOL打开滤波器设计环境[2]。

由于外界输入陀螺角速率频率在0~20 Hz, 而需要滤掉的陀螺信号中的机械抖动信号和随机噪声分别达到300 Hz左右和1 kHz以上。因此设计FIR低通滤波器,规定截止频率为100 Hz,采样频率为10 kHz。得到滤波系数。

将滤波系数的值a存入到FPGA内部的ROM中,而FPGA内部ROM初始化数据只支持整型二进制、十进制和十六进制三种数据类型,因此需要把浮点数a表示为其机器码。由于FPGA中采用的是单精度浮点算法,而MATLAB中生成的滤波系数是双精度浮点格式, 因此还需要将双精度浮点转换为单精度浮点格式。在MATLAB中输入如下命令得到a的十六进制单精度机器码b:

> > b = single ( a );

> > format hex

> > b

将b的值保存到后缀为.COE的文件中, 用此文件来初始化FPGA内部RAM, 并配置成只读模式(ROM), 得到FIR滤波器的系数ROM。

2滤波器的FPGA实现

滤波系数定点化就是对滤波系数乘以一个较大的系数然后取整,用整数来近似替代浮点小数。滤波器的卷积过程也变成了定点运算,滤波结束后对滤波结果除以所乘系数值便可得到近似的滤波结果[3]。这种方法使得滤波器设计简单、易于实现。但由于激光陀螺数据处理是一个对精度要求很高的领域,要达到这种高精度指标,需要把系数整形化倍数提高到226以上,这种误差的引入对滤波精度有很大影响。若采用浮点运算,滤波系数也就采用浮点表示,不会因为整形化带来误差,输入输出范围较大,输出也是标准的计算机数据格式。但由于FPGA内部浮点运算需自己建立运算模块,实现起来复杂,一般只用在高精度宽量程领域。

2.1浮点数据格式

目前计算机中常用的浮点格式是IEEE的单精度32位浮点表示方式以及64位的双精度浮点表示方式。在FPGA和DSP中, 最常用的是32位的浮点表示方式。 IEEE 754单精度浮点数可表示为如图2所示格式, 其中符号位s一位,阶码e占8位,为无符号数,但是e带有127的偏移量, 因此小数点的移动位数为e -127 , 尾数f占23位,为定点部分数值,但隐藏了1,位数表示值为1. f 。

按照IEEE浮点数计算标准[4],浮点数X=(-1)S×2e-127× 1. f 。本模块中采用IEEE 32位单精度浮点格式, 因此对于IEEE中扩展40位单精度和64位双精度格式就不再进行讨论。

2.2浮点加法模块设计

浮点数的加减运算过程较为复杂,需要对加法的两操作数进行对阶、尾数运算、结果规格化及舍入处理等。为了减少在加、减法器设计时的工作量,采用XILINX自带的浮点加减运算IP核,通过较简单的配置,便可以得到可用的浮点数加、减模块。在FPGA程序设计时,可以通过交换操作数的方法来避开浮点的减法运算,因此只需生成浮点数加法模块, 生成的模块例化图如图3所示。在ISE中对该模块进行仿真,同样采用50 MHz的主时钟,仿真波形图如图4所示。

同样该模块的转换周期为5个主时钟周期,其输入输出表如表1所示。

从表1中可以看出,加法器能很好地完成浮点数的加法。

2.3浮点乘法模块设计

假设浮点数其中WX、 WY分别表示X、Y的尾数部分,WX、 WY分别代表X、Y的指数部分, SX、 SY分别代表X、Y中的符号位,则。 FPGA内部首先取输入X、Y的0~22位数值各 “ 与 ” 一位1, 得到两个X、Y的位数部分,分别将这两个数当作定点二进制数送到专用乘法器进行乘法运算。乘法运算结果C是宽度为48位的二进制数, 从高位开始寻找第一个值为1的位,用来确定位数相乘结果要规格化为1.f的形式是否需要移位,以及移位的位数大小。将C(i-1)到C(i-23)的23位数赋值给Z(22..0),即乘法结果的尾数部分 ;将X、Y的阶码相加后再减去127,再加上i-46得到乘法结果Z的阶码部分,整个浮点乘法运算完成[5]。

