梁 浩，李錦成，王冬梅，尹 焱，王思涵

（北京航天時代激光導(dǎo)航技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100094）

0 引言

激光慣組[1-2]在國防領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，隨著國防工業(yè)的飛速發(fā)展，對小型化、低功耗激光慣組的需求越來越迫切。

國外對慣組小型化相關(guān)技術(shù)研究較早，以Honeywell公司為代表，已經(jīng)形成一系列的體積小、質(zhì)量小、功耗低的數(shù)字化激光慣組。目前，國內(nèi)小型化激光慣組的需求極具增長，特別是新一代運載、武器等型號對慣性儀表的體積、質(zhì)量、功耗、成本的要求越來越高，并提出多表冗余設(shè)計的需求。作為激光慣組的重要組成部分，激光陀螺相關(guān)電路的體積和功耗直接決定了激光慣組的體積和功耗。傳統(tǒng)慣組電路設(shè)計基本采用分立器件，各功能電路單獨成板的設(shè)計，慣組需要設(shè)計電子箱來承載幾塊電路板，同時電氣系統(tǒng)非常復(fù)雜。為了改變之前 “笨重”的激光慣性產(chǎn)品現(xiàn)狀，滿足新一代國防型號的需求，國內(nèi)激光慣性領(lǐng)域各科研院所均開展了陀螺電路的數(shù)字化和一體化的研究設(shè)計工作。針對激光陀螺電路的設(shè)計優(yōu)化，尤其是通過數(shù)字化，將陀螺相關(guān)控制電路進(jìn)行合理的結(jié)合，對減少慣組元器件、節(jié)省成本、降低尺寸和功耗以及多表冗余設(shè)計具有非常實際的意義。

在激光陀螺電路中，和陀螺直接相關(guān)的控制電路主要包括腔長控制電路和抖動控制電路[3-5]。本文設(shè)計了一種以微控制器為核心，通過軟件實現(xiàn)激光陀螺腔長控制和抖動控制的核心功能，同時將陀螺腔長控制電路、抖動控制電路進(jìn)行一體化的設(shè)計，減少了硬件，降低了系統(tǒng)功耗和電路尺寸。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，陀螺控制電路主要包括：光強信號調(diào)理電路、帶通濾波器、移相器、穩(wěn)頻驅(qū)動電路、差分放大電路、幅值提取電路、比較器、抖動驅(qū)動電路以及微控制器。

光強信號調(diào)理電路、帶通濾波器、移相器、穩(wěn)頻驅(qū)動電路用于對激光陀螺進(jìn)行腔長穩(wěn)定控制；差分放大電路、幅值提取電路、比較器、抖動驅(qū)動電路用于對激光陀螺進(jìn)行抖動控制。

微控制器是整個控制電路的核心，通過軟件實現(xiàn)激光陀螺腔長穩(wěn)定控制和抖動控制的核心功能，同時對陀螺工作特征（如光強、腔長控制電壓、抖頻等）進(jìn)行監(jiān)測。

2 電路設(shè)計

2.1 腔長控制電路

激光陀螺的理論基礎(chǔ)為Sagnac效應(yīng)，根據(jù)理論，激光陀螺的標(biāo)定因數(shù)為K＝4A/λL。其中，A為光路圍起來的面積；L為激光光路長度，即陀螺腔長。由此可知，陀螺的腔長對標(biāo)定因數(shù)有直接的影響，標(biāo)定因數(shù)的穩(wěn)定性取決于陀螺腔長的穩(wěn)定性。

腔長控制采用相敏調(diào)制解調(diào)[6-8]方法，圖2中縱坐標(biāo)為陀螺光強，橫坐標(biāo)為腔長控制電壓。期望工作點為n2，但是實際工作點可能在n1或n3，在腔長控制電壓上疊加一個正弦激勵信號，光強信號中會反饋出與激勵信號同頻的交流信號，即信號A1和信號B1。當(dāng)在工作點n1和n2加入同頻同相的激勵信號時，反饋信號A1、B1分別與激勵信號一個是同相而另一個是反相的。在不考慮相位延遲的情況下，在激勵信號的波峰和波谷，對信號A1進(jìn)行采樣并做差值運算，得到的值的符號是正，對信號B1進(jìn)行采樣并做差值運算，得到的值的符號是負(fù)，從而可以明確當(dāng)前工作點在n1還是n3，得到腔長控制電壓補償量的方向。同時，由于光強信號斜率的變化，隨著離期望工作點n2的臨近，反饋信號峰谷差值越來越小。在C點時，反饋信號為C1，波峰和波谷時的差值為0，這樣就知道當(dāng)前工作點離n2的差值，以便進(jìn)行腔長控制電壓量的補償。

