数字闭环光纤陀螺复位电压控制技术研究

在数字闭环光纤陀螺(FOG)中，2π复位电压的准确度直接影响到陀螺的标度因数精度，对提高陀螺性能起着重要的作用。中对2π复位电压对标度因数的影响进行了理论分析，并在此基础上提出了建立第二反馈回路以稳定2π复位电压的控制方法。     

双惯导联合旋转调制光纤陀螺标度因数误差自校正方法

旋转调制光纤陀螺航海惯导系统中,光纤陀螺标度因数误差会与地球自转角速度耦合产生等效的天向和北向陀螺漂移误差,也会与船体摇摆角速度以及惯性测量单元旋转调制角速度耦合产生短时动态误差,限制了长航时航海惯性导航精度。通过使用两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统进行联合旋转调制,提出一种光纤陀螺标度因数误差在线估计与自校正方法。根据两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统的水平旋转轴空间夹角关系建立观测方程,实现在线估计滤波。半实物仿真结果表明,自主导航过程中光纤陀螺标度因数误差在线估计精度优于1 ppm,利用输出校正方式在线补偿光纤陀螺标度因数误差导致的惯导定位误差,有效抑制了两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统定位误差的增长。实际转台模拟实验中,两套三轴旋转调制光纤陀螺惯导系统300 h纯惯性导航整体定位最大误差分别减小25%和40%。算法采用地心地固坐标系,因此也适用于极区导航情况。     

一种改进的双轴旋转惯导系统十六位置旋转调制方案

旋转调制方案是决定旋转式惯导系统导航精度的一个重要因素。针对双轴旋转调制惯导系统,为更好地调制各项惯性器件误差,提出了一种改进的十六位置调制方案。该方案不仅能够调制常值零偏、安装误差、对称性标度因数误差、非对称性标度因数误差,还能够有效地减小陀螺安装误差引起的速度和位置误差振荡。仿真结果表明,该方案能够将安装误差引起的速度和位置误差的振荡幅值降低至1/3;在目前的惯性器件水平下,采用该方案能够实现1 n mile/5day的定位精度。     

宽带光源光谱不对称性对光纤陀螺性能的影响

光谱不对称性是宽带光源的非理想特性之一,这种特性对标度因数的影响在中高精度光纤陀螺中会逐渐显现出来。为了分析光谱不对称性及其对光纤陀螺的影响,结合光纤陀螺所用宽带光源的典型光谱参数,对宽带光源的光谱不对称性进行了理论计算,分析了传统量化光谱不对称性方法存在的问题和局限性,并在此基础上提出了一种更加准确合理的光谱不对称性的量化指标。研究表明,光谱不对称性会产生相对相位误差,并在调制通道中产生视在增益误差,导致陀螺第二反馈回路"错误"调整调制通道的增益,引起光纤陀螺标度因数的非线性误差。对于类矩形光谱当不对称度小于10~(-2)时,视在增益误差引起的标度因数非线性误差会达到25′10~(-6)。因此在进行光源设计时需要将光谱不对称性作为一个定量考虑的指标。     

调制误差对谐振式集成光学陀螺性能的影响

采用LiNbO3相位调制器代替移频器可以明显提高调制的稳定性,但同时会引入相位调制波形失真产生的误差.分析了在采用正弦波开环相位调制技术对光路进行调制和解调时,相位调制器波形失真与陀螺输出特性的关系.通过数值仿真计算可知,调制波形的频率失真与由此引起的标度因数误差大致成线性关系;调制波形峰峰值波动引起的标度因数误差随着失真幅度的增大而急剧增大;并且当陀螺零偏为1 (°)/s时,要求调制波形频率失真小于0.07%,峰峰值失真小于1.5%,波形频率失真的影响为峰峰值失真的20倍.因此在陀螺系统设计中应保证调制频率的稳定性.     

激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响

谐振式光纤陀螺使用窄线宽激光器作为光源以得到较好的谐振特性,而激光光源线宽会受驱动电流、温度等的影响发生不同程度的展宽,从而影响标度因数。为探索激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响,利用光源与谐振腔的卷积模型建立陀螺谐振腔输出的解调曲线模型,基于该模型分析激光器线宽对陀螺谐振腔解调曲线斜率的影响,进一步得出激光器线宽展宽会非线性地减小标度因数的结论。完成了实验验证,并以半高全宽为300 kHz的谐振腔为例,给出了标度因数变化范围限制在1%以内时,激光器线宽需控制在3 kHz以内的结论。为谐振式光纤陀螺中激光器的选择以及驱动电路的设计提供了理论基础。     

光纤陀螺标度因数和线性度实验研究

本文推导了采用Ti∶LiNbO_3光波导相位调制器的闭环光纤陀螺输入输出特性的数学表达式,利用计算机对闭环光纤陀螺输出特性进行了仿真实验研究。结果表明,当施加锯齿波形电压进行光波相位调制时,由于实际锯齿波形存在失真,如存在回扫时间和设定峰值相位偏差,使得陀螺输出特性的标度因数和线性度具有一定的变化规律。我们参照西德IABG惯性实验室光纤陀螺测试方法,对闭环光纤陀螺样机输入输出特性进行测试,结果基本上反映了这种变化规律。     

