（光学工程专业论文）高精度激光陀螺测角仪测控系统的研制.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 利用激光陀螺研制的动态测角系统具有精度高，测量快，动态响应范围宽等 特点。在动态角度测量过程中，如何进行瞄准建立一个可靠的零点是动态整周角 测量中的一个关键问题。课题研制了一种特殊的具有快速响应能力的瞄准装置一 一指零仪，利用指零仪产生的指零脉冲对激光陀螺脉冲的计数进行控制与输出， 这样就构成了测角仪的测控系统。 首先，论文设计了指零仪的光学系统。利用自准直法与双光束干涉法两种方 式进行了分析与实验，结合实际情况选定了自准直光路结构作为指零仪的光学系 统，系统产生的瞄准脉冲精度高，稳定性强。 其次，论文设计了指零仪的处理电路。电路利用对瞄准脉冲峰值保持的保持 结果与其原始信号进行比较，得到一个t t l 信号即为指零脉冲。电路工作稳定， 响应速度快。 接着，论文设计了系统的测控电路。利用f p g a 实现了对脉冲信号的高精度计 数，并能实时地将数据发送至计算机并保存。利用脉冲细分技术设计了脉冲信号 小数计数电路，大大提高了整个测角仪的测角分辨率。 最后，利用转台输出的周脉冲对指零仪进行了稳定性实验，利用转台内部光 栅编码器两路输出信号对测控系统进行了稳定性实验与动态响应能力实验。实验 结果表明指零仪以及测控系统工作稳定，具有较高的重复精度和良好的动态响应 能力。测控系统的研制完成为高精度激光陀螺测角仪今后的研制工作提供了基础。 同时指零仪也可以应用到其他需要动态指零的系统中。 主题词：光学检测，激光陀螺，测角仪，测控系统，指零仪 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t d y n a m i ca n g u l a r - m e a s u r i n gs y s t e mw i t har i n gl a s e rg y r os h o w sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a sh i g hp r e c i s i o n , h i g hs p e e d ，晰d ed y n a m i cr e s p o n s e ，e t c d u r i n gt h em e a s u r i n g p r o c e s s ，i t sak e yp r o b l e mt oe s t a b l i s hac r e d i b l es t a r t i n gt i m ew i t hac o l l i m a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d c u e das p e c i a lc o l l i m a t i o n - n u l li n d i c a t o r ( n i ) u s et h en ip u l s et o c o n t r o lt h ec o u n t e r sf o rt h er l g p u l s e s ，t h e ns e n dt h ec o u n t e rv a l u e st ot h ec o m p u t e r , a l lo ft h e s ec o m p o s et h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o rah i 【g hp r e c i s el a s e rg y r o g o n i o m e t e r f i r s t l y ，t h eo p t i c a ls y s t e mo f n ii si n t r o d u c e d t w op r o j e c t sa r ed e s i g n e d o n ei s a u t oc o l l i m a t i o np r o j e c t ，t h eo t h e ri si n t e r f e r e n c eo fd o u b l eb e a m so fl i g h t b o t ho f t h e ma r ea n a l y z e da n dt r i e d a f t e rt h a t ，t h ea u t oc o l l i m a t i o np r o j e c ti sc h o o s e d , b e c a u s ei t i se a s i e rt ob er e a l i z e d 、航ma c t u a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n s t h eo p t i c a l s y s t e mw o r k ss