在ISE中利用VHDL编写浮点乘法器, 生成的原理图文件如图5所示。

对该浮点乘法模块进行仿真, 以验证乘法器的功能。由于XILINX仿真器中不能直接计算二进制数对应的浮点数大小,为了减少验证时手动的计算量,采用与表1一样的输入数据,仿真波形如图6所示。

从仿真结果中可得,三组输入数据对应的输出分别为:C6F50A00、C1360000、BD360000, 对应的十进制数分别为:-31 365、-11.375、-0.032 714 843 75, 对照表1可知计算结果正确,设计的浮点乘法器能够精确进行浮点数的乘法运算,乘法周期大概为8个时钟周期,模块在50 MHz时钟下工作正常。

2.4滤波器系统设计

基于以上设计的浮点加法器和浮点乘法器, 在FPGA中实现FIR滤波器。系统顶层原理图如图7所示。

系统控制逻辑控制firctrl模块从wrom模块中读取浮点滤波系数、陀螺输出计数值写入firram模块、计数值读出firram以及浮点乘法模块multfloat的运算, 使得几个模块能在一定时序下稳定工作,firram模块和firctrl模块的配合实现了计数值的存储及移位功能;浮点乘法器模块还包括两个18位×18位的乘法器的组合, 通过乘法分解,实现了高位宽32位×32位乘法运算;累加器模块addfloat负责将浮点乘法器输出值进行累加并取位。整个系统完成了FIR滤波结构计数值和滤波系数的卷积过程。

3实验测试

3.1陀螺静态实验

在静态(只有地球自转)的情况下,利用本滤波器对机械抖动激光陀螺的输出解调性能进行测试,在上位机中以1 s为单位进行数据分析和波形绘制, 上位机测试界面截图如图8所示。

从图8中可以看出,静态时对激光陀螺信号解调结果值波动较小,10 S平均值为5.202 8。 10 S方差为0.011 0 ,100 S方差为0.003 1 。 300 S方差为0.001 , 本滤波器能很好地完成激光陀螺输出信号的解调,并且具有很高的精度和稳定性。

3.2陀螺动态实验

为了验证专用滤波器的动态性能,需要在外界不同输入角速率的情况下对进行测试。将激光陀螺放置在标准转台上,让转台处于不同转速下。测试过程中,转台会在每转动360°时对其外输出一个定角脉冲,脉冲宽度为2 μs左右, 让滤波结果在定角脉冲没有到来时一直累加,当定角脉冲到来时向外发送一次数据,同时将累加器清零。在去除地球自转影响后,测试结果如表2所示。

由表2测试数据中可以看出,在不同角速率的情况下,转台转动360°激光陀螺的输出值相等,由此可见本专用滤波器同时具有很高的精度和具有很大的动态处理范围,能很好地完成对陀螺输出数据的精确解调。

激光陀螺全数字抖动控制方法研究第2篇

针对传统机抖激光陀螺模拟偏频系统体积大、难于控制的缺点,设计了一种基于FPGA的全数字抖动控制方案,提出了数字抖动控制原理,分析了数字方波驱动信号的.性能,实现了伪随机噪声的生成和注入.仿真和实际应用说明该方案满足激光陀螺对抖动系统的要求.

作者：许开銮张英敏蒋军彪 XU Kailuan ZHANG Yingmin JIANG Junbiao 作者单位：许开銮,XU Kailuan(西北工业大学自动化学院,西安,710072;西安北方捷瑞光电科技有限公司,西安,710111)

张英敏,ZHANG Yingmin(西北工业大学自动化学院,西安,710072)

蒋军彪,JIANG Junbiao(西安北方捷瑞光电科技有限公司,西安,710111;中国兵器工业第203研究所,西安,710065)

激光陀螺第3篇

摘要:简要分析了温度实时采集与补偿在激光陀螺控制中的原理和作用;介绍了激光陀螺专用控制芯片的功能和特性、1-WIRE总线数字温度传感器DS18B20的结构和原理;通过对多片温度传感器连接在激光陀螺专用控制芯片上进行实际测试,成功验证了陀螺控制芯片的温度采集模块与温度传感器构成的温度测量系统的测温功能。

