朱光宇 周本川 徐劍蕓

摘要：????? 帶寬是空空導(dǎo)彈IMU的重要指標之一。 本文針對空空導(dǎo)彈光纖陀螺動態(tài)特征中的帶寬特性進行了研究。 分析了閉環(huán)數(shù)字光纖陀螺的帶寬特性， 以及導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路對帶寬的需求， 指出導(dǎo)航回路和制導(dǎo)回路要求帶寬較高， 而穩(wěn)定回路要求帶寬不宜過高。 提出了一種工程化的光纖陀螺帶寬測試方法， 并完成某型空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬測試。

關(guān)鍵詞：???? 光纖陀螺;? IMU;? 帶寬;? 角振動; 空空導(dǎo)彈

中圖分類號：??? ??TJ765文獻標識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0062-05[SQ0]

0引言

空空導(dǎo)彈作為機載戰(zhàn)術(shù)武器， 隨著載機隱身化和武器內(nèi)埋化的發(fā)展， 小型化變得更加迫切[1-2]。 為了滿足小型化需求， 空空導(dǎo)彈高度集成化設(shè)計， 一套慣性測量裝置（Inertial Measurement Unit， IMU）需同時滿足導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路三個回路的綜合需求。 陀螺是IMU的核心器件， 光纖陀螺由于動態(tài)范圍廣、 測量精度高、 環(huán)境適應(yīng)性好等特點， 成為空空導(dǎo)彈IMU的理想選擇。

帶寬是空空導(dǎo)彈IMU的重要指標， 現(xiàn)代導(dǎo)彈要求陀螺的帶寬大于50 Hz[3]， 光纖陀螺具有較高的理論帶寬， 可達幾百甚至幾千赫茲[4-5]。 在實際應(yīng)用中， 空空導(dǎo)彈的導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路的力學(xué)特性各不相同， 對帶寬指標的需求也有所區(qū)別， 同時光纖陀螺的帶寬指標與其零偏穩(wěn)定性、 分辨率、 延遲時間等指標也相互制約[6]。 因此， 本文針對空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬特性開展研究。

1光纖陀螺帶寬特性

光纖陀螺啟動后， 光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器， 在相位調(diào)制器內(nèi)部被其分束器分為兩束光， 分別在光纖環(huán)內(nèi)沿順時針和逆時針傳播， 之后兩束光在相位調(diào)制器內(nèi)部會合， 并發(fā)生干涉， 干涉光經(jīng)過耦合器到達探測器， 探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號， 通過電路部分對信號進行采樣、 放大、 濾波、 解調(diào)及數(shù)據(jù)輸出[6-7]， 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺原理如圖1所示。

根據(jù)光纖陀螺的動態(tài)模型， 進行理論推導(dǎo)變換得到光纖陀螺的傳遞函數(shù)：

F（s）=G·MTs+G·H=MH·1Tcs+1（1）

式中： Τc=τG·H為陀螺的時間常數(shù);? G·H為總的增益， 通過傳遞函數(shù)表達式可以看出陀螺系統(tǒng)為典型的一階慣性系統(tǒng)。

根據(jù)傳遞函數(shù)可以得到-3 dB帶寬為

B=12πTc=G·H2πτ（2）

與機械轉(zhuǎn)子陀螺不同， 光纖陀螺沒有機械運動部件， 理論上能夠獲得非常高的帶寬， 可達兆赫茲級別[5]。 高帶寬要求探測/解調(diào)系統(tǒng)的采樣和數(shù)字運算速率要快， 且需要特殊的數(shù)字電路來處理頻繁的采樣數(shù)據(jù)。 對A/D轉(zhuǎn)換器來說， 采樣速率和分辨率是一對矛盾， 因而在實際中可以根據(jù)具體需求選擇帶寬， 由于光纖陀螺噪聲較大， 輸出的數(shù)據(jù)一般還要經(jīng)數(shù)字濾波以減少噪聲， 從而在一定程度上將限制帶寬， 光纖陀螺產(chǎn)品帶寬一般在千赫茲以下[8]。

2空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬需求分析

2.1導(dǎo)航回路對光纖陀螺帶寬需求分析

IMU直接固聯(lián)在空空導(dǎo)彈上， 導(dǎo)航回路通過敏感IMU的測量信息， 利用導(dǎo)航算法， 獲得空空導(dǎo)彈自身的姿態(tài)、 速度等運動參數(shù)， 其功能框圖如圖3所示。

導(dǎo)航回路要求光纖陀螺真實敏感彈體角運動， 當光纖陀螺帶寬過低時， 對高頻信息能量造成衰減， 有可能導(dǎo)致彈體角運動信號表征不夠全面， 造成姿態(tài)誤差變大， 導(dǎo)航誤差也隨之增大。 空空導(dǎo)彈基本結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率約50 Hz， 為真實反映彈體角運動， 導(dǎo)航回路對光纖陀螺組合帶寬的要求一般在100 Hz以上。