t a b l ya n dh a sh i l g hp r e c i s i o n s e c o n d l y ，an e wd y n a m i ct y p eo fc o m p a r a t o r i s d e s i g n e d c o m p a r et h e c o l l i m a t i o np u l s ew i t hi t sp e a l 【v a l u ea sar e s u l to fap e a kh o l d i n gc i r c u i t t h e nt h e c o m p a r a t o rg i v e sat t ls i g n a l - n ip u l s en a m e l y t h ew h o l ec i r c u i tw o r k sw e l la n d h a sa v e r yh i 曲r e s p o n s es p e e d t h i r d l y ，t h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t haf p g a t h e c i r c u i tc a nr e a l i z eh i g hp r e c i s ec o u n t e r sf o rr l g p u l s e s i ta l s oc a ns e n dt b ev a l u e so f t h ec o u n t e r st ot h ec o m p u t e ro r d e r l y t h ed e c i m a lc o u n t e r sf o rt h er l gp u l s e si s d e s i g n e di n t h e c i r c u i t i tc a ni m p r o v et h er e s o l v i n gp o w e ro ft h eg o n i o m e t e r c o n s u m e d l y f i n a l l y ，t h es t a b i l i t yo ft h en ii st e s t e dw i t ht h ez e r op u l s ef r o mt h es w i v e lt a b l e t h es t a b i l i t ya n dt h ed y n a m i cr e s p o n s ea b i l i t yo ft h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m a r et e s t e d 、析t l las w i v e lt a b l e t h en ia n dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m w o r ks t a b l y t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h e yh a v eh i g l lp r e c i s i o n a n dh i g hs p e e dd y n a m i cr e s p o n s e t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h em e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mo f f e r saf o u n d a t i o nf o rt h ef a r t h e rr e s e a r c ho ft h eh i g hp r e c i s el a s e r g y r og o n i o m e t e r t h en ic a na l s ob eu s e di nt h eo t h e ri n s t r u m e n t sw h i c hn e e d d y n a m i cc o l l i m a t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lm e a s u r e m e n t ，r l g ，g o n i o m e t e r ，m e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，n u l li n d i c a t o r 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 $ 5 9 7 1 性能参数表1 3 表4 1m a x 4 3 6 主要性能参数典型值2 9 表4 27 4 a h c t l 2 3 a 功能表3 3 表5 1e p l c 3 t 1 0 0 c 8 主要特性3 9 表6 16 0 0 s 指零仪稳定性部分实验数据4 9 表6 21 0 0 0 s 指零仪稳定性部分实验数据5 0 表6 3 测控系统稳定性实验部分数据。