大动态光纤陀螺标度因数双线性插值补偿模型

标度因数的温度特性和非线性是影响大动态光纤陀螺精度的重要因素,在航空、航天等对动态精度要求较高的应用场合需要对标度因数的温度特性和非线性误差进行补偿。通过对大动态光纤陀螺标度因数的误差分析,得出环境温度和输入角速率是影响标度因数误差的主要因素。建立了一种基于双线性插值的补偿模型,对大动态光纤陀螺的标度因数的温度特性和非线性进行综合补偿。在温度范围为-40℃~+60℃、角速率范围为0~7200(°)/s的条件下,标度因数误差由补偿前超过1.3′10~(-3)降低为小于5′10~(-6),标度因数精度提升了两个数量级,验证了补偿模型的有效性。补偿算法复杂度低,易于工程实现。     

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。     

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)。     

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。     

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.     

激光线宽对干涉式光纤陀螺性能影响分析

干涉式光纤陀螺的标度因数稳定性进一步提升受限于宽谱光源平均波长扰动水平,影响了其对于旋转速率的测量精度以及在复杂环境下的长期使用。采用中心波长更稳定的激光能有效提升光纤陀螺的标度因数性能,但是激光的线宽窄,会重新引入宽谱光源已经基本消除的主要误差源。针对以激光作为干涉式光纤陀螺驱动光源的应用背景,基于光物理场方程计算得出干涉式光纤陀螺中克尔效应、偏振耦合以及背向散射误差与激光线宽的关系,并定量分析出在激光谱宽范围内的各项误差源。此外搭建了光纤陀螺实验系统,分别以窄线宽激光和通过外部相位调制进行光谱展宽后的激光为光源进行静态测试验证。实验结果表明,不同光源线宽下陀螺的角度随机游走和漂移同理论模型一致,证明了模型的正确性,且光纤陀螺在展宽激光驱动下,可满足零偏不稳定性优于0.01?°/h的导航级需求。     

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。     

闭环集成光陀螺的2π复位误差分析

对于闭环集成光陀螺，工作环境温度的变化会引起其核心器件——集成光器件的2π电压的变化，陀螺的标度因数特性也会随之发生改变。众所周知，集成光器件的输出相移和加在集成光器件上的电压成正比，2π电压的变化是由集成光器件的调制系数变化引起的。该文量化地分析了调制系数变化引起的陀螺输出误差，算出了调制系数引起的陀螺标度因数的变化量，并与仿真结果作了比较。     

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。     

使用滤波器和探测器阵列的光纤陀螺光源平均波长漂移监测

为了提升光纤陀螺在工作温度范围内的标度因数稳定性,提出了一种使用滤波器和探测器阵列对光源光谱平均波长漂移进行实时监测的技术方案。光纤陀螺光源光谱通常为平滑的类高斯函数,理论上可以借助少数采样点在较小的误差范围内计算其积分值,因此可以测量光源几个特定波长处的光强,结合适当的数值积分算法,计算其平均波长漂移。以掺铒光纤光源的左峰(中心波长约1530 nm)为例,分析了滤波器参数以及积分方法对监测精度的影响,结果表明当初级滤波器带宽为5 nm,次级滤波器带宽为1 nm,采用Gauss-Legendre积分法时,计算值与测量值的误差小于0.2×10~(-6)。实时监测结果可用于波长反馈控制或标度因数补偿,进一步提升光纤陀螺的环境适应性。     

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。     

小型化光纤陀螺的轴向磁场误差特性建模方法探讨

小型化光纤陀螺的主要特点是光纤环径向尺寸逐步缩小,而轴向尺寸逐步增大,由此导致轴向磁场误差成为影响小型化光纤陀螺精度的重要因素之一。以小型化光纤陀螺轴向磁场误差特性为研究对象,依据光纤环中光纤的四极对称排列结构,提出轴向螺旋角展开分析法,利用Jones矩阵分别构建保偏型光纤陀螺及消偏型光纤陀螺的传输矩阵及轴向磁场误差模型,探讨光纤扭曲应力寄生圆双折射、轴向尺寸等因素与非互易性Faraday磁场相位误差的关系,得出光纤陀螺轴向磁场漂移误差的数学描述,以此为理论依据,探讨小型化光纤陀螺的轴向磁场误差因素,并提出相应的措施。     