2.2制導(dǎo)回路對光纖陀螺帶寬需求分析

新型空空導(dǎo)彈普遍采用全捷聯(lián)制導(dǎo)體制， 制導(dǎo)回路利用IMU信息對導(dǎo)引頭進行捷聯(lián)去耦， 隔離彈體姿態(tài)運動對導(dǎo)引頭測量信息的影響。

全捷聯(lián)制導(dǎo)回路從IMU獲得實時的導(dǎo)彈姿態(tài)角速度信息， 通過快速解算得到彈體角運動造成的天線指向偏差的實時修正值， 然后將計算結(jié)果及時傳給波束控制系統(tǒng)， 由波束控制系統(tǒng)實現(xiàn)對雷達天線波束指向角的修正[9-10]。 導(dǎo)引頭計算機負責(zé)整個解耦過程中的數(shù)學(xué)解算， 并將輸出的解耦信號與雷達測量信號進行融合形成制導(dǎo)信號， 最終輸送給彈體控制系統(tǒng)。 全捷聯(lián)制導(dǎo)回路原理圖如圖4所示。

為了實時反映彈體運動， 減小寄生耦合， 制導(dǎo)回路對光纖陀螺帶寬要求與導(dǎo)航回路相似， 理論上是越高越好。

2.3穩(wěn)定回路對光纖陀螺帶寬需求分析

穩(wěn)定回路利用IMU作為自動駕駛儀的傳感器， 設(shè)計穩(wěn)定算法由彈載計算機實時調(diào)節(jié)導(dǎo)彈控制參數(shù)， 使導(dǎo)彈在飛行空域中具有良好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性， 其框圖如圖5所示。

穩(wěn)定回路一般要求光纖陀螺、 舵機等高頻部件在自動駕駛儀工作頻率范圍內(nèi)造成的相移不超過30°～45°。 光纖陀螺帶寬不宜過高， 高帶寬陀螺對高頻振動信號衰減較小， 舵機引入高頻噪聲， 造成舵機高頻抖動， 甚至?xí)斐煞€(wěn)定回路在高階模態(tài)頻率處失穩(wěn)。

3光纖陀螺帶寬測試方法

3.1帶寬測試方案

光纖陀螺帶寬測試方法有正弦調(diào)制法[11]、 等效輸入法[4，12]、 相關(guān)辨識法[13-14]、 角振動法[15]、? 基于 Faraday 效應(yīng)法[5]等多種測試方法。 本文采用角振動方法， 通過角振動臺使光纖陀螺在不同頻率下進行角振動， 同步記錄光纖陀螺輸出信號和角振動臺運動信號（光纖陀螺輸入信號）， 根據(jù)光纖陀螺的輸入輸出信號計算其頻率特性。

角振動臺運動信號可通過加速度計進行測量， 加速度計用于測量角振動臺的線加速度， 經(jīng)數(shù)學(xué)變換可變?yōu)榻撬俣龋?從而實現(xiàn)實時測量角振動臺角速度的功能， 試驗用加速度計帶寬要求小于等于500 Hz。 試驗時將光纖陀螺固定在角振動臺臺面上， 同時將加速度計以及測試模塊固定在角振動臺面， 其中加速度計的敏感方向應(yīng)與在角振動臺安裝位置的切向平行， 安裝示意圖如圖6所示。

3.2帶寬測試處理方法

光纖陀螺在頻率ωi下輸出可表示為

4光纖陀螺帶寬測試結(jié)果

將某型空空導(dǎo)彈光纖陀螺通過試驗工裝固定在角振動臺面的中央， 使其輸入軸和角振動臺振動軸方向一致， 也將加速度計裝夾在角振動臺臺面， 加速度計的測量方向和角振動臺切線方向相平行。 角振動臺從低頻開始， 逐個頻率點進行角振動試驗， 同時記錄光纖陀螺和加速度計的輸出數(shù)據(jù)， 并按照光纖陀螺帶寬測試處理方法對測試數(shù)據(jù)進行處理， 光纖陀螺幅頻特性的詳細結(jié)果如表1所示， 曲線如圖7所示， 根據(jù)測試結(jié)果可知， 此型光纖陀螺帶寬為152.9 Hz。

5結(jié)論

本文針對空空導(dǎo)彈特定應(yīng)用背景， 分析了光纖陀螺帶寬特性， 分別從導(dǎo)航回路、 制導(dǎo)回路和穩(wěn)定回路綜合分析， 指出導(dǎo)航回路和制導(dǎo)回路為了實時反映彈體運動， 要求光纖陀螺帶寬較高， 而穩(wěn)定回路要求光纖陀螺帶寬不宜過高， 高帶寬可能造成穩(wěn)定回路高頻抖動甚至失穩(wěn)。 綜合各回路應(yīng)用需求， 光纖陀螺帶寬一般選擇在80～200 Hz范圍。 提出光纖陀螺工程化帶寬測試方法， 并對某型空空導(dǎo)彈光纖陀螺帶寬進行測試， 測試結(jié)果帶寬為152.9 Hz， 滿足空空導(dǎo)彈對光纖陀螺帶寬要求。

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