5 1 表6 41 0 0 s 测控系统动态响应能力实验部分数据5 2 表6 53 0 0 s 测控系统动态响应能力实验部分数据5 2 表6 6 在不同转速下的重复精度5 3 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 激光陀螺测角仪结构图3 图2 1 测控系统结构图6 图2 2 测控系统功能时序图7 图2 3 干涉指零仪光路原理框图8 图3 1自准直法光学系统设计1 0 图3 2 光电二极管等效电路1 2 图3 3 两束平行光的干涉1 3 图3 4 干涉法光学系统设计1 5 图3 5 倒置望远镜1 6 图3 6 分光镜的设计1 6 图3 7 指零仪的瞄准原理1 7 图3 8 干涉场光强计算1 7 图3 9自准直瞄准脉冲仿真图1 9 图3 1 0 干涉光强分布仿真图2 0 图3 1 1 自准直法光学系统实物照片2 0 图3 1 2 瞄准脉冲实验结果2 1 图3 1 3 干涉法光学系统实物照片2 2 图3 1 4 干涉条纹变化图2 2 图3 1 5 干涉法光学系统动态响应能力实验结果2 3 图4 1指零脉冲产生电路框图2 5 图4 2 跨导型峰值保持电路原理图2 7 图4 3简化的跨导型峰值保持电路原理图2 7 图4 4由m a x 4 3 6 构成的峰值保持电路2 9 图4 5峰值保持电路仿真结果。3 0 图4 6 峰值保持电路实验结果3 0 图4 7 开关门限，延迟电压，偏移电压示意图3 1 图4 8由m a x 9 9 9 构成的比较电路原理图。3 2 图4 9比较电路实验结果3 2 图4 107 4 a h c t l2 3 a 逻辑符号图3 4 图4 1 1s n 7 4 c b t d l g l 2 5 输出高电平。3 4 图4 】2 整形电路原理图3 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 3 整形电路实验结果3 5 图5 1 整形放大后的陀螺输出信号3 7 图5 2 脉冲细分技术3 7 图5 3 测控电路总体设计。3 9 图5 4 鉴相解调电路原理图4 0 图5 5 整数脉冲计数器工作流程图4 1 图5 6 整数脉冲计数单元仿真结果4 1 图5 7 头小数脉冲计数单元工作时序图4 3 图5 8c l r = i 时头小数脉冲计数使能信号状态机4 3 图5 9 头小数脉冲计数仿真结果4 4 图5 1 0 头小数脉冲计数错误结果4 4 图5 1 1 陀螺信号周期小数计数仿真结果4 5 图5 1 2u a r t 计数值发送状态机4 6 图5 1 3 通信单元仿真结果4 6 图5 1 4 激光陀螺测角仪应用程序4 7 图6 1 指零仪稳定性实验的可行性4 8 图6 26 0 0 s 指零仪稳定性实验结果，4 9 图6 31 0 0 0 s 指零仪稳定性实验结果5 0 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直揎廑邀左瞳蠼趔角丛型撞丞统鲍盈劐 学位论文作者张企趣 帆川年7 2 月g 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 直揎廑邀堂瞳蠼型角垡型控丞统的盈剑 学位论文作者签名：么李二淘日期：y 9 7 年户月亏日 作者指导撕麟：辩吼砷年( 2 ，月台日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的意义与背景 角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，发展较为完备，各种测量手段 的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。角度测量技术可以分为静态测量和 动态测量两种f l 】。对于角度测量技术来说，目前的主要任务集中在如何提高测量精 度和测量分辨率上。而动态测量技术正处于发展阶段，其中激光陀螺测角法【2 】 3 1 1 4 1 被认为优于目前任何其他技术。 8 0 年代中期，经历了数十年的设计研究工作，制造工艺的逐渐完善使得激光 陀螺可以作为角度传感器应用到飞行器与其它移动载体上的惯导系统和角度测量 中去。由于激光陀螺的一些特性，利用它可以进行整周角高精度，高速的动态测 量，并且可以使整个测量过程自动化。利用激光陀螺测角仪，可以在很短的时间 内对一个刻有数干条刻度的光学编码器进行校准。 国外激光陀螺测角技术从6 0 年代末就开始了研究，其中以德国和俄罗斯最多。 德国的r o d l o f f 利用激光陀螺研制出了高精度高分辨率测角系统，发表于美国专利 上口1 。