[发明专利]静电陀螺仪极轴光电传感器分辨率标定系统

说明书

■技术领域

本发明是静电陀螺仪中极轴光电传感器分辨率的标定系统。由于静电陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率和精度无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得。为测量极轴光电传感器分辨率的真实值，需要探究极轴光电传感器分辨率的标定方法，在陀螺仪光电测角系统进行正常测量前对极轴光电传感器的分辨率进行标定。本发明以空气静压支承模拟静电陀螺仪中的静电悬浮支悬转子的状态，使极轴光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转子作切线运动，得到光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系，在小角度范围内测出与静电陀螺实际工作状态相当的极轴光电传感器分辨率。由于静电陀螺的漂移和地球表观运动的存在，极轴光电传感器的分辨率和精度无法在陀螺本体或陀螺漂移测试台上测得。在光电测角系统测量前对其测试精度进行标定。

背景技术

以陀螺仪为敏感元件的惯性导航系统为完全自主式系统。不依赖外界任何信息，也不向外发射任何能量，具有隐蔽性、全天候和全球导航能力。目前，惯性导航技术在空间遥感、地球物理勘探、大地测量等方面得到了广泛的应用。

静电陀螺仪是利用静电力使球形转子在自由悬浮状态下高速旋转的高精度惯性元件，与其它陀螺仪相比，具有独特的特点，结构上由一个具有数对金属 电极的陶瓷壳体和一个球形金属转子组成，转子与支承之间没有机械接触，减少了干扰来源，具有一般框架陀螺难以达到的高精度。其漂移率小，性能稳定，结构简单。静电陀螺仪主要是通过测量出其相对于当地水平面的表观运动角度，来估计当地的子午线方向，达到寻北的目的。陀螺仪不可避免地存在有干扰力并使之产生漂移，从而引起自转轴相对惯性空间改变方位，影响静电陀螺的精度。

静电陀螺仪在转子的极轴位置和赤道位置设置了两个光电传感器，称极轴传感器和赤道传感器。在陀螺转子表面极轴处和赤道处蒸镀上图谱，分别用极轴、赤道传感器读取图谱信息，经信号处理环节得到转子极轴相对于壳体的位置信号。这种方法适用于转子极轴相对于陀螺壳体偏转角较小的情况，在球形转子的极轴和赤道上刻上不反光的矩形漫反射图形，图谱对光呈漫反射，极轴光电传感器输出陀螺动量矩的位置信号，赤道光电传感器输出转速脉冲信号，作为极轴位置分离的基准。极轴传感器与陀螺极轴一致时，极轴光电传感器光斑中心对准极点，光斑的一半与极轴刻线重合，光线被散射，另一半被转子面反射，被传感器接受元件转化为电信号。此时，转子转动一周中此信号为一常量。当壳体相对于转子的位置发生变化时，光斑与转子反射面重合的面积也不断变化，传感器输出的信号被转速调制，输出为类似于正弦的信号。同时，赤道光电传感器接收到陀螺转子转速脉冲信号，将此信号放大、整形、正交分离得到两路正交的方波信号。将这两路方波信号和极轴信号进行鉴相比较，可以得到转子极轴相对于壳体两正交轴的位置偏转角度。极轴传感器输出陀螺位置信号，赤道传感器输出陀螺转速脉冲信号。极轴传感器的分辨率直接影响着陀螺的测角精度。

静电陀螺极轴光电传感器小角度读取一般都采用光电检测方法，就国内外现 有的小角度光电测量方法来看，所采用的光学系统可分为以下几类：显微放大系统；准直(望远)系统；三角测量系统；光纤传输系统。

显微放大系统的检测方式为，光源发出的光经过分光棱镜、聚光透镜，把光聚集成一个光点，射到转子表面上，通过探测反射回来光强的变化，来检测转子的偏角。这种方式存在的问题是，光能利用率低、发热大、结构复杂，但安装调整还比较方便，可以满足极轴信号性能要求。

准直(望远)系统的检测方式是把光源发出的光经过准直、分光棱镜、射到转子极轴，反射光经过分光棱镜直接进入光电探测器。自准直式的光斑相对比较大，如果用在小陀螺上，反射回来光的发散角比较大，影响精度。因为光路中存在分光棱镜，光能损耗较大，总体利用效率比较低。另外，准直仪式传感器结构复杂，体积也比较大，但安装调整比较方便。

三角测量方式就是从光源发射出来的光直接照射在转子极点，光电探测器接收反射回来的光。光源、光电探测器、反射面，三者呈三角形构造。这种方式最大的优点是光能利用率高，精心调整反射角，光能利用率能达到90％以上。另外，它的结构比较简单，所需元件很少，可靠性比较高。但是它的光路不可能以垂直的角度入射到转子极点，即使发出的光斑的圆度很好，照到极点上的光斑也是个椭圆，因而信号质量差，零位噪声大。