本文是一篇代写工程硕士论文，本课题达到了设计目的，经过了系统性的测试与验收，但是对于本课题来说，还存在有较大发展空间。首先是高压供电电路输出纹波方面，虽然在电容类型与容量、开关管驱动电路方面做了设计，但是最终输出纹波仍旧有 5V 左右，除开硬件原因外，系统建模存在的误差导致补偿器并不能完全符合设计期望，也是纹波电压较高的因素。后期可对电路外围电路各部分精确建模，同时为电路增加消除噪声环节，如软开关技术的应用、闭环控制的优化等。
第一章 绪论
1.1 研究背景
当今世界，一个国家在航空、航天、军工等领域的科研水平，一定程度上反映了该国家综合实力，同时也关系到国家安全与利益。捷联惯性导航系统由于其优秀的姿态测量与定位导航等功能，成为航空、航天、军工等领域的重要基础。其中，捷联惯性导航系统的核心部分是激光陀螺，激光陀螺的性能优劣决定捷联惯性导航系统性能的高低，甚至影响惯导系统能否正常工作。如果激光陀螺性能不满足使用要求，则可能会出现航空器定位偏差、火控系统无法稳定瞄准等问题，给国家与人民带来损失。因此，各国都希望研制更高性能、更强稳定性的激光陀螺，助力本国航空、航天与军工等领域的发展，如美国军方的 F-22、F-35，前苏联的SU-30等战机以及波音公司的 B747、空客的 A320 等民用机，都采用高性能激光陀螺为核心的捷联惯性导航系统，为飞机提供姿态、航向、速度和位置等数据。
为了评估激光陀螺性能是否满足要求，需要对激光陀螺进行全面、系统的检测，而这需要专门的激光陀螺性能检测系统。目前世界上主要的激光陀螺制造方或者使用方都对激光陀螺的性能检测系统有着较强的现实需求，如拥有世界顶级激光陀螺研制水平的美国霍尼韦尔公司，最早提出激光陀螺性能检测系统方案并实际应用于激光陀螺性能检测。国内的清华大学、国防科技大学、航空工业 618所、部分军工厂等激光陀螺的研制方或者使用方，同样对激光陀螺性能检测系统有着一定的需求与研究。
1.2 激光陀螺原理
1.2.1 萨格奈克效应与信号读出原理
在激光陀螺问世之前，人们就可以利用光学原理测量物体相对于惯性空间的旋转角速度。其测量原理为萨格奈克效应[1]。萨格奈克效应可以描述为：在任意闭合光路中，从任意一点发出的沿相反方向传播的两束光波，绕行一周后回到该点时，如果闭合光路相对于惯性空间有旋转，那么这两束光波将会产生光程差（或相位差），并且其光程差（或相位差）与闭合光路的旋转角速度成正比。
图 1.1 所示即为环形谐振腔的运行原理图[2]，图内 1、2 代表在谐振腔内部的相反方向传播的两束光波（或称为行波），该谐振腔的半径为𝑅𝑅𝑘𝑘。以环形谐振腔为例，从环路中任取一段弧 AB，其长度为
激光陀螺的角速率输出信息包含在行波 1 与行波 2 的频率差中，为了得到频率差，需要分离拍频。为了达到这一目的，则必须在谐振腔结构添加合光棱镜，以便将两束相向的行波在光电倍增管的阴极相互叠加。
实现拍频分离的器件一般由光电倍增管、半透反射镜与直角合光棱镜构成。半透反射镜置于直角合光棱镜斜边并与其重叠，光电倍增管阴极面平行于合光棱镜的直角边，保证行波经过棱镜与反射镜后能够照射在光电倍增管的阴极面。
第二章 检测系统整体方案设计
2.1 激光陀螺待检测项目分析
激光陀螺的性能主要由零偏、零偏稳定性、随机游走系数等参数表示，陀螺输出信号的频率、幅值等参数也反映陀螺当前工作状态。此外，激光陀螺的扫模曲线关系到陀螺的谐振腔稳频效果[26]，也会影响陀螺工作性能。
因此，检测系统对激光陀螺的检测项目确定为：零偏、零偏稳定性、零偏重复性、陀螺工作电压、陀螺扫模曲线、陀螺输出双路正弦信号频率与幅值、陀螺温度以及随机游走系数共计八项检测项目。下面介绍各待测项目相关定义[26]：