俄罗斯圣彼德堡电子大学研制的精密激光陀螺测角仪【5 】【6 】可用于光学多面体 和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角仪本身的内部旋转角测量。 为了消除激光陀螺比例因子绝对值长时间波动引起的测量误差，在测量过程中同 时进行激光器校准，即用3 6 0 0 ( 整转) 内的周期数相加的方法确定激光陀螺差频 周期的角值。与标准角度测量方法相比，该装置在6 0 r p m 的转速范围内，测量准 确度达到0 1 ”。 国内的激光陀螺测角技术的研究从上世纪8 0 年代开始，中国计量科学研究院 利用了四频激光陀螺与圆光栅编码器进行了环形激光精密测角实验【7 11 8 1 ，得到的 相关结论表明，利用激光陀螺进行角度的测量，其精度优于o 1 ”。但是文献中提 到的测量方法与上文提到的俄罗斯圣彼德堡电子大学研制的精密激光陀螺测角仪 的原理并不相同，环形激光精密测角实验利用圆光栅与激光陀螺进行对比实验， 通过实验结果得到激光陀螺作为角度传感器的精度，并且可以对转台转动时的相 对转角进行测量与标定，但是这种方法并不能对多面棱体各个面之间的绝对夹角 进行测量，而关于绝对角度测量的方法目前国内的研究相对较少。 目前，激光陀螺已发展成为在3 6 0 0 整周角度范围内的高测量精度和高测量分 辨率的角度和角速度传感器，在惯性导航和姿态控制方面有重要的用途。激光陀 螺测角技术除了具有高精度高分辨率的特点外还具有以下优点： ( 1 ) 易实现自校，可以在测量过程中确定激光陀螺的比例因子，从而大大减小 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 测量误差。 ( 2 ) 可以实现高速转角测量，动态响应范围宽。 ( 3 ) 可以在转速测量的同时实现转角测量，还可以测量瞬态转速。 缺点是加工工艺难以保证，成本高，对环境要求严格，这是激光陀螺测角没 有得到大量应用的最主要原因。主要误差来源是“闭锁”、“零漂”、“频率牵引”和地 球自转的影响。但该方法在整周角度测量方面是一个非常有前途的发展方向。本 课题作为高精度激光陀螺测角系统的前期研究，对于完善整个系统具有重要意义。 1 2 激光陀螺测角仪工作原理 1 2 1 激光陀螺工作原理 激光陀螺p 1 是利用运行于谐振腔内顺逆方向激光的频翠差采感应陀螺的转 速，其输出为： 卢y 矿一y 伽= 君4 , 4q ( 1 1 ) 其中，a v 是顺逆时针运行的两束激光的频率差；v 删、y 硎分别是谐振腔内 顺逆方向激光的频率；a 是激光环路所围的面积；三是环路光程；允是激光波长； q 为激光陀螺转动的角速度。万4 a 称之为比例因子。 将( 1 1 ) 式对时间，求积分，可得时间f 内由于正、反向行波频率差所积累的脉 冲数为： = 卜诎= 差卜西= 瓦4 a 秒 m 2 ， 其中，口= f 珊是f 时间内环形腔相对于惯性空间的总转角。 ( 1 1 ) 式和( 1 2 ) 式是激光陀螺作为角速度和角位移传感器的原理公式。 由这两个原理公式，可以利用光学拍频方法检测出频差y 和脉冲数n ，进而 求出每一瞬时的转速q 和转动角度0 f 2 = 9 4 彳l y ( 1 3 ) o = - 丝4 彳n ( 1 4 ) 竺为比例因子的倒数，一般称之为激光陀螺的标度因数。 4 a 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2 激光陀螺测角仪工作原理 由( 1 4 ) 式可以看到，转动角度9 与脉冲数成正比，因此要测得两个面之间 的夹角可以通过对与被测物相对固定并一起转动的激光陀螺的输出脉冲计数来得 到，其中的关键在于从何时开始计数，何时结束，这就涉及到本课题研究内容， 精确地建立一个计数零点。 图1 1 是激光陀螺测角仪的简单结构图。如图激光陀螺与被检量具相对与转台 固定，并与转台一起在电机的驱动下以一恒速转动，保证激光陀螺远离其锁区。 指零仪相对转台系统静止，当被检量具的个工作面转动至与指零仪发出的平行 光束垂直的瞬间，指零仪利用反射平行光通过处理产生光电流触发脉冲，当下一 个工作面到来时，又将产生一个触发脉冲，这样这两个面之间的夹角相当于转换 成为指零仪产生相应的两个触发脉冲所需时间间隔内激光陀螺输出的脉冲数。将 激光陀螺输出脉冲与指零仪触发脉冲输入至接口装置中，利用电路实现相关功能 并与计算机通信以便进一步处理。 图1 1 激光陀螺测角仪结构图 根据( 1 2 ) 式可知： | ， n 口= j k f 2 c o s o m t = 9 k c o s a ( 1 5 ) 6 式中k ：! 警为激光陀螺比例因子；驴表示被检量具两工作面之间夹角；，p 表 ，山 示被检量具转过9 角所用的时间间隔；q 为转台的角速度；口为转台转轴与激光 陀螺测量轴之间的夹角( 下文假设其理想状态下为0 ) ：n 口为对应的激光陀螺输 出脉冲数。 为了减小激光陀螺长时间工作引起比例因子波动带来的误差，每次测量时可 以利用整周角测量对激光陀螺比例因子进行标定。