关键词:温度补偿陀螺控制芯片 DS18B20 测温系统

中图分类号:G307文献标识码:A文章编号:1673-8209(2009)5-0261-02

二频机抖激光陀螺作为惯性导航的理想器件,还具有启动时间短、可靠性高、寿命长等特点。但在高低温变化的工程化应用过程中,陀螺内在的温度特性对陀螺各方面带来的影响制约了陀螺性能的进一步提高,因此,实现温度漂移的实时补偿就很有必要。

而要进行实时的温度补偿,就必须实时地进行陀螺内部的温度测量。二频机抖激光陀螺专用控制芯片便包含了温度采集模块,笔者在实验室利用DS18B20数字温度传感器与陀螺专用控制芯片连接,成功实现了芯片的温度采集功能。

1 温度对激光陀螺的影响和温度补偿的作用

温度对激光陀螺的影响主要表现在以下几个方面:从热源来说,陀螺工作时,自身要发热,需要几个小时才能达到平衡,而且在环境温度等条件发生变化时,温度场将变得更为复杂,也更难平衡,所以陀螺自身温度变化与环境温度变化都将影响陀螺的性能;从物理特性来说,气体的折射率、材料的导热系数、光学器件的光学性质也会发生变化; 从几何特征来说,器件的热胀冷缩、弯曲变形都可造成光路发生变化,谐振系统损耗增加;最后温度场的变化引起气流流场的变化,使两臂的放电电流出现不平衡,加剧了朗谬尔流效应带来的零偏影响。这些变化都将影响激光陀螺的输出。温度几乎影响到物性参数、几何变形、气体流场等所有因数[1],如对于温度影响气体的折射率,由L=n×L可知,折射率的波动将影响总的光程长,最终将影响标度因数,从而影响到零偏。温度对激光陀螺零偏的影响主要表现在以下三个方面:温度变化、温度梯度与温变速率[2]。

实时温度补偿减小了温度变化对零偏的影响,提高了激光陀螺的精度和性能,通过加入温度补偿前(图1)后(图2)零偏曲线可说明[3]:

加入补偿后,温度在一定范围内变化时,陀螺零偏大幅减小, 陀螺精度提高了数倍。

2 陀螺控制芯片

激光陀螺主要工作部分是环形激光器和控制电路。机抖激光陀螺专用控制芯片将激光陀螺的抖动控制、稳频控制、稳流控制、光强采集、温度采集、信号放大、倍频、鉴相、滤波等模块集成到一个芯片上,将激光陀螺的某些重要性能(例如信号处理)采用硬件电路实现,大大减小了信号延时,提高了激光陀螺的可靠性和实用性。芯片集成温度采集模块的主要功能是:通过该模块用户可以设置外部温度传感器DS18B20的数量(1-10),同时可以对某个与设定ID号相同的DS18B20执行采集该传感器的温度。当完成一个采集过程后(即获得传感器的温度值),模块将发出一个中断信号。

芯片工作过程如下:芯片装入系统中,接外部时钟信号、复位信号以及其他信号;上电后,时钟管理模块产生片内需要的时钟和复位信号;复位后,CPU通过ROM 中的Boot loader启动程序引导,通过SPI口将外部Flash中的用户程序读入片内8KB SRAM中实现程序加载。加载完成后,程序指针无条件跳转到片内8KB SRAM起始地址处;系统芯片的CPU通过用户程序和温度传感器DS18B20接口能够查找到外部连接的指定型号DS18B20(注:每片DS18B20有自己特定的ID号),并读取该传感器温度值;芯片对数据信息的处理可以通过串口输出到计算机上显示出来。

温度模块工作过程:用户程序首先将外部器件的ID写入相应的地址,并设置好器件数目,最后将DS_START寄存器置“FF”来启动模块。当完成一个采集过程后(也就是已经获得所有传感器的温度值),模块将发出一个中断信号。执行中断程序读取温度值时,为了防止用户中断响应时间太长,用户读数据前,可以判断DS_BUSY是否为0,如为1则表示本次中断响应无效。

3 数字温度传感器DS18B20[4]

在试验中用到的单片化温度传感器的型号是MAXIM公司的DS18B20,有如下特点:单线接口,只有一根信号线与CPU连接;不需要备份电源,可通过信号线供电,电源电压范围从3.3～5V;传送串行数据,不需要外部元件;温度测量范围从-55℃～+125℃,-10～+85℃时测量精为±0.5℃;用户可自设定非易失性的报警上下限值;报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超限;通过编程可实现9～12位的数字值读数方式(出厂时被设置为12位);在93.75ms 和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量;零功耗等待;现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20封装和内部结构如图3:

