空间三轴激光陀螺稳频方法研究

张金刚，唐 苗，陈军军，汪世林

（1.海军驻某院军事代表室，北京100074；2.北京自动化控制设备研究所，北京100074）

空间三轴激光陀螺稳频方法研究

张金刚1，唐 苗1，陈军军2，汪世林2

（1.海军驻某院军事代表室，北京100074；2.北京自动化控制设备研究所，北京100074）

空间三轴激光陀螺的每一个腔长控制器控制两个通道的腔长，即其不同通道的光路稳频具有耦合关系，要实现空间三轴陀螺的工程化应用，必须解决空间三轴激光陀螺的稳频问题。针对空间三轴激光陀螺的稳频回路进行详细的分析，提出了一种稳频方案，该方案将空间三轴激光陀螺的稳频解算为三个通道单轴激光陀螺的稳频问题，其核心思路是对光路稳频关系进行等效变换。经过试验验证，该稳频方案可行有效。

空间三轴激光陀螺；稳频；等效变换

0 引言

小体积化和低成本化是激光陀螺的发展方向，空间三轴激光陀螺具备这些特点，是现阶段国内外激光陀螺研究的一个热点。高精度的激光陀螺需要主动稳频，空间三轴激光陀螺集成了三个通道的单轴激光陀螺，这三只陀螺两两共用一个腔长控制反射镜，导致两两通道的稳频具有耦合关系。本文针对空间三轴激光陀螺的特殊光路结构展开空间三轴陀螺的稳频技术研究工作并验证了其正确性，解决了限制空间三轴激光陀螺工程化应用的关键问题。

1 空间三轴谐振腔结构

空间三轴激光陀螺集成了三只单轴激光陀螺，具有三个四边形结构的光路通道，三个通道光路分布了三个球面镜和三个平面镜，如图1所示。

图1 空间三轴激光陀螺谐振腔布局图Fig.1 Sturcture of orthogonal triaxial laser gyro

定义CHx为x通道，由球面镜1、球面镜2、平面镜1、平面镜3构成；定义CHy为y通道，由球面镜2、球面镜3、平面镜1、平面镜2构成；定义CHz为z通道，由球面镜3、球面镜1、平面镜3、平面镜2构成。

在球面镜1、球面镜2、球面镜3上分别安装了压电元件PZT1、PZT2、PZT3，在平面镜1、平面镜2、平面镜3上分别安装了三个功率探测器x、y、z。空间三轴陀螺的稳频过程即为通过驱动PZT1、PZT2、PZT3，同时检测功率探测器x、y、z完成腔长的闭环控制过程［1－2］。从图1中可以看出CHx、CHy、CHz两两共用一个球面镜，必然会带来稳频耦合，需要对其进行解耦才能完成稳频。从单轴激光陀螺稳频出发进行分析。

2 单轴激光陀螺稳频方案

图2所示为单轴激光陀螺光路示意图。其中上方位置的A和B为平面镜，B平面镜安装有光电探测器以测量激光陀螺的功率信号，在下方位置处的两个球面镜处安装有压电驱动元件PZTX和PZTY。采用双PZT驱动提高了稳频灵敏度。

图2 单轴激光陀螺光路Fig.2 Optical path of single laser gyro

单轴激光陀螺的稳频回路如图3所示。

图3 单轴激光陀螺稳频回路Fig.3 Frequency stabilization loop of single laser gyro

PZTX和PZTY为灵敏度相同的压电元件，对单轴激光陀螺稳频方案分两种情况进行分析。

（1）PZTX和PZTY电压相同

光路的光程由PZTX、PZTY共同进行控制，假设单PZT灵敏度为A。若图3中，PZTX和PZTY电压相同，设为V，双PZT的稳频方案等效为驱动电压为V，PZT灵敏度为2A的单PZT驱动稳频方案，如图4所示。

图4 单轴激光陀螺等效稳频回路（PZTX与PZTY相同）Fig.4 Transformed frequency stabilizationloop of single laser gyro（PZTXis the same as PZTY）