（1）零偏：陀螺静态条件下，即输入角速率为零时，单位时间内陀螺输出信号所对应的角速率，单位为（°/h）。
（2）零偏稳定性：输入角速率为零时，测量一段时间内陀螺输出零偏值序列，并计算零偏序列围绕零偏均值的离散程度，显示该段时间内陀螺零偏的稳定程度，单位为（°/h）。
（3）零偏重复性：同样条件与间隔时间，重复测量陀螺零偏值，得到零偏之间的一致性，用于观察陀螺每次启动后性能是否相同，用零偏之间的标准差表示，单位为（°/h）。
（4）陀螺工作电压：陀螺阴极与阳极之间的电压差，单位为 V。
（5）陀螺扫模曲线：在要求电压范围内，规定电压调节步长，改变加在陀螺谐振腔压电陶瓷两端电压，测量陀螺输出腔长失谐信号电压，建立压电陶瓷电压——腔长失谐电压曲线，即为陀螺扫模曲线。通过该曲线可以寻找陀螺最优工作点所对应的压电陶瓷电压。
（6）陀螺输出双路正弦信号频率、幅值与相位差：陀螺的输出信号理论上为相位相差 90°左右的双路正弦信号，测量此信号的频率、幅值与正弦信号相位差，可以从侧面估计此刻陀螺工作状态。
2.2 激光陀螺待测项目测试方法
分析陀螺待测项目后，根据国军标 GJB-2427 对相关测试设备与方法的规定，以及企业对相关项目测试规定，明确本系统对激光陀螺待测项目的测试方法，各待测项目测试方法为：
（1）零偏：陀螺输出信号为双路正弦信号，信号相位超前或滞后表示陀螺旋转方向，超前或滞后的周期个数表示角速率，统计正弦波相位超前或滞后的周期个数不易实现，一般将双路正弦信号转换为双路脉冲，再对脉冲信号计数，最终计数值表示陀螺转动方向与角速率。
（2）零偏稳定性：测试设备与测试流程同零偏测试要求。
（4）陀螺工作电压：读取陀螺供电电压与陀螺阳极电压，两者之间压差即为陀螺工作电压。
（5）陀螺扫模曲线：测试设备为数字万用表与输出可调电压源，其中电压源输出范围 0~M 伏，数字万用表测量陀螺的腔长失谐信号电压。 测试流程为：设定电压调整步长为 s，将输出电压由 0 增至 M，记录每个电压值与对应的数字万用表读数，绘制输出电压与万用表读数曲线，提取并记录曲线所有极小值点。以上即为所测扫模曲线与陀螺最优工作点。
（6）陀螺输出双路正弦信号幅值、频率与相位差：测试设备为相关测量仪器，满足幅值、频率与相位差测量需求。测试方法为测量仪器直接读取相关参数。
（7）陀螺温度：温度通过 PT100 电阻传感器与外围电路测量，铂电阻温度变化时阻值变化，利用恒流源将阻值变化转换为电压值变化，采集输出电压即可得到陀螺温度。
（8）随机游走系数：测试设备同零偏，测试流程同零偏测试，以采样间隔为 t测得的脉冲序列为初始样本，在此基础上，采样间隔时间依次加倍，分别为 2t，4t，8t……从而得到新的序列，对每一序列分别计算零偏稳定性，再根据零偏稳定性序列求得随机游走系数。
第三章 陀螺高压供电电路设计 ............................. 21
3.1 电路技术指标、拓扑设计及器件参数计算 .......................... 21
3.1.1 Buck 电路参数计算 ..................................................... 23
3.1.2 开关管与二极管选型 .................................. 25
第四章 检测系统采集控制箱电路设计 ....................... 43
4.1 采样电路设计 ....................................... 43
4.1.1 高压信号采样 .................................... 43