4 编程流程

初始化:

第一步,设置器件ID,低8位无须设置;

第二步,设置器件数目;

第三步,启动工作,将DS_START置“FF”。

中断程序:

第一步,读DS_BUSY是否为0,如为1则表示本次中断响应无效(非必要步骤);

第二步,如果本次中断有效,可以获取温度数据。

5 测温试验

将测温的用户程序写入外接FLASH,让芯片加载运行,通过串口将温度值返回计算机并显示,结果如图4:

实验结果证明成功地实现了对DS18B20测温的数据采集,并通过串口将数据送出显示,即用DS18B20与芯片连接,成功实现、验证了芯片温度采集模块的功能。

6 结语

本文简要分析了实时温度补偿对激光陀螺精度提高的作用和实时温度采集的必要性;介绍了激光陀螺专用控制芯片以及数字温度传感器DS18B20的功能和特性;并在实验室将多片DS18B20连接在激光陀螺专用控制芯片上,成功地进行了温度测量,通过实验验证了激光陀螺专用控制芯片的温度采集模块功能。

参考文献

[1] 张鹏飞,龙兴武,汤建勋,王宇,李革,许光明. 机抖激光陀螺的零偏的实时温度补偿方法研究[J].传感技术学报,2007,6.

[2] 赵小宁,李县洛,雷宝权.激光陀螺零偏温度补偿研究[J].中国惯性技术学报.2004,6.

[3] 张鹏飞,龙兴武.二频机抖激光陀螺温度漂移补偿的初步研究[J].激光杂志,2005.

激光陀螺第4篇

激光陀螺是惯性导航系统主要器件之一, 其工作原理主要是基于Sagnac效应。在实际的应用中, 激光陀螺依靠环形激光器内的两束反方向运行的行波间的频率差来测量载体的角速度。环形激光器的谐振腔通常由三面或四面高质量的反射镜构成, 根据行波谐振腔理论, 腔内沿相反方向传播的两束行波的谐振频率必须满足

其中q是整数, 称为行波纵模阶次。Lcw和Lccw分别是顺、逆时针光波对应的环形行波谐振腔的光程长度。由 (1) 式可以求得环形行波振荡器正、反向行波间的频率差为

其中的称为标度因子, Ω是转动角速度。

腔体中顺、逆时针的光波在光电探测器上混频, 由于目前所使用的光电探测器都是理想的平方律检波器, 所以光电探测器输出的信号包含直流分量和顺、逆时针光波的差频[1]。信号处理的任务就是提取其中的差频分量。

顺、逆时针的两束光在光电探测器相干而产生干涉条纹, 当有某一转动输入时, 干涉条纹会向一个方向移动。现有激光陀螺的信号处理电路采用差动的方式, 通过对移动的干涉条纹进行计数从而得到差频分量, 进而解算出输入的角速度。文章提出一种新的激光陀螺信号处理方法——快速傅立叶变换 (FFT) 。

1. 信号处理的基本思想

鉴于输入角速度只与差频分量的频率有关, 所以可以对光电探测器的输出信号进行快速傅立叶变换得到其功率谱, 频谱峰值所对应的频率即为差动频率△v, 同样由 (2) 式可求得输入的角速度。另外, 随着科技的不断进步, 电子芯片的运算速度不断提升, 专用的信号处理芯片 (DSP) 不仅运算速度快, 而且包含常用的算法 (如FFT) , 所以可以基于DSP芯片, 采用F F T的方法, 完成对激光陀螺信号的处理。但如果直接将FFT结果的峰值谱对应的频率作为差动频率值, 则存在精度低的问题。因为频率分辨率为, 其中为采样频率, N为采样点数 (分析数据长度) 。对于一个频率为20kHZ的理想正弦信号, 用200kHZ的频率采样64点, 由FFT得到的频率结果误差高达到±8%左右[2], 显然不满足激光陀螺的精度要求。而且直观上提高频率分辨率的两种方法都不可行:1) 降低采样频率, 由于激光陀螺测量动态变化范围大, 要覆盖整个动态变化范围, 不能减小;2) 增加进行FFT的数据长度N, 但干涉条纹在光电探测器上停留的时间短, 可能采集到的数据长度受到限制, 不具有普遍意义, 而且增加了计算量, 消耗的系统资源增多。因此, 必须考虑从算法上对FFT的结果进行频谱校正以提高频率分辨率。