激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振特性的影响

针对激光器光谱线宽不可能严格为零的问题,在激光相干理论的基础上,采用光波场叠加的方法计算了布里渊光纤谐振腔的循环光强,详细分析了激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振谱线宽度和精细度的影响,并进一步分析了光谱线宽对谐振腔受激布里渊散射阈值的影响,最后,引入了线宽压缩的概念分析了布里渊光纤陀螺的灵敏度。分析表明,除了耦合器插入损耗外,激光器光谱线宽也是影响精细度的重要因素,具体影响程度与激光器光谱线宽及谐振腔本征谱线宽度间的相对大小有关,受激布里渊散射阈值随激光器线宽的增加而近似线性增加,另外在其他参数相同的情况下,布里渊光纤陀螺的灵敏度比谐振式光纤陀螺高大约三个数量级。本文为布里渊光纤陀螺的光源选择及光路参数的优化设计过程提供了理论依据。     

光纤陀螺仪死区的原因分析及误差补偿

光纤陀螺的死区严重影响陀螺的性能和惯导系统的导航精度,有必要分析死区产生的原因并采取相应的补偿措施。通过改变前置放大器的放大倍数,发现不同倍数下的死区大小也有所不同,继而证实了导致死区的干扰的存在。此外还从理论上分析了死区的产生原因,结果表明电路中的串扰是产生死区的主要原因,从而提出了采用方波补偿来消除陀螺输出中的死区,并证实了方法的有效性。     

布里渊光纤陀螺克尔效应误差消除方法

针对克尔效应对布里渊光纤陀螺输出结果的影响,建立了基于方波调制的布里渊光纤陀螺克尔效应理论模型.分析表明,由克尔效应引起的陀螺误差不仅与光纤环内两相反方向光束的光强差有关,还依赖于两路泵浦光频率调制的幅度.通过适当调节两光束的频率调制幅度,可有效实现克尔效应误差的消除.该方法实验装置简单,对调制频率要求低,是消除布里渊光纤陀螺克尔效应的有效方法.     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

基于匀速率26位置法的iIMU-FSAS光纤陀螺仪标定

针对iIMU-FSAS光纤陀螺仪静态26位置法标定结果无法收敛的问题,提出了由外框轴提供稳定转速的匀速率26位置法标定方案,从理论上与静态26位置法进行了对比分析;采用该方法对i IMU-FSAS陀螺仪进行了多天的标定实验,结合静态26位置法有限次迭代的结果,对匀速率26位置法标定参数(零偏、标度因数和安装误差)的合理性和重复性等进行了分析。结果表明:与静态26位置法相比,匀速率26位置法的标定结果不仅能够收敛,且标定结果合理、性能稳定。     

双程前向结构掺铒光纤光源稳定性的实验研究

为了获得高稳定的光纤陀螺掺铒光纤光源,理论分析了平均波长受温度变化的影响因素,实验研究了双程前向(DPF)结构掺铒光纤光源平均波长温度稳定性。主要通过优化铒纤长度来减小铒纤的本征温度系数对光源稳定性的影响,优化泵浦功率使其引起平均波长的变化达到最小。最终获得了掺铒光纤光源在双程前向结构下的优化铒纤长度12.2m和优化泵浦功率150mW,对比分析了包括优化铒纤长度在内的三个长度下,不同泵浦功率对光源的平均波长、输出功率和谱宽的影响;测量了不同长度铒纤的本征温度系数,获得了平均波长稳定性为-0.452ppm/°C的双程前向光纤光源。     

布里渊光纤陀螺增大动态范围新方案

针对布里渊光纤陀螺动态范围较小的问题,在比较了以往各种方案动态范围的基础上,提出了一种基于光强补偿的布里渊光纤陀螺动态范围增大方案.该方案使用大功率窄带激光器做泵浦源,在光路中引入光衰减器以及分光比不对称的耦合器,并通过反馈回路对两路光光强进行实时调节,从而可以消除泵浦游走效应对布里渊光纤陀螺动态范围的影响.通过分析和...     

应用于三轴光纤陀螺中的双程后向ASE光源

根据三轴光纤陀螺的高精度需求,采用大功率高稳定性的高精度双程后向方案掺铒光纤光源。通过对ASE光源的理论分析建立数学模型,并根据所用掺铒光纤及泵浦光源的参数对光源进行谱型分析,确定光路方案。再以掺铒光纤和泵浦激光器的温度特性和补偿为研究重点,对掺铒光纤的长度和掺杂浓度以及泵浦功率和铒纤的匹配性进行试验,最终采用铒纤长度19 m,泵浦波长974.6 nm,泵浦功率140 m A,得到光源光功率为20 m W,平均波长变化量小于0.5′10~(-6)/℃,满足光纤陀螺对ASE光源的要求。