光纤陀螺启动过程标度因数补偿方法

针对光纤陀螺启动过程标度因数变化大、稳定时间长的问题,提出标度因数补偿方案。分析了光纤陀螺启动过程中标度因数误差及超辐射发光二极管平均波长随温度变化误差产生的物理机制,建立了启动过程中标度因数误差的数学模型。进一步提出了一种通过测量温控电桥电路THERMIN端电压实时补偿启动过程标度因数的方案。试验结果表明,启动过程中(2 s内)光纤陀螺标度因数误差峰峰值从约25 000×10~(-6)降低到小于300×10~(-6),大幅提高了启动过程标度因数性能,满足了武器系统的快速启动需求。     

光纤陀螺标度因数迟滞模型分析与补偿技术

高精度惯性导航系统对由温度引起的光纤陀螺标度因数变化指标提出了很高的要求。采用温度补偿技术是一种提升标度因数性能的有效方法,其中建立精确且普适的温度模型是关键。提出并分析了光纤陀螺温度与标度因数模型的迟滞现象。通过分析和试验表明,标度因数模型的迟滞现象是由光纤陀螺结构的热不均匀性造成的,采用多温度点采样来修正标度因数模型的方法可以有效避免模型的迟滞现象,提升标度因数模型的补偿效果,使光纤陀螺可以适应各种温度变化的环境。在-40℃~+60℃范围内同时对光纤环圈和光源的温度进行采集,并利用光源温度与平均波长的关系来修正标度因数模型,通过模型修正可以将光纤陀螺全温标度因数稳定性指标由常规模型下的36×10~(–6)提升到12×10~(–6)。     

闭环光纤陀螺中铌酸锂相位调制器的附加强度调制及其影响

铌酸锂相位调制器是锯齿波调制闭环光纤陀螺的关键器件。本文就钛内扩散铌酸鲤相位调制器及其锯齿波驱动电路不理想而导致的边带抑制进行了理论分析和仿真研究。重点讨论了附加强度调制对边带抑制影响的特点，提出了减小这类误差应采取的技术措施。这为提高闭环光纤陀螺标度因数的线性度提供了理论依据。     

光纤陀螺标度因数的测试误差分析

为了进一步提高光纤陀螺标度因数的测试精度,对光纤陀螺标度因数测试过程进行理论分析,确定了影响光纤陀螺标度因数测试误差的主要因素,并进行了计算机仿真和实验验证。结果表明:由于安装误差、北向地速分量以及转台速率精度的影响,光纤陀螺测试起始位置和采样时间的选择均会给小速率标度因数不对称性和非线性度的测试带来误差,而大速率标度因数的测试基本不受影响;通过对各输入速率点进行整圈采样,可以有效地降低小速率标度因数的测试误差,使其测试精度提高1个量级以上,实现对光纤陀螺标度因数性能更加准确的测试。     

微机械陀螺同步解调灵敏度分析

介绍了微机械陀螺工作原理和敏感输出信号组成,针对敏感输出中含有正交误差信号和同相误差信号的情况,分析了基于单相锁定放大的解调方法对陀螺性能的影响,分析表明该方法会降低解调的灵敏度,使标度因数产生衰减,在电气噪声水平一定的情况下,会使陀螺的零偏稳定性变差。针对以上不足,研究了基于双相锁定放大的解调改进方法,首先采用两路正交参考信号测量敏感信号的相位,然后通过移相使一路参考信号和哥氏信号精确同相,进而解调得到角速度输出。分析表明,该方法可使陀螺标度因数达到最大,从而提高了陀螺灵敏度,有利于改善零偏稳定性。     

基于角速率积分法的光纤陀螺标度因数不对称度测量方法

标度因数不对称度是评价光纤陀螺的一项重要指标,对其进行精确测量在高精度导航应用中具有重要意义。传统的测试方法受转台速率控制精度限制,很难精确测量小于1×10-6的不对称度。首次提出基于角速率积分的标度因数不对称度测量方法。该方法给定转台正反方向转动的角度,由固定在转台上的被测光纤陀螺进行角速率测量,并对输出值积分,从而得到标度因数不对称度。该方法基于转台位置控制,避免了转速不稳定及正反向转速不对称等因素造成的影响。还对可能引起测量误差的因素进行了分析。最后采用角速率积分法测得高精度光纤陀螺标度因数不对称度小于1×10-6。     

连续旋转的光纤陀螺全温标度因数快速建模补偿方法

在全温范围内应用的光纤陀螺,标度因数误差是其主要的误差之一。特别是在大角速率或者高精度应用时,光纤陀螺的标度因数误差甚至超过零偏漂移误差。在实际使用中,需对陀螺标度因数在全温范围内进行建模和补偿。对光纤陀螺标度因数误差机理进行详细分析后,提出了一种连续旋转的光纤陀螺全温标度因数快速建模补偿方法。基于单轴速率转台的连续旋转,可以自动快速完成标度因数全温建模且工程实现简单易行。更重要的是该方法可以有效识别标度因数在全温范围内的变化拐点,提高建模和补偿的精度。对比试验结果表明,采用此方法后能精确测得某型光纤陀螺全温工作的标度因数真实拐点为48℃,全温标度因数补偿精度优于15′10~(-6),较按照GJB2426-2004进行的多点测试后补偿提高10%左右。     

