关键词：
光纤陀螺电路
国产化
SiP
集成化
小型化
摘要：
光纤陀螺作为一种全固态的角速度测量传感器,具有测量精度高、精度覆盖面广、抗振动能力强、启动时间快等优点,广泛应用在航天、航空、航海及军队武器等领域,在惯性导航中占据着举足轻重的地位。在我国,光纤陀螺及其惯性导航系统目前仍主要应用于军用领域,随着我国舰船、导弹、军机等持续列装,亟待实现其全国产化设计,实现光纤陀螺设计的自主可控。另一方面,近年来,小型飞行器、小型无人机、民用小飞机蓬勃兴起;在“微作战”发展浪潮中,更加小型化、微型化、智能化的武器装备不断涌现;在微小卫星的姿态控制、反坦导弹和中远程导弹等的导航控制和应用领域,对小体积、低功耗、高可靠性惯性导航器件的需求日益强烈,这决定了光纤陀螺仪重量更轻、体积更小、成本更低的发展趋势。而系统级封装技术将不同功能的有源器件和无源器件集中于一个单一封装体内,可以将多种功能压缩进更小的空间内,具有设计灵活、周期短、成本低的特点,开拓了一种低成本系统集成和电路小型化的方法。因此,针对光纤陀螺的小型化、低成本化趋势和自主可控设计需求,本文基于系统级封装技术,设计了一款低成本的光纤陀螺国产化集成电路芯片,实现了光纤陀螺电路的国产化、小型化和低成本化设计。
论文首先介绍了光纤陀螺及其电路系统级封装的基本原理,从Sagnac效应出发,阐述了光纤陀螺的二状态方波偏置调制方案和四状态偏置调制方案,以及解决反馈回路增益误差的第二闭环控制方案,进而介绍了光纤陀螺电路系统级封装的理论基础和设计思路。
其次,论文根据数字闭环光纤陀螺的电路组成结构和性能要求,详细分析了光纤陀螺电路各模块的设计要求,在保证裸芯片存在的前提下,对各模块芯片进行了国产化选型。基于选用的国产化元器件完成了光纤陀螺全国产化电路原理图和PCB的设计。
之后,基于VHDL硬件描述语言,论文针对所设计的光纤陀螺国产化电路设计了一种四状态调制解调数字闭环控制算法,并阐述了算法各功能模块的运行结果。运行结果表明,所设计的光纤陀螺算法在光纤陀螺国产电路上经过了验证并达到了较佳的性能。
然后,论文基于所设计国产电路搭建了光纤陀螺的整机系统,并根据国军标《光纤陀螺仪测试方法-2015》,阐述了光纤陀螺的常用性能指标及其测试方法,编写了用于指标分析的代码,完成了基于国产电路的光纤陀螺整机性能指标测试和标定。测试结果表明,所设计的光纤陀螺国产化电路在光纤长度为500m,光纤环直径为70mm的光纤陀螺上,三温零偏稳定性小于0.1°/h,标度因数非线性度小于30ppm,达到了战术级光纤陀螺的指标要求,与相同光路下,现存的进口电路陀螺对比,性能指标相当,验证了所设计国产电路的可行性。
最后,基于系统级封装技术,论文根据光纤陀螺的应用场景需求,综合考虑体积、散热、抗干扰等因素,使用裸芯片代替塑封芯片,对经过充分验证的光纤陀螺国产化电路进行了集成化设计,将光纤陀螺电路的所有芯片进行了封装。经过集成化设计后的光纤陀螺电路Si P芯片尺寸预估仅为14mm×14mm×1.95mm,大大减小了光纤陀螺电路的体积。经过热力学仿真实验验证,所设计的Si P芯片在结构设计上满足光纤陀螺的应用环境需求。
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