腔長控制電路實現(xiàn)的功能是穩(wěn)定陀螺腔長，從而穩(wěn)定標(biāo)定因數(shù)，腔長控制電路的硬件部分由光強信號調(diào)理電路、帶通濾波器、移相器、穩(wěn)頻驅(qū)動電路組成。

光強信號調(diào)理電路為互阻放大電路和一個前置帶通濾波電路，將陀螺直流光電管的輸出轉(zhuǎn)換成可測量的電壓量，其輸出稱為光強。光強信號為直流電壓并包含著腔長控制激勵的反饋信號，此信號通過前置帶通濾波電路后進(jìn)行濾波，成為交流分量信號，送入單片機(jī)的A/D，腔長控制部分軟件利用反饋信號實現(xiàn)腔長控制電壓的解調(diào)功能。

帶通濾波器中，單片機(jī)的I/O口生成一個定頻方波信號，此信號通過帶通濾波器后，形成正弦波信號，與驅(qū)動電壓一起送至陀螺抓卡。

穩(wěn)頻驅(qū)動電路將單片機(jī)D/A送出的腔長控制電壓放大至上百伏，用于陀螺執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，實現(xiàn)陀螺腔長調(diào)節(jié)。

移相器為經(jīng)典移相電路，由于電路的傳遞特性以及抓卡的相位延遲，導(dǎo)致單片機(jī)的采樣環(huán)節(jié)無法做到同相位，需要移相器對激勵量進(jìn)行相位補償，使單片機(jī)的I/O口輸出和對交流反饋信號的采樣同相。

微控制器的功能是通過D/A發(fā)送腔長控制電壓，通過I/O口發(fā)生激勵方波信號，通過A/D對光強及解調(diào)信號進(jìn)行采樣。

2.2 抖動控制電路

激光陀螺由于閉鎖效應(yīng)，會導(dǎo)致陀螺在小角速度工作時輸出異常。機(jī)械抖動偏頻技術(shù)使陀螺在抖輪的交變諧振抖動作用下使陀螺工作在較大的角速度中，從而大大減少閉鎖效應(yīng)帶來的輸出誤差[9-10]。

傳統(tǒng)抖動方法使用基于模擬電路的正弦波抖動驅(qū)動電路，在數(shù)字抖動控制中，抖動控制電路采用三態(tài)方波作為抖輪的驅(qū)動，控制抖輪上的壓電陶瓷片進(jìn)行往復(fù)的抖動運動，頻率為抖輪的諧振頻率。

抖動控制電路硬件包括差分放大電路、幅值提取電路、比較器、抖動驅(qū)動電路幾部分。

差分放大電路采用儀表放大器對陀螺檢抖信號進(jìn)行放大，經(jīng)過放大的信號送入有效值提取電路和比較器電路。有效值提取電路送出檢抖信號的有效值，比較器電路送出檢抖信號整形后的方波信號。

幅值信號送入微控制器的A/D進(jìn)行采樣，微控制器在上電后進(jìn)行陀螺頻率的掃描。由于抖輪等效于一個Q值很高的濾波器，在諧振頻率點，反饋遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他頻率的反饋。微控制器根據(jù)檢抖裝置通過差分放大器和有效值提取電路的幅值信息，可通過尋找反饋幅值的最大值得到陀螺的抖頻信息，完成陀螺的起抖。

比較器輸出的方波信號送入微控制器的I/O口作為中斷觸發(fā)源，在抖輪起抖以后，陀螺會以諧振頻率進(jìn)行自激振蕩。微控制器根據(jù)反饋的方波信號，通過邊沿觸發(fā)計算出抖輪的驅(qū)動信號，并通過I/O口送出。驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動放大電路放大至正負(fù)三態(tài)方波驅(qū)動陀螺抖動，使陀螺產(chǎn)生閉環(huán)的抖動，實現(xiàn)抖動頻率的跟蹤。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