双轴旋转式SINS自主标定技术

在双轴旋转式SINS中,惯性元件常值漂移误差对系统的影响可以得到调制,但安装误差和标度因数误差对系统的影响无法得到调制,同时这些误差会与旋转角速率耦合,引起速度锯齿波等误差从而降低了系统的各项性能指标。为了减少这种影响,分析了光学陀螺双轴旋转式SINS误差传播特性,利用奇异值分解法对系统的可观测程度进行了分析,经分析,与转动轴相关的安装误差和标度因数误差的可观测度较好,据此设计了系统的自主标定方案及滤波算法,进行了数字仿真和半实物仿真验证试验。试验结果表明,利用设计的自主标定方案,在1 h内能估计出转轴上两个陀螺的标度因数误差及与转轴相关的四个安装误差,估计精度能达到95%以上。导航试验验证表明,利用自主标定的参数,相对于传统标定方法,使系统定位精度提高了20%。     

旋转式惯导系统的标度因数误差效应分析

旋转式惯导系统的标度因数误差效应理论分析关系系统的设计和精度的提高。从旋转式惯导系统的误差传播方程出发,推导了光学陀螺旋转式惯导系统中由于标度因数误差引起的数学平台角度误差表达式,并以此为基础,分析了非对称性标度因数误差的自动补偿效应、地球自转与对称性标度因数误差的耦合效应、转轴方向上的标度因数误差效应等现象,最后得到了要减小或者消除这些误差效应所应该注意的原则和结论。分析表明,合适的双轴转动方案能够补偿全部三个陀螺的非对称性标度因数误差;采用三轴或者三轴以上的转轴,能消除对称性标度因数误差与地球自转耦合引起的导航误差;为防止对称性标度因数误差和转位运动耦合而引起的大的导航误差,应采用正反转相结合方案。     

一种电容式微加速度计标度因数温漂抑制方法

电容式硅微机械加速度计作为一种惯性传感器件广泛运用于导航系统,但其温度特性较差,制约其综合性能的提高。为进一步提高闭环电容式微机械加速度计的标度因数稳定性,针对标度因数的温度漂移问题,提出了一种标度因数温漂抑制方法。通过调节预载电压来抑制标度因数温度漂移,根据测温电路输出对预载电压进行调节。实验结果表明,在-30℃~60℃的温度范围内,加速度计的标度因数温度系数由补偿前的213.7′10~(-6)/℃降低至42.7′10~(-6)/℃。所提出的抑制方法使标度因数温度性能得以显著提高。     

光纤陀螺反馈回路非线性的影响与对策

在设计闭环光纤陀螺的过程中发现,数模转换器D/A以及Y波导等器件的非线性容易导致陀螺出现死区及标度因数误差。为此,从理论上分析了光纤陀螺反馈回路的非线性误差对光纤陀螺性能的影响。通过分析可知,当Sagnac相移小于反馈回路积分非线性误差引起的相位差,并且反馈回路的差分非线性误差较大时,则容易引起阶梯波不能正常复位导致死区,也分析了反馈回路非线性误差对陀螺标度因数误差的影响,并进行了仿真及实验。为了防止反馈回路非线性误差引起的死区问题,提出了一种在反馈信号中叠加均值为零的方波信号方法,并通过后续信号处理中的平均过程消除了反馈回路非线性误差影响。     

一种低精度惯性测量单元的精确标定技术

低精度惯性测量单元的温度特性和非线性严重，为补偿光纤陀螺的温度特性和非线性，通过高低温、多速率的标定实验研究了光纤陀螺输出电压与温度、转速的关系，采用零偏和标度因数统一标定的思想提出了光纤陀螺分段模型；为补偿MEMS加速度计的温度特^陛，通过高低温位置实验研究了加速度计输出电压与温度、输入加速度的关系，提出了加速度计分段模型。采用逐步线性回归对以上模型进行了简化。实时补偿效果表明，当温度从-30℃到60℃变化时，在±60（°）／s转速内角速度误差基本小于0．02（°）／s，加速度误差小于0．005g．     

光纤陀螺标度因数分段标定的工程实现

基于光纤陀螺标度因数存在非线性和不对称性,从工程实用角度出发,介绍了光纤陀螺速率标定方法,给出了光纤陀螺标度因数分段标定的工程实现方案,阐述了速率标定测试数据最优分段原则,找出了使分段标定后不连续光纤陀螺模型变成连续模型的解决措施.多个光纤陀螺速率标定的研究结果显示:分段标定能较大程度上减小光纤陀螺标度因数非线性度;利用实测数据进行离线导航计算的结果表明:对光纤陀螺标度因数分段标定能减小标度因数误差对导航精度的影响,文中分段标定方法切实可行.