張金剛，唐 苗，陳軍軍，汪世林

（1.海軍駐某院軍事代表室，北京100074；2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074）

空間三軸激光陀螺穩(wěn)頻方法研究

張金剛1，唐 苗1，陳軍軍2，汪世林2

（1.海軍駐某院軍事代表室，北京100074；2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074）

空間三軸激光陀螺的每一個(gè)腔長(zhǎng)控制器控制兩個(gè)通道的腔長(zhǎng)，即其不同通道的光路穩(wěn)頻具有耦合關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)空間三軸陀螺的工程化應(yīng)用，必須解決空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻問題。針對(duì)空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻回路進(jìn)行詳細(xì)的分析，提出了一種穩(wěn)頻方案，該方案將空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻解算為三個(gè)通道單軸激光陀螺的穩(wěn)頻問題，其核心思路是對(duì)光路穩(wěn)頻關(guān)系進(jìn)行等效變換。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該穩(wěn)頻方案可行有效。

空間三軸激光陀螺；穩(wěn)頻；等效變換

0 引言

小體積化和低成本化是激光陀螺的發(fā)展方向，空間三軸激光陀螺具備這些特點(diǎn)，是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外激光陀螺研究的一個(gè)熱點(diǎn)。高精度的激光陀螺需要主動(dòng)穩(wěn)頻，空間三軸激光陀螺集成了三個(gè)通道的單軸激光陀螺，這三只陀螺兩兩共用一個(gè)腔長(zhǎng)控制反射鏡，導(dǎo)致兩兩通道的穩(wěn)頻具有耦合關(guān)系。本文針對(duì)空間三軸激光陀螺的特殊光路結(jié)構(gòu)展開空間三軸陀螺的穩(wěn)頻技術(shù)研究工作并驗(yàn)證了其正確性，解決了限制空間三軸激光陀螺工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

1 空間三軸諧振腔結(jié)構(gòu)

空間三軸激光陀螺集成了三只單軸激光陀螺，具有三個(gè)四邊形結(jié)構(gòu)的光路通道，三個(gè)通道光路分布了三個(gè)球面鏡和三個(gè)平面鏡，如圖1所示。

圖1 空間三軸激光陀螺諧振腔布局圖Fig.1 Sturcture of orthogonal triaxial laser gyro

定義CHx為x通道，由球面鏡1、球面鏡2、平面鏡1、平面鏡3構(gòu)成；定義CHy為y通道，由球面鏡2、球面鏡3、平面鏡1、平面鏡2構(gòu)成；定義CHz為z通道，由球面鏡3、球面鏡1、平面鏡3、平面鏡2構(gòu)成。

在球面鏡1、球面鏡2、球面鏡3上分別安裝了壓電元件PZT1、PZT2、PZT3，在平面鏡1、平面鏡2、平面鏡3上分別安裝了三個(gè)功率探測(cè)器x、y、z?？臻g三軸陀螺的穩(wěn)頻過程即為通過驅(qū)動(dòng)PZT1、PZT2、PZT3，同時(shí)檢測(cè)功率探測(cè)器x、y、z完成腔長(zhǎng)的閉環(huán)控制過程［1－2］。從圖1中可以看出CHx、CHy、CHz兩兩共用一個(gè)球面鏡，必然會(huì)帶來穩(wěn)頻耦合，需要對(duì)其進(jìn)行解耦才能完成穩(wěn)頻。從單軸激光陀螺穩(wěn)頻出發(fā)進(jìn)行分析。

2 單軸激光陀螺穩(wěn)頻方案

圖2所示為單軸激光陀螺光路示意圖。其中上方位置的A和B為平面鏡，B平面鏡安裝有光電探測(cè)器以測(cè)量激光陀螺的功率信號(hào)，在下方位置處的兩個(gè)球面鏡處安裝有壓電驅(qū)動(dòng)元件PZTX和PZTY。采用雙PZT驅(qū)動(dòng)提高了穩(wěn)頻靈敏度。

圖2 單軸激光陀螺光路Fig.2 Optical path of single laser gyro

單軸激光陀螺的穩(wěn)頻回路如圖3所示。

圖3 單軸激光陀螺穩(wěn)頻回路Fig.3 Frequency stabilization loop of single laser gyro

PZTX和PZTY為靈敏度相同的壓電元件，對(duì)單軸激光陀螺穩(wěn)頻方案分兩種情況進(jìn)行分析。

（1）PZTX和PZTY電壓相同

光路的光程由PZTX、PZTY共同進(jìn)行控制，假設(shè)單PZT靈敏度為A。若圖3中，PZTX和PZTY電壓相同，設(shè)為V，雙PZT的穩(wěn)頻方案等效為驅(qū)動(dòng)電壓為V，PZT靈敏度為2A的單PZT驅(qū)動(dòng)穩(wěn)頻方案，如圖4所示。

圖4 單軸激光陀螺等效穩(wěn)頻回路（PZTX與PZTY相同）Fig.4 Transformed frequency stabilizationloop of single laser gyro（PZTXis the same as PZTY）

等效后的穩(wěn)頻控制系統(tǒng)為控制電壓為V的閉環(huán)腔長(zhǎng)控制系統(tǒng)，其特殊性在于等效后系統(tǒng)的PZT靈敏度為PZTX或PZTY的2倍。

（2）PZTX和PZTY電壓不同

空間三軸激光陀螺的各通道兩個(gè)PZT電壓值并不相同，因此可以基于上述分析對(duì)PZT電壓不相等的情況進(jìn)行等效。設(shè)PZTX的驅(qū)動(dòng)電壓為X，PZTY驅(qū)動(dòng)電壓為Y，靈敏度均為A。光路的總驅(qū)動(dòng)電壓為X＋Y，進(jìn)行如下變換，對(duì)兩路控制電壓進(jìn)行分解。