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 n 2 石= l k f m t = 2 r e k ( 1 6 ) 6 式中t 是转动周期；n 2 膏为转动一周计得的激光陀螺脉冲数。 利用( 1 5 ) ( 1 6 ) 式得到相应的角度值为： 畔万惫 ( 1 7 ) 由( 1 7 ) 式可知通过换算即可将计数器的结果变换为两个面的夹角。为了更加准 确地测量角度，一般采用多圈连续测量的方法，并使转台正反向转动，以消除地 球自转的影响0 0 1 。 1 3 本文主要工作 从上文可以看到，激光陀螺测角仪的结构简单，理论成熟，但是高精度的要 求使整个系统的研制难点重重。一方面，本单位激光陀螺的“速率偏频技术尚 未成熟，其要求转台的转速精度很高，给转台的研制带来困难；另一方面，动态 角度测量中如何进行瞄准建立二个可靠的零点是动态整周角测量中的一个关键问 题。指零仪的精度和稳定性对整个动态测角起到了关键作用，并且由于被测量具 转速较快，因此对指零仪的动态响应能力提出了要求。 本文研究的测控系统主要包括指零仪和计数装置。课题主要的着眼点在于使 用分辨率高，响应速度快的指零仪在高速转角测量时快速精确地产生光电流触发 和停止脉冲，并利用优秀的软硬件实现对激光陀螺在相应时间间隔内的脉冲计数 从而得到相应的角度，为整个高精度激光陀螺测角仪的完善打好相关基础。 本文的主要工作有： 1 根据高精度以及快速响应能力的特点设计指零仪光路，熟悉相关原理与理 论，分析光路中各元件参数，并对指零仪输出脉冲进行理论计算，模拟仿真，分 析误差。 2 根据设计完成的光路在光学平台上进行搭建，观察实验效果，与理论值进 行对比，分析光路存在问题，及时进行调整。利用转台，进行响应能力测试，根 据高低转速指零仪输出信号差异寻找原因，对系统进行改进与完善。 3 针对输出脉冲特性，以及高精度、快速响应的特点设计指零仪电路，从理 论上分析电路参数，选定型号，并进行各部分仿真。根据指零仪输出脉冲对设计 完成的处理电路进行实验，调试各元器件参数，完善指零仪电路。 4 利用f p g a 结合指零仪输出触发脉冲设计电路，对陀螺输出的两路相位差 为9 0 。的电信号鉴相调解并对脉冲数进行计数，利用细分技术提高陀螺的角分辨 率，截取对应的激光陀螺脉冲数，并与计算机进行串口通信。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 5 利用课题研制的测控系统结合转台对整个测角系统进行稳定性实验、动态 响应能力实验，并对实验结果进行分析。 6 总结课题各个部分存在的问题和改进方案，为整个激光陀螺测角系统的完 善打下基础。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章测控系统的总体设计 高精度激光陀螺测角仪测控系统是测角仪系统中一个十分重要和关键的环 节，其中的各个部分的各项指标将直接影响整个测角仪的精度。本章将简单地介 绍测控系统的构成及各个部分的功能，根据整个测角仪的精度要求对每一部分的 设计目标进行分析，最后将对测控系统各个部分进行初步设计。 2 1 测控系统的构成与功能 如图2 1 是高精度激光陀螺测角仪测控系统的结构图，主要包括三个部分： 图2 1 测控系统结构图 1 指零仪的光学系统。在绪论部分我们了解到，它的作用是瞄准，但是它又 不同于一般的光电自准直仪，它不是用于测量小角度，而是用于在高速测量时， 能够实时地产生一个瞄准脉冲，在响应速度上具有更高的要求。 2 指零脉冲产生电路。其功能是将光路系统产生的瞄准脉冲精确地转化为可 以供测控电路使用的数字逻辑信号( 后文统称为“指零脉冲) 。光学系统产生的 瞄准脉冲脉宽会随着被测物转速的变化而变化，幅值会随着被测物的表面反射率 的变化而变化，如何处理这样一个脉宽幅值都在变化的脉冲信号给电路的设计带 来了难度。另外，为了提高整个指零仪的响应频率，电路部分的延时也要很小。 传统的光电自准直仪是小角度测量的重要测量仪器，由于采用了面阵c c d 、线 阵c c d 、p s d 等高分辨率光电探测器，因此具有较高的准确度和测量分辨率，被广 泛地引用于精密的测量工作中，但由于此类的光电探测器都要经过较长时间的电 路处理，因此使得传统的光电自准直仪的响应时间较长，目前国内一些自研产品 虽然能达到5 0 0 n z 的响频【l ，但并不能满足高速动态测量的需要。 3 测控电路。测控电路的作用是利用经过指零仪电路处理后的指零脉冲来控 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 制计数器对激光陀螺脉冲的计数，并将计数值存储并发送至计算机中。为了提高 测角仪的精度，如何提高激光陀螺输出脉冲的分辨率并如何利用指零脉冲来截取 计数值是测控电路设计部分的主要难点。 整个测控系统最终将要完成的功能如图2 2 所示，通过对两指零脉冲间的激 光陀螺输出脉冲进行计数便可以得到相应两个面之间的夹角。 。 