如圖3所示，程序啟動后首先對陀螺進(jìn)行檢測，確認(rèn)陀螺點亮后，使能抖動中斷，后續(xù)抖動部分都在抖動中斷中執(zhí)行，抖動工作后，調(diào)用腔長控制部分，進(jìn)行陀螺腔長控制。

3.2 腔長控制軟件設(shè)計

陀螺腔長控制包括陀螺模式掃描[8]、定時器抖動激勵信號中的解調(diào)、跳模判斷和腔長控制電壓量的更新輸出等幾方面。如圖4所示，進(jìn)入腔長控制程序后，程序判斷是否進(jìn)行過陀螺模式掃描。如沒有，則進(jìn)行一次陀螺模式掃描流程，找到上電后腔長控制電壓合適的工作點，使陀螺初始化時工作在縱模上。掃描結(jié)束后，關(guān)閉模式掃描標(biāo)志，后續(xù)程序?qū)⒉辉龠M(jìn)行掃描，同時打開定時器2，后續(xù)腔長控制功能的調(diào)制解調(diào)功能都在定時器2的中斷中執(zhí)行。定時器2設(shè)置為自動重裝載模式作為抖動激勵信號的發(fā)生定時器，控制I/O口的電平狀態(tài)。定時器頻率設(shè)為激勵信號的頻率4倍頻，將方波分為0、1、2、3這4段。其中，0到1、1到2段時I/O口為高電平，2到3、3到0段時I/O口為低電平。在第1點和第3點進(jìn)入中斷時，進(jìn)行高電平和低電平時交流分量的采樣工作。累計進(jìn)行128個周期的采樣后，對采樣值進(jìn)行數(shù)字PID的解調(diào)計算，更新解調(diào)后的腔長控制電壓量，然后對腔長控制電壓進(jìn)行跳模判斷，決定是否需要進(jìn)行跳模更新，最后將腔長控制電壓進(jìn)行輸出，具體中斷程序如圖5所示。

3.3 抖動控制軟件設(shè)計

陀螺上電后，程序發(fā)出一系列的激勵驅(qū)動，使陀螺抖輪產(chǎn)生自激。反饋電路捕捉到自激信號后，將信號進(jìn)行放大及整形成方波。單片機(jī)對檢抖反饋的方波進(jìn)行捕捉，反饋波形觸發(fā)邊沿中斷，進(jìn)入中斷程序，程序判斷是上升沿中斷還是下降沿中斷。通過判斷結(jié)果，選擇是進(jìn)行正向驅(qū)動還是負(fù)向驅(qū)動。

4 性能測試分析

為驗證數(shù)字控制電路的性能，選擇了6個小型陀螺子樣。在室溫條件下，冷態(tài)上電，進(jìn)行7200s靜態(tài)通電測試。

由圖7可以看到，6只陀螺冷態(tài)上電后，隨著溫度的穩(wěn)定，百秒方差逐漸穩(wěn)定。6只陀螺中，剛上電后的最大百秒方差為0.03，穩(wěn)定后的百秒方差最大為0.02，最小為0.01，與使用大尺寸分立電路進(jìn)行的單陀螺測試結(jié)果相當(dāng)。但是電路通過一體化設(shè)計后，整個尺寸減少60%，原器件數(shù)量減少50%以上。同時對電路功耗進(jìn)行了測試，整個控制電路的功耗在2W左右，功耗較分立電路降低了60%。綜合考量，整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原分立電路。

目前，此產(chǎn)品已應(yīng)用于型號產(chǎn)品上，在各項整機(jī)環(huán)境試驗的測試中性能表現(xiàn)優(yōu)異，為慣性測量組合的小型化、低功耗設(shè)計做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

激光陀螺數(shù)字式控制電路以微控制器為核心，將原先分立的腔長控制電路、抖動控制電路和前放電路集成在一塊電路板上，同時以軟件算法代替采用硬件電路方式實現(xiàn)腔長控制和抖動控制，大大減少了硬件資源，在體積和功耗上有著明顯的優(yōu)勢，并且可方便地進(jìn)行冗余設(shè)計，電路經(jīng)過測試，性能良好。目前，此電路已經(jīng)應(yīng)用于多個型號產(chǎn)品中，功能、性能滿足系統(tǒng)使用要求，在應(yīng)用中具有實際意義。