4.1.2 低压信号采样 ......................................... 47
第五章 检测系统软件设计 ........................... 57
5.1 上位机与硬件通信设计 .......................................... 57
5.1.1 LabVIEW 与 NI-VISA.................................. 57
5.1.2 Modbus 协议数据交互 ........................... 58
第六章 检测系统测试结果与分析
6.1 陀螺性能测试环境搭建
激光陀螺对外部环境较为敏感，如室温的高低会影响陀螺在冷态启动情况零偏稳定所需时长，陀螺放置台周围辐射强弱同样会影响陀螺输出信号。因此激光陀螺对于系统测试环境有较为严格要求，根据国军标以及实际测试需求，规定测试环境为：（1）环境温度在 16~26℃之间；（2）陀螺置物台水平放置，台面平整无凸起，材质不反射辐射；（3）系统供电及高压设备应与陀螺保持一米以上距离。
系统设备全部置于机柜，测试平台电路板与采集控制板置于不同机箱中，设备机箱留有测试端口，统一为 BNC接口，其中电路测量点的输出电压为 0~5V，测量点能够满足对各电路关键参数全覆盖，传递陀螺输出信号的连接线尽量短，降低信号传递过程中可能存在的干扰。测试平台内部陀螺高压供电电路与其余功能电路如图 6.1 所示。
第七章 总结与展望
7.1 总结
激光陀螺结构复杂，涉及到光、机、电等学科，测试所需条件复杂，因而激光陀螺的性能检测系统设计无论是难度还是工作量都具有相当高的水准。笔者所参与的部分设计，从硬件部分高压电源的设计，到单片机 PCB 板电路设计，以及上位机程序编写，多次运行系统进行设备联调，最后由使用方测试验收。在此过程收获良多，且从结果来看，本系统功能较为全面，性能达到设计预期，能够满足使用要求。
本课题为某型激光陀螺性能检测系统设计与开发，系统以检测项目全面、检测效率与自动化程度高为原则，主要完成的工作如下：
一、设计激光陀螺的高压供电电路，根据陀螺供电要求，设计功率变换主电路，在此基础上，为了减小输出电压纹波以及提高电路动态稳定性，根据小信号建模方法推导电路传递函数以及控制系统模型，并根据系统开环响应设计环路补偿器，依据零极点补偿原则，提出双零双极补偿环节改善系统性能，通过 Simulink 验证补偿后输出，静态误差与动态响应均有一定提高，保证陀螺供电质量。
二、设计采集控制箱各功能电路，根据系统采集精度要求，分别设计高压、低压、小电流采集电路，后续 AD转换与主控电路打包数据后，经 RS485通信电路传递至上位机。此过程中对采样电路的输出误差、最大非线性度进行优化，确定合适的AD 转换位数与速率，设计通信电路中抗共模干扰部分，最大程度上保证整个过程中数据的精度与准确度。此外还设计了陀螺输出信号的滤波电路，在采样前的信号传输环节滤除噪声，提高信噪比以及后续环节数据准确度。
三、设计系统软件，在 LabVIEW 平台开发，包括通信、人机界面、自动测试、数据库连接等程序，通信程序根据 ModBus 与 NI-VISA协议读取硬件通信电路所传递数据，或者通过 SCPI 指令直接读取测试仪器测量数据，再进行数据处理、转换，完成数据的整体传递。人机界面显示系统整体工况并且用户指令也通过其采集。设计自动测试程序用于实现自动化测试以及测试效率高的要求，根据程序功能不同选择生产者消费者、JKI 状态机等架构编写测试程序，提高系统测试效率。
参考文献（略）