基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法技术方案

本发明专利技术基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法，涉及一种宽频带、高灵敏度，用于敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动信息，在微小角振动测量系统内部正交安装三轴光学系统，安装三路光源驱动与模拟电路、三路微弱信号检测电路、一路二次电源电路和一路信号处理与接口电路。本发明专利技术尽量降低结构本体的高度，重心尽量位于几何中心处，并对局部采取加强措施，抗力学性能好；采用三轴一体构型，三轴光学系统正交安装于结构本体，减轻结构重量，轻质化程度高；三轴光学系统中三份光源独立驱动对应的光纤环，提高了光路的信噪比，测量精度高；对外采用TLK2711高速接口通信，数据传输速率高；指令信号与数据信号传输分离，数据可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统及方法
本专利技术涉及基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，特别涉及一种宽频带、高灵敏度，用于敏感卫星在轨运行期间由环境因素引起的微小角振动测量系统，属于惯性测量

技术介绍
航天器作为高新科技发展的标志，在我国的现代化建设中扮演着极为重要的角色。随着航天领域和整个航天生态系统的发展变革，用于通信、科学、技术试验、对地观测等的商业卫星发展前景十分广阔。卫星在轨运行过程中会受到动量轮等多种环境因素的干扰，使卫星的结构体产生微小角振动，对有效载荷尤其是光学载荷的高精度成像会产生较大影响，造成像点模糊，影响成像质量。由于卫星工作环境的复杂性，模拟工况较为困难，且微小角振动信息的测量方法没有完备的体系，现有技术尚未实现卫星高频微小角振动信息的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了弥补现有技术的空缺，基于在轨卫星多种振动频率工况下光纤陀螺的测试结果，提供一种基于光纤角度传感和高速接口通信的微小角振动测量系统，该系统力学环境适应能力强、应用频带范围广、测量精度高。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，包括：三轴光学系统、光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路、二次电源电路和信号处理与接口电路、电连接器；二次电源电路通过一组供电电连接器接收一次电源，转换成二次电源给信号处理与接口电路供电，信号处理与接口电路将二次电源传输给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电，光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，三轴光学系统敏感卫星的微小角振动，产生Sagnac效应信号并输出给微弱信号检测电路，微弱信号检测电路对接收的Sagnac效应信号进行调制解调后得到微小角振动信号，发送至信号处理与接口电路；信号处理与接口电路能够根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速通信电连接器输出；二次电源电路通过另一组通信电连接器接收外部指令，将该外部指令发送至信号处理与接口电路，信号处理与接口电路收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速电连接器输出。三轴光学系统为角速度干涉仪，包括：无源光路部分和有源发热部分，无源光路部分，包括：掺铒光纤光源、耦合器、Y波导、光纤环；有源发热部分包括：掺铒光纤光源中的泵浦激光器、探测器；掺铒光纤光源上电后，敏感卫星的微小角振动，实时输出Sagnac效应所需要的光信号送至耦合器，由耦合器对光信号进行耦合后送至Y波导，由Y波导进行输入光波的分束及偏振滤波后送至光纤环，光纤环敏感两相向传播光波之间的Sagnac相位差，经由Y波导对输出光波进行合束及偏振滤波后送至探测器，探测器将接收到的光信号转换为电信号，进行信号放大并输出送至微弱信号检测电路。掺铒光纤光源，包括：泵浦激光器(24)，波分复用器(25)，掺饵光纤(26)，反射镜(27)，隔离器(28)和滤波器(29)；波分复用器(25)将泵浦光注入掺饵光纤(26)中，沿掺饵光纤(26)向前、后两个方向产生放大的自发辐射信号。向前的自发辐射经反射镜(27)反射后再次通过掺饵光纤(26)放大并与后向自发辐射叠加，形成更强的后向输出功率的信号，经隔离器(28)隔离和滤波器(29)滤波后输出光信号。