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)。     

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。     

改善闭环光纤陀螺标度因数线性度的方法

当光纤陀螺的输入角速率较小时,其测量误差比较大,很难满足卫星等对测量精度要求较高的应用领域要求。文中主要从闭环反馈主回路探测器误差分析开始,分别从电子串扰、Y波导的非线性及D/A转换器的非线性等几方面,论述了在小角速率输入的情况下,分别对光纤陀螺标度因数非线性的影响,并且给出了改善的方法。试验结果显示,采取相应措施后,光纤陀螺的标度因数线性度有明显的提高。     

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。     

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。     

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。     

基于RBF网络的激光陀螺标度因数数据建模研究

前向神经网络中的径向基函数(RBF)网络是一种局部逼近网络,它用局部逼近的总和达到对训练数据的全局逼近,在理论上可以实现全局最优.该文利用径向基函数神经网络对某一温度段的陀螺标度因数的温度数据进行建模处理,并利用各组数据建立一种两因素RBF网络,这两个输入因素选择为温度以及各个温度值对于所属组初始温度的增量.仿真结果表明,所建立的两因素RBF网络可以精确地拟合各温度下的标度因数温度数据,仿真数据的误差与均方差比用BP网络训练的数据效果要好,在数值上提高了近一个数量级.     

光纤陀螺低温快速启动技术

光纤陀螺的启动时间与超辐射发光二极管(SLD)的输出性能密切相关。论文建立了SLD的ArcTan模型,并利用该模型分析光功率的温度敏感度和驱动电流敏感度。结果显示低温启动时,改变驱动电流可更快实现光功率稳定(与变温控制相比)。以此为指导设计了新型驱动电路,实现光功率自动控制,有效缩短光纤陀螺低温启动时间。论文描述了SLD的新型数学模型,设计出SLD的新型驱动电路。以低温(的40℃)启动时间较长(～8.5s)的陀螺仪表为应用对象,改进驱动电路后,该仪表可在2.5s内完成启动。     

提高旋转载体驱动微机械陀螺标度因数稳定性的算法

旋转载体驱动微机械陀螺是一种新型的振动式MEMS陀螺,它没有微机械陀螺通常所具有的驱动结构,而只有检测模态。它安装于旋转载体上,巧妙地利用了载体的自旋作为驱动,从而使得敏感质量获得角动量。当载体发生横向转动时,敏感质量将受到科里奥利力的作用。在进动力矩、弹性力矩和阻尼力矩的共同作用下,敏感质量将产生周期性振动。振动频率对应于载体自旋频率,振动幅度与载体输入角速度大小成比例。由此工作机理,得出了敏感元件的动力学方程,并基于动力学方程建立了陀螺标度因数的误差模型。接着,根据误差模型,对标度因数的稳定性进行了分析和实际测试。分析和实验数据说明,载体自旋频率的变化是造成标度因数不稳定的主要原因。为了保证陀螺测量精度,提出了一种抑制载体自旋频率变化对标度因数影响的补偿算法,提高标度因数稳定性。最后,针对该算法的有效性,进行了实验验证。实验结果表明,此种方法能有效地提高标度因数的稳定性,标度因数相对于自旋频率变化的影响因子由补偿前的1.31 m V/(°/s)/Hz下降至7.14×10-3 m V/(°/s)/Hz。     

重力梯度仪旋转加速度计标度因数匹配方法

旋转加速度计重力梯度仪为实现微弱梯度信号的测量,要求四个加速度计之间标度因数实时匹配。针对这一要求,在电磁加速度计工作原理的基础上,提出了标度因数外部粗调和在线调整的方法,设计了调整线圈并计算了不同位置相应的结果。仿真分析和实验结果表明,利用调整线圈可以实现加速度计之间的标度因数匹配。通过加速度计内部力平衡回路和外部反馈回路可以实现加速度计之间的标度因数在线实时匹配。     

基于拉格朗日插值的光纤陀螺时延补偿方法

针对光纤陀螺存在时延环节而影响了光纤惯组的导航位置精度的问题,从陀螺仪原理出发,分析光纤陀螺仪时延产生的机理以及不同方向陀螺仪时延特性与导航位置精度之间的关系。在此基础上,提出了基于拉格朗日插值的时延补偿方法,通过拉格朗日插值运算得到当前时刻的对准信息,从而实现了三个方向的陀螺仪输出的时间配准。通过仿真和多自由度导航试验验证,证明了该方法的正确性和有效性,该方法易于实现,通过补偿导航位置精度提高了21%。     

基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法

在光纤陀螺稳定控制平台应用领域中,光纤陀螺相位滞后及瞬态噪声严重制约着随动控制系统的控制品质。为了提高基于光纤陀螺随动系统的控制效果,研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法。首先,分析了由于死区补偿带来的光纤陀螺瞬态噪声,在此基础上研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法,并对该方法进行了理论分析。根据稳定控制平台对相位滞后和瞬态噪声的设定要求,通过一只数字闭环光纤陀螺进行了测试验证,测试结果满足系统对相位滞后和瞬态噪声的指标要求,瞬态噪声峰峰值为0.36(°)/s,并不随增益的变化而变化,验证了增益自补偿方法的有效性。     

基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法

传统光纤陀螺温度误差采用单一模型进行建模与补偿,存在模型适配性较差的问题。考虑到光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异,为提高光纤陀螺温度误差补偿精度,提出了基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法。设计了-15⁵0℃区间内温度实验,在大量实测数据分析基础上,将陀螺温度特性按照低、中、高三个温度区间,分别建立三种不同阶次的温度误差模型。采用分段拟合的方法进行误差建模,并利用所建模型对光纤陀螺进行了温度误差补偿。实测数据表明,提出方法能够有效改善光纤陀螺的温度漂移,补偿后漂移标准差减少66.67%。     

光纤陀螺随机漂移补偿中的数据融合方法（英文）

为提高光电平台的控制性能和稳定性,以平台反馈回路所用的光纤陀螺传感器为研究对象,对光纤陀螺角速率的历史输出、当前量测以及随机漂移进行融合补偿。采用双自回归模型确定了光纤陀螺时间序列输出的自回归多项式和光纤陀螺随机漂移的自回归关系。以陀螺当前输出为量测量,结合卡尔曼滤波算法将陀螺历史输出和历史随机漂移融合进状态方程,并进行随机漂移在线估计补偿。实验结果表明,光纤陀螺随机漂移的AR模型能达到90%拟合效果,经卡尔曼滤波补偿后随机漂移能降到1/10。该方法能很好地抑制光电平台三个框架轴光纤陀螺的随机漂移,补偿率为80%~90%。     

基于双模型的光纤陀螺温度补偿方法（英文）

基于Sagnac效应的光纤陀螺(FOG),因其自身的优点广泛地应用在捷联惯性导航系统中(SINS)。然而,温度对FOG的影响包括常值影响和随机影响,仍是制约光纤陀螺性能的关键因素之一。针对不同性质的漂移,首先建立基于相关性分析的多项式模型补偿常值漂移;然后结合时间序列分析的方法,利用Kalman滤波抑制经多项式模型补偿后残差信号中的随机成分,进一步提高FOG的精度。单轴光纤陀螺试验结果表明,传统的单多项式补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h仅提高到0.04(°)/h;采用常值和随机的双补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h提高到了0.01(°)/h。证明了双温度建模与补偿方法的有效性,在工程上有一定的参考价值。     

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。