a ) 山刚叫刚岫叫山山幽刚叫叫灿u l u 叫， b ) 魄 曲c l d ) c 2 1i玎珏 坠 |l i l l l l l i l l l i l i l i嘶而硎 l i | i i f l l | i l i i 1 l l i i 1 l i i i o 图2 2 测控系统功能时序图 图中u 皿表示的是激光陀螺输出脉冲，【，朋为指零脉冲，c i 、c 2 为计数器的 计数结果，r p 、心分别表示某两个指零脉冲之间的时间间隔和计得的陀螺脉冲数。 2 2 测控系统设计目标 高精度激光陀螺测角仪的测控系统设计目标是利用指零仪产生的指零脉冲作 为基准，来控制电路对激光陀螺脉冲数的计数，从而得到相应的角度值。 由于测角系统使用“速率偏频激光陀螺，而被测物体与激光陀螺相对静止 一起高速转动，这样对指零仪的动态响应能力提出了高要求。以某型陀螺为例， 在转速为1 0 0 。s 时，其拍频频率达到1 05 量级，为了确保计数电路不会产生脉冲 丢失的情况，这就要求指零仪从对准到产生指零脉冲的响应时间达到1 0 1 s ；另外， 激光陀螺作为角度传感器，它的分辨率要达到测角精度要求还必须对陀螺脉冲进 行细分，这对测控电路的设计也同样提出了高要求。例如某型陀螺的标度因数约 为1 8 脉冲，这样的分辨率不能满足测角仪高精度的要求，必须使用特殊的方 法进行处理。 作为测角仪的前期研究，鉴于以上原因，设计目标可以分为以下三个组成部 分： 1 设计指零仪的光学系统，要求响应时间达到伊量级，精度达到0 5 即。 2 设计指零脉冲产生电路，要求响应频率到达姗z 量级。 3 设计测控电路，对陀螺脉冲进行细分，利用指零脉冲控制计数，并将计数 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ” 值存储发送至计算机。要求指零脉冲对计数的控制精确，并能通过对陀螺脉冲的 倍频或细分使其分辨率达到0 1 。 对于目标l ，指零仪的光学系统在高速测量情况下精度达到o 5 ，这需要 设计合理的光学系统，采用适当的测量方法，还需要有良好的实验条件，稳定的 实验环境；响应时间达到胆量级则还需要选择合适的光电转换器件。 对于目标2 和目标3 ，首先是采用正确的方法来设计合理的电路结构，其次选 择合适的硬件来准确地实现电路的功能。调试过程中发现问题必须及时改进，由 于目标2 电路的输出信号将输入至目标3 中的电路，所以设计时注意两者的兼容 性。 2 3 测控系统各部分初步设计 2 3 1 指零仪光路的设计 2 3 1 1 自准直指零仪光路设计 2 1 节中指出传统的光电自准直仪并不能满足高速测量的需要，主要的原因在 于为了达n - t i ! 常高的分辨率，光电探测器对接收到的信号进行处理需要较长的时 间，但是其光路结构还是可以运用到指零仪系统中去，只要选择正确的光电探测 器以及后期处理电路，同样可以具有较高的响应能力。 2 3 1 2 双光束干涉指零仪光路设计 在一些外文文献中提到了一种利用双光束干涉原理设计的瞄准装置。俄罗斯 圣彼得堡德堡电子大学研制的干涉零位指示器【1 2 】，精度很高，且具有很快的响应 速度。因此也可以参考此类方法设计一种高速响应的指零仪。 光源h 准直系统卜 分 o兮 镜 巡测多面修光电猁器h 聚光镜卜 图2 3 干涉指零仪光路原理框图 图2 3 是此类指零仪的光路原理框图。它主要包括光源、准直系统、分光镜、 聚光镜和光电探测器。光源发出的光束经准直成为平行光，由分光镜分成两束互 相平行的相干光，入射到被测多面体的工作面上。当入射光垂直于多面体时，入 射光束沿原光路返回再次经过分光镜并发生干涉，光电探测器接收干涉条纹，并 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 输出相应的电压信号。 本系统中将分别对两种原理的指零仪光学系统进行设计、搭建以及实验，并 对两者进行分析比较，具体的工作将在下一章中给出。 2 3 2 指零脉冲产生电路的设计 2 1 节指出传统光电自准直仪由于后期处理电路要经过比较复杂的数字处理 而导致了其响应能力的下降，为了获得较高的响应速度，信号处理电路的设计将 使用模拟器件，并使结构比较简单。 处理电路需要根据前面光路系统产生信号的特性来进行设计，但无论是哪一 种光路产生的信号，其幅值都正比于接受到的光强强度，也就是反映了被测多面 体的角位置信息。理想的状态是在信号幅值最大值处产生一个t 1 l 脉冲，实际的 处理方法是设置一个阈值电压，其值越接近最大值指零仪的精度越高，当幅值到 达此阈值电压时，利用比较器产生t t l 脉冲即为指零脉冲。具体的设计以及在2 1 节中提到的幅值变化问题的解决将在第四章中给出。 2 3 3 测控电路的设计 测控电路最主要的功能是利用指零脉冲来控制激光陀螺脉冲的计数，这里的 信号都是数字信号，为了保证精度，测控电路硬件将使用现场可编程门阵列 ( f p g a ) ，并通过合理地程序编写来进行设计。具体的设计将在第五章中给出。 