基于光纤陀螺仪导航控制系统的旋转测量与信号处理

Ashok.S.Chandak教授¹，阿尼尔·佩蒂尔博士²

印度浦那的Cusrow Wadia理工学院勘探与开发部门负责人
印度贾尔冈市Shri Gulabrao Deokar工程学院院长

有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

三轴闭环光纤陀螺仪信号处理单元预计将从传感器中提取旋转速率信息(Sagnac相位)并计算增量角度，数字化加速度计输出和增量速度的计算以及传感器输出在工作温度范围内的补偿。

关键字

旋转测量，光纤陀螺仪，Sagnac效应，导航控制

介绍

在飞机和航天器的制导、导航和控制系统的应用中，陀螺仪在飞行中即使遇到非预期干扰[1]-[4]也需要保持方向。特别是卫星在空间中的角运动测量对于卫星姿态的控制和稳定至关重要。采用陀螺仪的系统包括控制和处理电子器件，以提供最直接的角速度传感方法。传统上，用旋转转子的角动量来确定角速率或位移[5]-[7]。

传统方法的缺点:

1.易受冲击和振动损坏。

2.表现出交叉轴加速度灵敏度。

3.对于低成本版本有可靠性问题。

因此，基于Sagnac效应干涉仪的无运动部件陀螺具有广阔的发展前景。

文献调查

萨格纳克效应:如果两个光脉冲以相反的方向绕着半径为R的静止环发射，它们将以相同的速度传播相同的惯性距离，因此它们将同时到达终点。下面的图1说明了这一点

图2显示了如果循环本身在此过程中旋转会发生什么。符号Ã Â表示脉冲绕环移动一圈所需时间内环的角位移。对于任何正的Ã Â¬，与环的旋转方向相同的脉冲必须比相反方向的脉冲行进的距离略大。因此，反向旋转脉冲比同向旋转脉冲稍早到达“结束”点。

定量地说，如果我们让w表示环的角速度，那么终点的周向切线速度为v= wR，“终点”处波阵面和接收器的速度之和为同向旋转方向上的c-v和反旋转方向上的c+v。两个脉冲都以距离终点2πR的初始距离开始，因此传播时间的差值为

其中A = πR²为环路所包围的面积。如果光探测器出现在端点，并且允许光束落在它上面，因此光束将在稍微不同的时间到达探测器，并且稍微偏离相位，产生可以观察和测量的光干涉“条纹”。1911年Harress和1913年Sagnac分别首次证明了这一效应，所以现在通常称为Sagnac效应。

光从激光通过偏振器被限制为单一的偏振状态，方向耦合器和线圈由特殊的保偏光纤制成，以确保单模路径。光传播的两个方向都经过相同的路径，除了旋转之外，几乎所有的环境效应对每一束光都有相同的影响并被抵消。

激光必须表现出较低的光学相干性，对于速率陀螺来说，在阈值以下操作的光盘型激光器已被证明是令人满意的

以往的研究工作

本研究旨在提出一种新的测量系统，以避免磁测技术的不足，更充分地满足现代作业的要求。新系统采用了独立于磁场监测的测量技术，并采用了不同的测量方法。该系统利用光纤陀螺仪(FOGs)技术进行旋转测量。将采用惯性导航技术，将FOGs角速度测量与三个相互正交的加速度计提供的线性加速度测量进行集成。

本研究项目的目标如下:

1.光纤陀螺技术在旋转测量中的适用性定量研究

2.对从光纤陀螺和加速度计获得的原始测量数据进行自适应滤波，以减少传感器输出噪声。

操作

光纤陀螺的工作原理是基于Sagnac效应。1913年，Sagnac证明了在旋转环干涉仪中沿两个相反方向传播的两束光束会产生光程差(方程1)，从而产生相对于彼此的相位差(方程2)。光程和相位差都与旋转速率成正比

ΔL = (Ld/Co) Ω (1)

φs = 2π/λ。ΔL = (2 π L d/ λ Co) Ω (2)

在哪里

L为光纤线圈的长度，

D是光纤线圈的直径，

Ω为应用旋转速率，

Co是光在自由空间中的速度，

λ是光束的峰值波长和

φs为sagnac相移，ΔL为光程差。

对锁相放大器输出进行采样和量化，得到误差信号，通过数字反馈保持误差信号接近于零。采样频率对应于辐射传输时间τ的逆，用于斜坡和偏置信号所需的同步。控制器从误差信号开始驱动相位调制器，使其产生幅值等于Sagnac相移和持续时间的相位步长。数模转换器{通过其溢流自动创建斜坡复位。重置步骤对应于2π弧度的相位变化，以获得始终正确的Sagnac相移。在这种方案中，旋转速率是直接从误差信号中以数字形式获得的。与模拟解决方案相比，这种配置的另一个优点是信号恢复期间的相位稳定性。

一般的描述

产品的角度来看

导航信号测量和信号处理单元的主要功能是:从传感器输出中提取转速信息(Sagnac相位)和计算增量角度。传感器输出在工作温度范围内的补偿。采用了基于Sagnac效应的转速传感器。在该传感器中，在相位调制频率处测量的光探测器输出被用作误差信号。信号处理单元接受这个错误信号作为输入。该装置有一个反馈回路，它引入了一个控制量的非互易相位差来抵消Sagnac相移。因此，净相位差保持在零。