2. 离散频谱校正的方法及其基本原理

目前国内外有四种典型的校正方法:第一种方法是离散频谱的能量重心校正法, 第二种方法是对幅值谱进行校正的比值法, 第三种方法是相位差法, 第四种方法是FFT+DFT谱连续细化分析傅立叶变换法[3]。这些方法各有其特点, 也都在不同的工程实践中得到应用。其中前三种适合于激光陀螺信号的频谱校正。

3.1 量重心校正法

3.1.1基本原理:

通过对窗函数能量特性的分析, 发现窗谱主瓣函数的能量重心无穷逼近坐标原点。根据这一特点, 利用窗函数频谱的主瓣图形及主瓣的谱线用重心法求出离散窗谱函数的能量重心坐标, 该坐标就是频谱峰顶对应的主瓣中心, 即校正出的准确频率。以hanning窗为例, 其窗函数为[4]:

这表明hanning窗离散频谱的能量重心无穷逼近坐标原点。如图1所示, 信号加hanning窗后的频谱主瓣函数为:

这种方法不依赖于窗函数, 解决了三点卷积幅值修正法不能校正频率和相位的缺点, 其校正精度与窗函数有关 (加Hanning窗时具有较高的校正精度, 矩形窗时校正精度较低) 。另外它能够对多段平均功率谱直接进行校正, 算法简单, 校正精度与参与校正的点数有关, 点数越多, 对单频率成分的校正精度越高, 但要求相邻两个谱峰的频率间隔越大。

2.1.2 Labview程序实现[5]:

根据能量重心校正法的校正原理, 编制能量重心校正VI, 其框图程序如图2所示。

2.2 比值法

2.2.1 基本原理:

这种方法利用归一化后差值为1的主瓣峰顶附近二条谱线的窗谱函数比值, 建立一个以校正频率为变量的方程, 解出校正频率, 得以对频率进行修正。设hanning窗的频谱函数为f (x) , f (x) 对称于y轴, 如图3所示, 对于任意一个x, 其窗谱函数为f (x) , 其离散频谱为yk, 对于任一个 (x+1) , 其窗谱函数为f (x+1) , 其离散频谱为yk+1, 显然有

结合 (9) 式可得, 所得校正量为:

这种校正方法的精度高, 加Hanning窗的比值校正法精度非常高, 频率误差小于0.0001个频率分辨率, 幅值误差小于万分之一, 相位误差小于1度, 但是它不适用过于密集的频率分析和非离散谱的分析场合[6]。

2.2.2 Labview程序实现:

根据比值法的校正原理, 编制了比值法V I, 其框图程序如图4所示。

2.3 相位差法

2.3.1 基本原理:

先对原始单频率成分信号采连续两段样本, 然后对这两段信号分别进行作傅里叶变换, 利用其对应离散谱线的相位差校正出谱峰处的准确频率。两段信号的初始相位角θ0, θ1的关系为:

由于对两段信号加相同的窗函数后再进行离散傅立叶变换, 则变换后窗函数主瓣内不但具有相同的线性关系, 而且斜率相同[6], 均为-π, 则有:

这种方法的通用性好, 对加不同窗函数时可以用相同的公式进行频率和相位校正, 并且校正精度高, 尤其对频率和相位进行精确校正, 频率误差小于0.0002个频率分辨率, 相位误差小于0.l度, 幅值误差小于0.02%。另外它的计算方法简单, 运算速度快, 适用于频率间隔大于5个频率分辨率的离散频率成分的校正, 但是当频率成分靠得根近时, 存在旁瓣干涉, 甚至会发生主瓣干涉, 因而会影响校正精度, 甚至无法校正。