2 4 本章小结 本章首先阐述了测控系统的构成以及各个部分的主要功能和技术难点，接着 根据测角仪精度要求，提出了各个部分的设计目标：1 指零仪光学系统响应时间 达到微妙量级，精度达到0 5 ；2 指零脉冲产生电路响应频率达到删z ；3 测 控电路要求指零脉冲对计数的控制精确，陀螺脉冲的分辨率达到o 1 。最后对测 控系统的各个部分进行了初步的设计。指零仪光路方面介绍了两种不同的设计方 法，简单介绍了它们的工作原理；指零脉冲产生电路将设计一个结构简单的，以 比较电路为主体的，具有较大响应频率的模拟电路；测控电路将采用f p g a 来进行 设计。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章指零仪的光路设计与实验 指零仪的光学系统部分决定了作为测控系统中基准的指零脉冲的精度，光学 系统的设计原理和实验方法对提高指零精度尤为重要。本章首先将分别介绍在上 一章中提出的两种指零仪的光路设计以及相关原理，接着将对两者产生的信号进 行理论计算和初步的误差分析，最后将分别对两者进行实验，分析误差，综合比 嗽选定最合适的方案。 3 1 自准直指零仪的原理与设计 3 1 1 自准直指零仪光路设计 2 3 节中给出了自准直指零仪的设计方法，由于要提高系统的响应能力，对光 电探测器的选择提出了要求，针对这一点我们可以将光电探测器换成具有高响应 频率的单象限光电探测器【1 3 】，并在探测器前放置一个狭缝光阑以提高精度1 1 4 。 图3 1自准直法光学系统设计 图3 1 给出了一种简单的自准直指零仪。光源1 发出的光通过位于棱镜3 焦面 上的狭缝2 ，在经过棱镜3 后成为一束平行光，并投射到被测面上，反射后的光束 经过分光镜4 射向位于棱镜3 等效焦面上的狭缝5 ，然后投射到位于后面的光电探 测器上。当被测面转动到其法线与指零仪的瞄准轴重合时，光电探测器会产生一 个脉冲。 3 1 2 自准直指零仪光路构成 3 1 2 1 光源发射部分 这里光源1 将采用h e - n e 激光器。目前的激光器中，h e - n o 激光器在光束的 方向性、输出功率以及频率的稳定性方面具有良好的性能。为了使光束具有稳定 的方向性，并能使光电探测器得到更稳定的输出脉冲，系统选用由本教研室研制 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的微晶玻璃h e n e 激光器，采用微晶玻璃制造腔体，减小了由激光器发热以及周 围环境温度变化引起的谐振腔变形，使得输出功率和频率十分稳定。为了观察不 同光斑宽度对系统带来的影响，狭缝2 使用最小调节刻度为o o l m m 的可调狭缝。 3 i 2 2 分光镜 分光镜采用普通的分光棱镜，由一对高精度直角棱镜胶合而成，波前偏差很 小。其中一块棱镜的斜面上镀上半反半透膜。四个垂直通光表面镀6 3 2 8 n m 波段 增透膜以减少在应用波长上的表面反射损失。 3 1 2 3 光斑接收部分 这里的狭缝5 同光源发射部分采用的狭缝一致。光电探测器的选用也十分重 要，由于被测物体的转速较高，光斑在探测器光敏面上扫过的时间很短，因此对 光电探测器的响应频率提出了要求。在选用时应该选用响应频率高的探测器。 这里使用硅p i n 光电二极管m 1 作为光电接受元件，针对p i n 管的主要性能参 数，我们对其作一详细介绍。 1 波长响应范围和材料吸收系数 由p i n 的工作原理可知，只有当光子能量1 1 f 大于半导体材料的禁带宽度e 。时 才能产生光电效应，因此对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率工或 上限波长以，有 f 六= 睾 ( 3 1 ) 打 a ，：堡：一1 2 4 ( 3 2 ) e ge s 其中：波长和禁带宽度的单位分别为, u r n 和“。 当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。这是因为半导 体材料对光的吸收作用，这种吸收随波长减小而迅速增加。因此，p i n 光电二极管 是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这波长范围就是波长响应范围。 2 响应速度 光电探测器要能够检测高频调制的光信号，因此响应速度是光电二极管的一 个主要参数。响应速度通常用响应时间来表示，它反映了光电转换速度的快慢。 影响响应速度的一个重要因素是光电二极管的结电容。 光电二极管可视作一个电流源，它的等效电路如图3 2 所示。c d 、r ，、只口、 r ，分别为光电二极管的结电容、串联电阻、跨接电阻、负载电阻。结电容对光电 二极管响应速度的影响主要由电容c d 和负载电阻r 决定。一般厂家给出负载电阻 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为5 0 q 时的响应时间。 图3 2 光电二极管等效电路 从等效电路可以看出，结电容。