最终用户视角

该单元将接受光电探测器输出，并引入控制量的非互易相位差来抵消Sagnac相移。增量角度、速度和状态信息的计算值将通过Analog Devices SPORT同步串行端口协议接口每2.0 ms输出一次。异步RS-485接口将用于校准，固件升级和诊断。系统将在RS- 485电平上进行主复位。

目标

信号处理单元的目标是:

Ã¯Â‑Â·从传感器输出中提取转速信息(Sagnac相位)并计算增量角度。

Ã¯Â Â·加速度计输出的数字化和增量速度的计算。

Ã¯Â Â·传感器输出在工作温度范围内的补偿。

目标的可行性

上述目标可以通过实现适当设计的信号调理块，数据转换器和信号处理单元(DSP, FPGA)来实现。

一般要求

旋转速率估计器的CLFOG输出也将以5000 Hz速率读取，并在2.0 ms的间隔内集成10个样本以产生增量角度。此过程将每2.0 ms间隔重复一次。

特定的要求

功能需求

转速估计器的实现应满足以下要求:

1)转速输出应在3秒内稳定。

2)偏差(最大):0.1度/小时。

3)在运行中规模因子稳定性优于100ppm。

4)刻度因子重复性优于百万分之百，一次运行一次运行，日复一日。

5)短期偏置稳定性优于0.01℃/小时。

6)长期偏置稳定性优于0.1度/小时。

7)动态范围+/- 200度/秒。

8)线性度优于100ppm。

功率要求

在规定的温度范围内，PCB的总功耗应小于5W。最终的电源要求将在PDR时提供。

软件需求

提供一个适合的监控程序，可进行固件升级、测试和调试。

固件的需求

基于FPGA的固件用于估计旋转速率，并为CLFOG输入提供适当的偏置信号。

接口需求

1) Analog Devices 21xxx家族SPORT同步串口协议在RS-485串行总线数据级上需要输出增量角度、速度和TCLFSPU状态数据的值。

2) PCB连接器:PDR时确定。

3)在兼容TI16C550的异步RS-485接口上提供二级通信接口，用于校准、固件升级、诊断等。此外，还将提供RS-485电平上的主复位。

通信需求

增量角度、速度和SPU状态数据每2.0 ms输出一次，比特率为2.0 MHz，以32位字的形式输出。

性能需求

系统性能评估依据如下:

1)沉淀时间:

将SPU卡的输出数据采集到PC上。SPU卡的输出将在3秒内恢复到其标称值。

2)比例因子:

传感器对应的输出应显示正确的旋转极性，它们之间的绝对值应在0.1度/小时以内。

3)偏置漂移稳定性:

短期偏置漂移稳定性:

输出数据应平均超过1分钟，对应传感器输出的峰与峰波动不应超过0.01度/小时。

长期偏差漂移稳定性:

数据将在8小时内捕获，并使用Allan方差技术计算与被测传感器对应的输出的偏置漂移和随机游走数字。

4)动态范围和线性度:

线性度应优于100ppm。

5)比例因子稳定性:

动态范围和线性测试应在-40°C至+70°C的温度范围内重复进行。

6)阈值/分辨率:

阈值应小于0.01度/小时。

分辨率应大于0.01度/小时。

7)带宽:

SPU卡输出应该有150hz的带宽，每2毫秒更新一次输出。

8)重复性:

动态范围和线性度测试应连续重复三天。与CLFOG轴相对应的输出应在0.1度/小时以内。

模拟结果

为了验证光纤陀螺仪的设计，考虑了以下参数进行仿真。仿真的目的是为了说明光纤陀螺系统在不同实时场景下的性能。针对不同的仿真场景，设计了线性二次型控制器。给出了陀螺仪系统的状态空间模型

其中系统参数矩阵A、输入矩阵B和输出矩阵C定义为:

状态向量x定义为

表1给出了模拟所考虑的标称参数。

图3显示了系统跟踪滤波方波基准的性能。从图3可以看出，在稳态状态下输出较好地跟踪了参考信号。其他州一个¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½和¯害怕一个一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½稳定可以是图3所示。控制输入信号随着输出和参考之间的误差变化而变化。

接下来，在测量噪声存在的情况下进行性能测试。预期输出应该跟踪参考信号，所有其他信号都应该是有界的。在1 × 10的输出信号中注入白噪声。状态图和控制输入图如图4所示。与输出信号相比，在第一个信号和第三个信号中可以看到更多的测量噪声效应。测量噪声注入到输出端，传递到输入端，最后传输到系统信号，形成系统信号闭环。人们已经注意到，较大的噪声可能会导致工厂的不稳定状态。

结论

由于陀螺仪传感器是用来确定角速度-(角变化每秒)。当陀螺位置发生倾斜，角速度在特定方向上增加，当发生旋转时，输出脉冲的峰值将发生移位。此特性已用于旋转测量。然而，使用较小的相位调制深度会导致输出脉冲的展宽。利用LQR控制器进行仿真，验证了光纤陀螺仪的性能。模拟是用标称参数和测量噪声进行的。仿真结果表明，该系统响应良好。

参考文献

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