2.3.2 Labview程序实现:

根据相位差法的校正原理, 编制了相位差法V I, 其框图程序如图5所示。

3. 信号频谱校正的仿真研究

用上述三种方法对不同频率的理想正弦信号进行仿真计算, FFT的点数均为64点, 加hanning窗, 其结果如表1。

由仿真结果可得如下结论:三种方法皆属于对短时快速傅立叶变换结果的校正, 效果比较明显, 使频率的变化范围可以小到一个频率分辨率范围之内, 与常用的时频分析法和AR模型分析法相比计算量较小, 实时计算容易实现, 系统成本较低;另外, 能量重心法校正精度相对较低, 比值法和相位差法校正的精度较高, 尤其是比值法频谱校正精度可达2‰, 可选用比值法进行实测研究。

4. 结论

文章提出一种新的激光陀螺信号处理方法——快速傅立叶变换, 并详述了能量重心法、比值法、相位差法三种离散频谱校正的方法及其基本原理, 对激光陀螺信号进行仿真研究, 频谱校正的效果明显。

摘要：提出一种频域内激光陀螺信号处理新方法, 对光电探测器的输出信号进行快速傅立叶变换得到其功率谱, 并利用频谱校正技术对陀螺频谱进行修正, 得到差动频率, 进而得到角速度。理论分析和仿真结果都表明这种方法准确、可行。

关键词：激光陀螺,快速傅立叶变换,频谱校正

参考文献

[1]王宇.机抖激光陀螺捷联惯导系统的初步探索[D].国防科技大学.2005, 3-5

[2]刘昌文, 韩静娜, 刘杰, 等.激光多普勒测速中的频谱校正及其应用[J].中国激光.2003, 30 (7)

[3]朱小勇, 丁康.离散频谱校正方法的综合比较[J].信号处理.2001, 17 (1)

[4]江利旗.离散频谱分析技术及动态信号分析系统[C].重庆大学.2000, 25-27

[5]戴鹏飞, 王胜开, 王格芳, 等.测试工程与Labview应用[M].北京:电子工业出版社.2006

激光陀螺第5篇

机抖激光陀螺捷联惯性测量组合的标定方法研究

为了提高激光陀螺捷联惯性导航系统的.导航准确度,对机抖激光陀螺的抖动偏频产生的惯性仪表输出误差的特点进行了分析,并在标定过程中有效地进行了补偿,提高了陀螺和加速度计的标定准确度.

作者：张娟妮杨孟兴张波 ZHANG Juan-ni YANG Meng-xing ZHANG Bo 作者单位：中国航天时代电子公司第十六研究所,西安,710100刊名：宇航计测技术 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTIC METROLOGY AND MEASUREMENT年，卷(期)：28(6)分类号：V241.5关键词：标准激光陀螺仪捷联式惯性导航误差补偿

激光陀螺第6篇

陀螺通过气体放电为激光模式提供增益，增益曲线幅度稳定性影响着陀螺光强稳定性、比例因子稳定性、锁区稳定性和零漂稳定性等性能参数[1,2]。陀螺运行中，很多因素可使增益幅度发生变化[1,2]，故四频陀螺中激光增益幅度的实时稳定控制很重要，即稳增益控制技术。稳增益控制技术中，方案的选取是关键。常用的方案通过稳放电电流来稳增益[6]，这是不够准确的。本文建立四频陀螺增益的物理模型，深入进行理论探讨，并提出通过稳光强来稳增益的方案，结合实验测试结果，对四频陀螺稳增益技术进行系统的研究。

1 物理模型

激光陀螺是工作波长为632.8 nm的He-Ne激光器，对应的能级跃迁为3S2→2P4。设陀螺腔内总气压为p,He和Ne的气压分别为pHe、pNe,ne为电子数密度，在适宜的充气气压和分压比范围内，He基态原子密度n0、Ne基态原子密度n1和气压成一定比例关系，经过合理的近似简化，可得到上下能级集居数的差[7]

式(1)中k1,k2,k3,k4为与电子密度无关的常数。k1与电子碰撞使He原子从基态激发到21S0能级的过程有关，k2与使He原子21S0能级原子数密度减少的扩散过程和共振转移过程有关，k3与He原子21S0能级的各种电子去激发过程有关，k4与Ne原子2P4能级的电子碰撞激发和自发发射过程有关[7]，则

激光增益

式(2)中n折射率，B32受激发射系数，h普朗克常数，v频率。

有关气体放电的研究证明[7,8]，在放电正柱区，电子密度沿管径向按零阶贝塞尔函数分布,r径向坐标，R管半径。在整个管截面内，平均电子密度。放电电流近似为，式中e为电子电荷，Ke为电子迁移率，Ez为纵向放电场强。结合Ez的经验公式和电子迁移率Ke的朗之万公式计算结果，并记c1=10-7k1K,c2=5×10-7k3,c3=k4K，结合式(1)、式(2)，最终可得激光增益的数学表达式[8]:

对于激光陀螺，其工作电流较小，增益G随II的增加而增加。于是，容易误认为稳定放电电流II等于稳增益G。电流确是影响增益的重要因素，但却不是唯一因素。稳电流能使增益稳定到相当程度，但离完全稳定尚有距离。

2 稳增益方案选取

常用的方案是采用放电电流v0x来衡量增益的变化[6]，即稳电流等于稳增益，这是不够准确的。正常工作时，放电电流v0x是影响增益的主要参量，但如公式(3)所示，其他参量如总气压和气压比等变化时，也会导致增益发生变化。另外陀螺腔体与周围环境的换热过程，He-Ne激光等离子体密度变化，气体放电状态的不稳定因素，阴阳极材料放电时对气体成分的影响等等，都会使在放电电流v*0x一定的情况下，增益却发生变化。

可采用左右旋模的平均光强ILR=(IL+IR)/2来衡量激光增益G。强耦合理论[9]中ILR∝k0-1，则ILR变化百分比δILR/ILR随增损比k0变化数值仿真如图1所示。

可看到，增损比k0从1.05增加到1.06，若损耗不变，相当于增益变化了约1%，平均光强ILR却增加了20%。通过ILR的变化来衡量增益G，相当于将增益的波动放大了20倍，这对于进行高精度的增益稳定控制是很有利的。

若采用传统的稳流电源对某型四频陀螺进行测试，如图2所示，光强ILR并没有稳住，尤其在开机阶段变化达4%。从曲线上看，陀螺零漂和光强变化趋势有一定的相似性，这也从侧面反映了陀螺零漂和光强的相关性。

3 稳增益电路实现

稳光强ILR近似等于稳增益G，可根据实时光强ILR数值进行反馈控制，通过调节放电电流来实现稳增益，这就是稳增益控制的原理。对于常用的稳流方案，陀螺的放电电流II是稳定的，即电压基准Vref是设定好的定值[10]。若采用现在的稳光强方案，则可以通过调节电压基准Vref的大小，进而改变陀螺的放电电流II来实现，如图3所示。

4 实验测试结果分析

为研究稳光强和稳电流对四频陀螺零漂的影响，做多次对比实验。开机实验为每天两次，分别采用稳光强和稳流模式，开机1 h，每次关机冷却8 h，零漂性能百秒经典方差σ、最大最小之差Δf三十次实验数据对比曲线如图4、图5所示。较长时间实验为陀螺工作在至少10 h以上的数据，每次关机后冷却24 h，零漂性能百秒经典方差σ、最大最小之差Δf对比十次实验数据对比曲线如图6、图7所法。

开机一小时零漂实验中，稳流模式百秒经典方差σ的三十次平均值约为0.010 68 Hz，稳光强模式σ的三十次平均值约为0.009 61 Hz，减小了0.001 07 Hz，对于我们所用的陀螺结构，相当于0.001 6°/h，也即是说，相比常用的稳流模式，稳光强模式可使所用四频陀螺开机零漂有一定程度的减小。较长时间零漂实验中，稳流模式百秒经典方差σ的十次平均值约为0.007 65 Hz，稳光强模式σ的十次平均值约为0.005 71 Hz，减小了0.001 94 Hz，相当于0.002 9°/h，这说明相比稳流模式，稳光强模式可使所用四频陀螺零漂长期稳定性有一定程度的提高。

上述实验结果从物理机制上不难理解，由前文分析可知，稳流模式对增益进行一定的稳定控制，稳光强模式则更接近于稳增益。增益的不稳定会引起零漂、比例因子、锁区参数等性能的改变，则会使零漂性能σ受影响，而通过稳光强进行稳增益控制则能在一定程度上改善零漂性能。

5 结论

本文研究了四频陀螺稳增益控制技术。实验结果表明，和传统稳流方案相比，稳光强方案可使开机零漂改善0.001 6°/h，长时间零漂改善0.002 9°/h。此结果对四频陀螺性能改善有一定参考价值。

参考文献

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