起着旁路作用，因而在高频下使输出电流减 小。结电容限制的截止频率( 即为带宽) 为 2 丽1 万 ( 3 3 ) 厶，l r 、- ， 显然，快速的响应( 高截止频率) 要求降低时间常数巳。因此，要求尽可能地 降低结电容c d 。 3 噪声特性 光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热 噪声，除负载电阻的热噪声外，其它都为散弹噪声。 散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的，它是一种具有均匀频 谱的白噪声，其电流谱密度与平均电流强度i 成正比： 尘箬：2 q i ( 3 4 ) ， 留 在带宽b 内的散弹噪声为 = 2 q l b ( 3 5 ) 在光电二极管对入射光进行检测时，由于光子运动是随机的，形成光电流的光 生电子和空穴也是随机产生的，产生以后还会随机复合掉一部分，导致光生电流 随机起伏，即带有散弹噪声。光电流的散弹噪声称为量子噪声。它与平均光电流， 成正比，由式( 3 5 ) ，量子噪声电流的均方值可表示为 - 2 q i 。b ( 3 6 ) 一般将暗电流的散弹噪声和漏电流的散弹噪声合称为暗电流噪声。暗电流噪声 电流的均方值为 - 2 q ( i o + i l ) b ( 3 7 ) 其中：，d 和t 分别为暗电流的均方值和漏电流的均方值。 任何电阻都具有热噪声，只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热 激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声。负 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 载r ，上的热噪声电流谱密度为 空三堡三： 兰笙081 缈 【r l e x p ( 矽k o r ) 一r 】 。 从上面的分析可以看到，量子噪声不同于热噪声的一个特点是：它伴随信号 的产生而产生，且随信号的增大而增大；当没有光入射时，光电流为零，信号消 失，量子噪声亦同时消失。 系统中选用的是由日本滨松光电公司生产的$ 5 9 7 1 1 5 1 。$ 5 9 7 1 是一种高速硅 p i n 光电二极管( h i g h - s p e e ds ip i np h o t o d i o d e ) 。价格低廉，可靠性高。其主要性 能参数如表3 1 ： 表3 1 $ 5 9 7 1 性能参数表 有效光击穿 波长响应 响应度( a w ) 暗电流 截止 敏面积 电压范围频率 ( m m 2 ) ( r i m ) 6 6 0 r i m7 8 0 n m 8 3 0 h m9 0 0 r i m ) m ) 1 12 03 2 0 1 0 6 00 4 4o 5 5o 60 6 40 0 71 0 0 其i o o m i - i z 的截止频率保证了指零仪的响应速度。 3 2 双光束干涉指零仪原理与设计 3 2 1 双光束干涉相关原理 3 2 1 1 两束平行光的干涉场 两列平面波的干涉相当于两点源位于无穷远的情况，实际上可以用一束激光 通过准直化、分束器和反射镜来实现。 忒 l ” 钐 图3 3 两束平行光的干涉 如图3 3 ，两列同频率的单色平面波同时照射在z = o 的波前上。设它们的振幅 分别为4 和彳：，在坐标原点0 处的初位相分别是区和嘎，传播的方向角分别是 ( ，屈，y 。) 和 ：，反，y ：) 。于是波前上的位相分布为 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l 妒i ( x ，j ，) = k ( c o s a l x + c o s 屈y ) + 磊 【妒2 ( x ，y ) = k ( c o s a 2 x + c o s f l 2 y ) + 如( 3 9 ) 8 ( x ，y ) = k ( c o s a l c o s a 2 ) x 十k ( c o s 届- - c o s 尾) y + 疋一4 按光波干涉理论【1 6 i 可以写出波前上强度的分布： ，= a 1 2 + a 2 2 + 2 a l a 2c o s k ( c o s a l 一c o s g 2 ) x + k ( c o s 届一c o s 尻) y + 疋一4 】( 3 1 0 ) 由此表明，干涉条纹是一组平行的直线，它们的取向由c o s a 。一c o s a ：和 c o s f l l - - c o s 尾之比决定。沿x , y 两个方向的条文间距分别为 x2 2 万a 七c 。s 口二c 。s 口：c 。s 口二c 。s 口2 ( 3 1 1 ) 2 万允 r 7 l ，= 一= 一 j k ( c o s p i c o s p 0c o s p l c o s p 2 3 2 1 2 干涉条纹对比度 干涉测量中，除了要求有高质量的条纹外，还希望干涉条纹