等效后的稳频控制系统为控制电压为V的闭环腔长控制系统，其特殊性在于等效后系统的PZT灵敏度为PZTX或PZTY的2倍。

（2）PZTX和PZTY电压不同

空间三轴激光陀螺的各通道两个PZT电压值并不相同，因此可以基于上述分析对PZT电压不相等的情况进行等效。设PZTX的驱动电压为X，PZTY驱动电压为Y，灵敏度均为A。光路的总驱动电压为X＋Y，进行如下变换，对两路控制电压进行分解。

再结合前述等效分析，PZTX和PZTY同时驱动的稳频方案，可以等效为有效驱动电压为、灵敏度为2A的单PZT驱动的稳频方案，如图5所示。

图5 单轴激光陀螺等效稳频回路（PZTX与PZTY不同）Fig.5 Transformed frequency stabilization loop of single laser gyro（PZTXis different from PZTY）

3 空间三轴激光陀螺的稳频方案

对图1所示的空间三轴激光陀螺，其稳频回路如图6所示。由三通道独立的PZT驱动电路、三路功率采集电路和中央处理器等组成。PZT1的驱动电压为V1，PZT2驱动电压为V2，PZT3驱动电压为V3，灵敏度均为A。不同通道的稳频控制的对应关系如表1所示。

图6 空间三轴激光陀螺稳频回路Fig.6 Frequency stabilization loop of orthogonal triaxial laser gyro

表1 空间三轴激光陀螺的稳频控制对应关系Tab.1 Corresponding relationship of frequency stabilization control for orthogonal triaxial laser gyro

表1所示的对应关系明确了稳频控制的对应关系。进行等效变换后，可以利用单轴激光陀螺的稳频方法进行稳频。

若单独分析CHx通道，其稳频方案等效为有效驱动电压为Vx、灵敏度为2A的单PZT稳频方案，由式 （1）知

同理，假设Vy为CHy通道进行等效变换后的有效稳频驱动电压，Vz为CHz通道进行等效变换后有效稳频驱动电压，有

对式 （2）和 （3）进行计算，有

经过上述变换后，图6所示稳频框图等效为如图7所示的三个独立通道稳频等效框图。借用单轴激光陀螺稳频的方法［3－4］很容易就实现了空间三轴激光陀螺的稳频。

图7 空间三轴激光陀螺的等效稳频回路Fig.7 Transformed frequency stabilization loop of orthogonal triaxial laser gyro

4 空间三轴激光陀螺的稳频试验验证

选用空间三轴激光陀螺样机进行稳频试验验证，测试8800s的功率采集曲线如图8所示，计算陀螺三个通道测试精度分别为0.014（°）／h、0.029（°）／h和0.023（°）／h。测试结果与单个通道采用单轴激光陀螺稳频方案试验性能一致，验证了该稳频方法的有效性与正确性。

5 结论

空间三轴激光陀螺因为反射镜的共用节省了资源，随之而来的是稳频相互耦合的难点问题，作为一种新研制的激光陀螺，首要解决的就是完成该陀螺的稳频控制问题。

本文提供的稳频方案是在单轴激光陀螺稳频的基础上，进行详细而深入的分析，对空间三轴激光陀螺的稳频回路进行了等效变换，分解为三个单轴激光陀螺的稳频回路，这样就可以借用单轴激光陀螺的稳频方法实现稳频，虽然变换的计算公式简单，但从该公式循序渐进的推演中，可以看出其巧妙之处。

图8 稳频试验验证（8800s）Fig.8 Frequency stabilization validation（sampling time is 8800s）

作者认为，本文给出的方法还有一些细节可以深入研究，比如实际的空间三轴激光陀螺的三个压电元件的灵敏度并不严格相同，如何进一步进行精细分析以提升稳频精度也是后续需要开展的工作。

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［4］谭新洪，杜建邦.激光陀螺数字式稳频方法的研究［J］.计量学报，2002，23（3）：216－218.

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。

张金刚 （1969－），男，高级工程师，主要从事导弹武器系统及惯性导航方面的研究。