微弱信号检测电路，包括：Sagnac效应信号接收模块、相移器、光电探测器、前置放大器(30)、A/D转换器(31)、数字逻辑电路(32)、D/A转换器(33)、增益控制电路1(34)、D/A转换模块(35)、增益控制电路2(36)、相位调制器(37)；Sagnac效应信号接收模块，接收三轴光学系统敏感卫星的微小角振动产生的光信号，经过Sagnac效应，产生Sagnac相位差，送至相移器；相移器为反馈调节装置，将正负反馈调制后的相位差送至光电探测器，转换为光电流信号后输出至前置放大器(30)，前置放大器(30)对光电流信号进行滤波放大后送至A/D转换器(31)，将光电流信号模拟量转换成数字量进入数字逻辑电路(32)，数字逻辑电路(32)采取四态波调制的方法对数字量进行解调，同时将解调出的角速度误差信号做适当的增益变化后进行积分后分三路输出，一路作为微小角振动信号输出给信号处理与接口电路，另外两路组成闭环反馈系统，其中一路输出至D/A转换器(33)，转换为模拟量后进入增益控制电路1(34)进行电压调制；另一路信号积分后输出至D/A转换模块(35)，D/A转换模块(35)同时接收增益控制电路1(34)调制后电压，通过数字积分得到微小角振动的信号输出，同时也作为产生相位阶梯波的反馈相位台阶，将微小角振动信号和反馈相位送至增益控制电路2(36)，调整为合适的电压后施加给相位调制器(37)，最终使整个控制系统闭环误差信号趋近于零，相位调制器(37)将输入的模拟电压转换成反馈相位差，抵消Sagnac效应产生的相位差，实现闭环反馈。信号处理与接口电路，包括：FPGA(38)、配置存储器(39)和TI公司的TLK2711高速接口芯片(40)；FPGA接收由微弱信号检测电路输出的微小角振动即卫星振动产生的角速度原始脉冲及三轴光学系统的温度信号存入配置存储器(39)，并将微小角振动根据对外的通信协议转化为对外输出的格式的数据，通过TLK2711高速接口由一组电连接器发送至外部中心机。信号处理与接口电路，还包括：主备份CAN总线接口CANA(41)、CANB(42)和RS422串口(43)；两路主备份CAN总线接口CANA(41)和CANB(42)完成三轴光学系和微弱信号检测电路状态监控和时间校正；同时，RS422串口(43)差分脉冲同步输出微小角振动即角增量数据供地面测试使用。信号处理与接口电路，TLK2711高速接口的数据传输速率为1.6Gbps；两路主备份CAN总线接口CANA(39)和CANB(40)完成状态监控和时间校正；同时，RS422串口(41)差分脉冲同步输出角增量数据供地面测试使用。二次电源电路，包括：电阻R1～电阻R10、电容C1、C2、熔断器F1、F2，二极管V2、二极管V3、场效应管V1、滤波器和电源模块；电源模块，包括：第一DC/DC电源和第二DC/DC电源熔断器F1的一端和熔断器F2的一端连接一次电源输入正端+28V，熔断器F2的另一端连接R1和R2组成的并联电阻的一端，R1和R2组成的并联电阻的另一端连接熔断器F1的另一端、R7和R8组成的并联电阻的一端、滤波器的一次电源输入正端；R7和R8组成的并联电阻的另一端连接R9和R10组成的并联电阻的一端，R9和R10组成的并联电阻的另一端连接二极管V2的负极、电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端、R5和R6组成的并联电阻的一端；二极管V2的正极连接二极管V3的负极，电容C1的另一端连接电容C2的一端，R5和R6组成的并联电阻的另一端连接场效应管V1的负极、场效应管V1的正极连接二极管V3的正极、电容C2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和一次电源地；场效应管V1的负极连接滤波器的一次电源输入回线端并接一次电源地；滤波器的接地端接机壳地，滤波器的一次电源输出正端连接DC/DC电源1的正端、DC/DC电源2的正端和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于包括：三轴光学系统、光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路、二次电源电路和信号处理与接口电路、电连接器；二次电源电路通过一组供电电连接器接收一次电源，转换成二次电源给信号处理与接口电路供电，信号处理与接口电路将二次电源传输给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电，光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，三轴光学系统敏感卫星的微小角振动，产生Sagnac效应信号并输出给微弱信号检测电路，微弱信号检测电路对接收的Sagnac效应信号进行调制解调后得到微小角振动信号，发送至信号处理与接口电路；信号处理与接口电路能够根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速通信电连接器输出；二次电源电路通过另一组通信电连接器接收外部指令，将该外部指令发送至信号处理与接口电路，信号处理与接口电路收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速电连接器输出。

