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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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)。     

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。     

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。     

连续旋转的光纤陀螺全温失准角快速建模与补偿方法

在全温范围内应用的光纤陀螺,其输入轴失准角随温度的变化是影响光纤陀螺惯性系统性能的重要指标之一。特别是在大角速率或者高精度应用时,失准角的变化误差甚至超过零偏漂移误差和标度因数误差。采用温度补偿技术是一种提升光纤陀螺温度性能的有效方法,其中建立精确的温度模型是关键。提出了一种连续旋转的光纤陀螺全温失准角快速建模补偿方法。基于单轴速率转台的连续旋转,可以有效识别光纤陀螺失准角在全温范围内的变化拐点,提高建模和补偿的精度。试验结果表明,某型光纤陀螺全温输入轴失准角变化约14″,补偿后全温输入轴失准角变化小于1″,精度提高了一个数量级以上。在高精度光纤陀螺惯性系统中,该方法可用于指导光纤陀螺失准角的实时温度补偿技术研究及工程实现。     

基于有限变形理论的数值流形方法研究简

原有数值流形方法通过积累每一时步的小变形而得到结构最终的大变形,然而,当结构发生大变形、大转动时往往产生较大计算误差. 针对该问题,从动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发,引入流形方法的插值函数,建立了基于有限变形理论的数值流形方法. 通过对比改进前后流形方法的计算迭代格式,指出了原有流形方法计算大变形问题时的误差来源. 最后,通过大变形悬臂梁和旋转块体算例对有限变形流形方法进行了验证. 数值结果表明,改进后的流形方法能够很好地处理大变形大转动问题,消除了转动所带来的计算误差,其计算结果与解析解及ABAQUS 软件求得的数值解相吻合.     

基于有限变形理论的数值流形方法研究

原有数值流形方法通过积累每一时步的小变形而得到结构最终的大变形,然而,当结构发生大变形、大转动时往往产生较大计算误差. 针对该问题,从动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发,引入流形方法的插值函数,建立了基于有限变形理论的数值流形方法. 通过对比改进前后流形方法的计算迭代格式,指出了原有流形方法计算大变形问题时的误差来源. 最后,通过大变形悬臂梁和旋转块体算例对有限变形流形方法进行了验证. 数值结果表明,改进后的流形方法能够很好地处理大变形大转动问题,消除了转动所带来的计算误差,其计算结果与解析解及ABAQUS 软件求得的数值解相吻合.      

一种隐式结构MIMU设计及标度因数温度误差分析

高动态、恶劣温度环境的微型飞行器应用中,由温度引起的MIMU标度因数误差与结构安装误差的耦合问题非常突出,常规MIMU及其标度因数温度误差标定补偿方法不再适用。提出并设计了一种隐式结构MIMU,分析了温度对MIMU结构及标度因数的影响机理,建立了与温度二次项有关的MIMU角速度通道和加速度通道标度因数温度误差模型,并提出了“多温度点三方位正反速率和双方位正反角度”标定方法,解决了MIMU误差耦合问题。标定与补偿试验结果表明,隐式结构MIMU结构安装误差受温度影响非常小,而标度因数是与温度的二次项有关的;标度因数温度误差补偿后,MIMU角速度通道、加速度通道动态精度都得到了显著提高,验证了隐式结构MIMU设计及标定方法的有效性和优越性。     

光纤陀螺温度漂移多变量模型研究

—温度漂移大是光纤陀螺进入工程应用所面临的最大难题之一。本文采用软件手段，通过对光纤陀螺温度漂移测试数据的分析，建立了光纤陀螺温度漂移的多变量自回归数学模型。此数学模型于实际情况具有很好的吻合性，不仅具有理论意义且具有实用价值，为解决光纤陀螺的温度漂移奠定了基础。     

一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法

针对单轴旋转式捷联惯导系统中旋转轴方向惯性器件误差导致系统误差积累的问题,提出一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法,该方法不但可消除旋转轴垂直方向惯性器件误差对导航精度的影响,而且可减小旋转轴方向惯性器件误差引起的导航误差。基于单轴旋转调制原理,推导了非正交安装方法和正交安装方法的陀螺常值漂移和加速度计零偏在单轴旋转下引起的姿态误差,并对其进行分析,结果表明,在陀螺仪和加速度计常值漂移及零偏相同的情况下,非正交安装方法与正交安装方法相比,安装斜角为10°时72 h的定位误差降低约50%。     

Excitation symmetry analysis method (ESAM) for calculation of higher order non-linearities

A non-linear system with 3rd order non-linearity is fully characterized using symmetry analysis (SA) applied to the excitation, as it is done in 2nd order non-linear systems using the pulse inverted method. Symmetry analysis is performed using irreductible representations and the character table of C₃ rotation point group, which leads to the construction of three eigen-excitations allowing extraction of the 3rd order non-linearity parameter without the perturbation of fundamental and 2nd order terms. Validation of this concept is based on excitation symmetry analysis method (ESAM) which was tested on simulated noisy signals and compared with classical spectral analysis.     

超声散斑数字相关法应用于刚体面内转动测量的研究

在激光数字散斑相关法测量理论的基础上,阐述了超声散斑相关法测量的基本原理,并建立了相应的超声散斑数字相关实验分析系统。在实验分析时,首先应用模拟测量的方法对刚体面内转动对散斑场相关性的影响进行了分析;然后应用实验测量的方法再对此进行了分析;最后对刚体未知面内转角进行了实测。实验结果表明,刚体面内转动可测量的最大转角为9°,当转动角度为10°时,误差大于9%。实验中分别应用了爬山搜索法和相关系数拟合法来分别搜索整像素的位移和亚像素的位移。