再結(jié)合前述等效分析，PZTX和PZTY同時(shí)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)頻方案，可以等效為有效驅(qū)動(dòng)電壓為、靈敏度為2A的單PZT驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)頻方案，如圖5所示。

圖5 單軸激光陀螺等效穩(wěn)頻回路（PZTX與PZTY不同）Fig.5 Transformed frequency stabilization loop of single laser gyro（PZTXis different from PZTY）

3 空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻方案

對(duì)圖1所示的空間三軸激光陀螺，其穩(wěn)頻回路如圖6所示。由三通道獨(dú)立的PZT驅(qū)動(dòng)電路、三路功率采集電路和中央處理器等組成。PZT1的驅(qū)動(dòng)電壓為V1，PZT2驅(qū)動(dòng)電壓為V2，PZT3驅(qū)動(dòng)電壓為V3，靈敏度均為A。不同通道的穩(wěn)頻控制的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖6 空間三軸激光陀螺穩(wěn)頻回路Fig.6 Frequency stabilization loop of orthogonal triaxial laser gyro

表1 空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻控制對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship of frequency stabilization control for orthogonal triaxial laser gyro

表1所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系明確了穩(wěn)頻控制的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)行等效變換后，可以利用單軸激光陀螺的穩(wěn)頻方法進(jìn)行穩(wěn)頻。

若單獨(dú)分析CHx通道，其穩(wěn)頻方案等效為有效驅(qū)動(dòng)電壓為Vx、靈敏度為2A的單PZT穩(wěn)頻方案，由式 （1）知

同理，假設(shè)Vy為CHy通道進(jìn)行等效變換后的有效穩(wěn)頻驅(qū)動(dòng)電壓，Vz為CHz通道進(jìn)行等效變換后有效穩(wěn)頻驅(qū)動(dòng)電壓，有

對(duì)式 （2）和 （3）進(jìn)行計(jì)算，有

經(jīng)過上述變換后，圖6所示穩(wěn)頻框圖等效為如圖7所示的三個(gè)獨(dú)立通道穩(wěn)頻等效框圖。借用單軸激光陀螺穩(wěn)頻的方法［3－4］很容易就實(shí)現(xiàn)了空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻。

圖7 空間三軸激光陀螺的等效穩(wěn)頻回路Fig.7 Transformed frequency stabilization loop of orthogonal triaxial laser gyro

4 空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻試驗(yàn)驗(yàn)證

選用空間三軸激光陀螺樣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)頻試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試8800s的功率采集曲線如圖8所示，計(jì)算陀螺三個(gè)通道測(cè)試精度分別為0.014（°）／h、0.029（°）／h和0.023（°）／h。測(cè)試結(jié)果與單個(gè)通道采用單軸激光陀螺穩(wěn)頻方案試驗(yàn)性能一致，驗(yàn)證了該穩(wěn)頻方法的有效性與正確性。

5 結(jié)論

空間三軸激光陀螺因?yàn)榉瓷溏R的共用節(jié)省了資源，隨之而來的是穩(wěn)頻相互耦合的難點(diǎn)問題，作為一種新研制的激光陀螺，首要解決的就是完成該陀螺的穩(wěn)頻控制問題。

本文提供的穩(wěn)頻方案是在單軸激光陀螺穩(wěn)頻的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)而深入的分析，對(duì)空間三軸激光陀螺的穩(wěn)頻回路進(jìn)行了等效變換，分解為三個(gè)單軸激光陀螺的穩(wěn)頻回路，這樣就可以借用單軸激光陀螺的穩(wěn)頻方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻，雖然變換的計(jì)算公式簡(jiǎn)單，但從該公式循序漸進(jìn)的推演中，可以看出其巧妙之處。

圖8 穩(wěn)頻試驗(yàn)驗(yàn)證（8800s）Fig.8 Frequency stabilization validation（sampling time is 8800s）

作者認(rèn)為，本文給出的方法還有一些細(xì)節(jié)可以深入研究，比如實(shí)際的空間三軸激光陀螺的三個(gè)壓電元件的靈敏度并不嚴(yán)格相同，如何進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)分析以提升穩(wěn)頻精度也是后續(xù)需要開展的工作。

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Research on Frequency Stabilization Method for Orthogonal Triaxial Laser Gyro

ZHANG Jin－gang1，TANG Miao1，CHEN Jun－jun2，WANG Shi－lin2
（1.The Navy Representative Office Stationed of CASIC，Beijing 100074，China；2.Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China）

Frequency stabilization for orthogonal triaxial laser gyro is quite difficult，because each cavity path controller controls two cavity paths.It’s quite necessary to find out the solution，frequency stabilization accuracy may limit the orthogonal triaxial laser gyro’s practical use.The frequency stabilization loop is analyzed in this paper，and a frequency stabilization method for orthogonal triaxial laser gyro is introduced，the frequency stabilization problem for orthogonal triaxial laser gyro turns into the problem for three single laser gyros frequency stabilization，the frequency stabilization transformation is the key procedure.Experiment result shows the method in this paper is useful.

Orthogonal triaxial laser gyro；Frequency stabilization；Transformation

V241.5

A

2095－8110（2015）04－0063－04

2015－03－18；

2015－06－15。

張金剛 （1969－），男，高級(jí)工程師，主要從事導(dǎo)彈武器系統(tǒng)及慣性導(dǎo)航方面的研究。