【技术特征摘要】
1.基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于包括：三轴光学系统、光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路、二次电源电路和信号处理与接口电路、电连接器；二次电源电路通过一组供电电连接器接收一次电源，转换成二次电源给信号处理与接口电路供电，信号处理与接口电路将二次电源传输给光源驱动与模拟电路、微弱信号检测电路供电，光源驱动与模拟电路给三轴光学系统供电，三轴光学系统敏感卫星的微小角振动，产生Sagnac效应信号并输出给微弱信号检测电路，微弱信号检测电路对接收的Sagnac效应信号进行调制解调后得到微小角振动信号，发送至信号处理与接口电路；信号处理与接口电路能够根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速通信电连接器输出；二次电源电路通过另一组通信电连接器接收外部指令，将该外部指令发送至信号处理与接口电路，信号处理与接口电路收到外部指令后，根据对外的通信协议，将微小角振动信号转化为对外需求格式的角数据，通过一组高速电连接器输出。2.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：三轴光学系统为角速度干涉仪，包括：无源光路部分和有源发热部分，无源光路部分，包括：掺铒光纤光源、耦合器、Y波导、光纤环；有源发热部分包括：掺铒光纤光源中的泵浦激光器、探测器；掺铒光纤光源上电后，敏感卫星的微小角振动，实时输出Sagnac效应所需要的光信号送至耦合器，由耦合器对光信号进行耦合后送至Y波导，由Y波导进行输入光波的分束及偏振滤波后送至光纤环，光纤环敏感两相向传播光波之间的Sagnac相位差，经由Y波导对输出光波进行合束及偏振滤波后送至探测器，探测器将接收到的光信号转换为电信号，进行信号放大并输出送至微弱信号检测电路。3.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：掺铒光纤光源，包括：泵浦激光器(24)，波分复用器(25)，掺饵光纤(26)，反射镜(27)，隔离器(28)和滤波器(29)；波分复用器(25)将泵浦光注入掺饵光纤(26)中，沿掺饵光纤(26)向前、后两个方向产生放大的自发辐射信号；向前的自发辐射经反射镜(27)反射后再次通过掺饵光纤(26)放大并与后向自发辐射叠加，形成更强的后向输出功率的信号，经隔离器(28)隔离和滤波器(29)滤波后输出光信号。4.根据权利要求1所述的基于光纤角度传感和高速通信的微小角振动测量系统，其特征在于：微弱信号检测电路，包括：Sagnac效应信号接收模块、相移器、光电探测器、前置放大器(30)、A/D转换器(31)、数字逻辑电路(32)、D/A转换器(33)、增益控制电路1(34)、D/A转换模块(35)、增益控制电路2(36)、相位调制器(37)；Sagnac效应信号接收模块，接收三轴光学系统敏感卫星的微小角振动产生的光信号，经过Sagnac效应，产生Sagnac相位差，送至相移器；相移器为反馈调节装置，将正负反馈调制后的相位差送至光电探测器，转换为光电流信号后输出至前置放大器(30)，前置放大器(30)对光电流信号进行滤波放大后送至A/D转换器(31)，将光电流信号模拟量转换成数字量进入数字逻辑电路(32)，数字逻辑电路(32)采取四态波调制的方法对数字量进行解调，同时将解调出的角速度误差信号做适当的增益变化后进行积分后分三路输出，一路作为微小角振动信号输出给信号处理与接口电路，另外两路组成闭环反馈系统，其中一路输出至D/A转换器(33)，转换为模拟量后进入增益控制电路1(34)进行电压调制；另一路信号积分后输出至D/A转换模块(35)，D/A转换模块(35)同时接收增益控制电路1(34)调制后电压，通过数字积分得到微小角振动的信号输出，同时也作为产生相位阶梯波的反馈相位台阶，将微小角振动信号和反馈相位送至增益控制电路2(36)，调整为合适的电压后施加给相位调制器(37)，最终使整个控制系统闭环误差信号趋近于零，相位调制器(37)将输入的模拟电压转换成反馈相位差，抵消Sagnac效应产生的相位差，实现闭环...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟峻仪，孟祥涛，向政，袁韬，杨克成，杨永斌，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11