气密封装对光纤陀螺零偏误差和长期可靠性的影响

当前的应用领域对干涉型光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyroscope,IFOG,简称光纤陀螺)提出了较高的要求,如运载、航天领域要求光纤陀螺在变气压环境下精度不恶化,服役期限和存储环境要求光纤陀螺在高湿环境下可靠性高及性能稳定.而光纤对应力、水汽敏感,开放式光路结构的光纤陀螺在上述环境中性能不满足要求.通过分析气压变化对光纤陀螺零偏误差的影响以及水汽介质对光纤陀螺使用寿命、长期精度的影响,提出了对光纤陀螺光路进行气密性封装的方法.对两只气密性封装的光纤陀螺进行测试,气密性封装结构漏气率优于4×10-10Pa·m3/s,内部水汽含量低于5×10-6;两只光纤陀螺气密性封装后,在-40℃～60℃的温度范围内,零偏峰峰值降低了32.5％和31.0％,零偏稳定性误差降低了26.9％和22.2％;在变气压环境下,零偏峰峰值降低了95.3％和96.3％,零偏稳定性误差降低了96.2％和95.4％.测试结果表明,气密性封装能够显著提高光纤陀螺的精度和长期可靠性.     

光纤陀螺本征频率对准误差引起的零偏漂移抑制方法

在温度环境下,光纤环的伸缩及光折射率的变化等会引起光纤陀螺本征频率发生变化,产生光纤陀螺本征频率与陀螺调制频率对准误差,进而导致探测器信号中的“尖峰脉冲”信号发生变化,使光纤陀螺产生零偏漂移。通过分析光纤陀螺本征频率的变化,提出了一种调制频率自动跟踪本征频率的方法,从而减小了温度条件下光纤陀螺的零偏漂移。试验验证结果表明,采用该方法的光纤陀螺在-40℃～+60℃的温度范围内固定温度点下的零偏极差减小了50%。     

基于LSTM神经网络的机载光纤陀螺温度冲击误差补偿技术

环境温度冲击会降低机载光纤陀螺的性能,从而影响飞行器导航和姿态控制精度。在光纤陀螺误差机理研究基础上,本文提出一种基于长短期记忆（LSTM）神经网络的光纤陀螺温度误差补偿模型。该模型通过LSTM网络对光纤陀螺的零偏和标度因数进行实时预测和校正,提高光纤陀螺的测量精度。试验结果表明,在温度冲击下,LSTM预测模型补偿后的标度因数误差小于30ppm,零偏稳定性比常规的线性拟合补偿模型提高0.0034（°）/h。这意味着输出更准确地反映实际角速度值,陀螺仪的零偏漂移更小,输出更接近于零值。动态试验中转台输入为20（°）/s时,LSTM补偿后陀螺输出稳定在19.999～20.001（°）/s区间内,相较于陀螺原始输出误差降低0.008（°）/s。通过LSTM预测模型补偿,能够在环境变化、外部扰动或传感器故障时,通过陀螺仪提供更可靠的数据支持,维持飞行器的稳定性和安全性。     

泵浦激光频率波动对核磁共振陀螺仪 零偏稳定性的影响研究

本文研究了泵浦激光频率波动对核磁共振陀螺仪零偏稳定性的影响.通过分析核磁共振陀螺仪理论模型和自旋光泵浦极化129Xe的过程,阐述泵浦激光频率波动对陀螺仪零偏稳定性的影响机理.结果表明,泵浦光频率波动会导致核磁共振陀螺仪零偏稳定性下降约3个数量级.泵浦光频率波动是制约核磁共振陀螺仪性能提升的重要因素.     

广义回归神经网络在光纤陀螺零偏补偿中的应用

因测量精度高、制造工艺简单,光纤陀螺在惯性导航系统中获得了广泛应用,但是温度的变化会使光纤陀螺产生测量误差.针对光纤陀螺的零偏容易受到环境温度影响的问题,提出了使用改进的广义回归神经网络建立光纤陀螺变温零偏补偿模型的方法,有效改善了光纤陀螺的变温零偏稳定性.该模型采用果蝇算法寻找广义回归神经网络的最优光滑因子,提高了模型的拟合精度及计算效率.在相同条件下,对比分析了应用传统广义回归神经网络和改进广义回归神经网络对光纤陀螺变温零偏进行补偿的效果.结果表明,改进的广义回归神经网络模型补偿精度较传统广义回归神经网络模型提升了27％.     

光纤陀螺仪中尖峰脉冲引起漂移 的误差分析及其抑制

首次分析了光纤陀螺仪探测器输出信号中频率固定的尖峰脉冲对光纤陀螺 仪零偏漂移的影响机理,给出了尖峰脉冲影响光纤陀螺仪零偏漂移的误差模型;根据干 涉式数字闭环光纤陀螺仪探测器输出信号的特点,提出了一种基于高速集成模拟开关的 时域选通尖峰脉冲抑制具体实现方法,实验验证了尖峰脉冲引起的零偏漂移大小和理论 分析接近,表明了误差模型的正确性,同时表明该方法能够有效降低尖峰脉冲引起的光 纤陀螺仪零偏漂移。     

基于简化Mohr模型的光纤陀螺温度补偿方法研究

为了提高光纤陀螺温度补偿精度,采用Mohr理论建立了光纤环圈的热传递模型,准确分析了光纤环圈内部的温度变化和分布情况,计算得到了光纤环圈的Shupe误差。根据Shupe理论误差和陀螺仪输出的相关性分析,得到了最优的光纤环圈热传递参数。根据热传递参数建立了光纤陀螺温度补偿模型,完成了光纤陀螺的实时温度补偿,实际补偿后光纤陀螺仪变温精度提高了约3.4倍。     

基于多参量模型的光纤陀螺温度误差补偿

温度漂移误差是制约光纤陀螺精度的重要因素之一。针对传统光纤陀螺温度补偿方法仅对温度项建模导致补偿精度差的问题,提出了一种新型多参量模型来补偿光纤陀螺温度误差的方法。通过对陀螺零漂误差和温度各相关项进行相关性分析,将温度和温度速率的乘积项及温度梯度滞后项引入到温度漂移误差模型中,建立了多参量分段补偿模型对零偏进行补偿,显著改善了光纤陀螺的零偏稳定性。使用实测光纤陀螺数据对提出的补偿方法进行实验验证,结果表明采用该方法补偿后,零偏误差平方和降低2个数量级,陀螺漂移均值、方差稳定在零点附近,补偿效果优于温度项分段拟合方法,与非线性模型预测效果相当。     

高精度光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性研究

光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性表征陀螺1/f噪声或环境引起的其他低频漂移,并影响陀螺在系统中的应用性能。因此,分析Allan方差零偏不稳定性就具有重要意义,对Allan方差零偏不稳定性进行理论分析和试验验证,在理论分析的基础上采用了提高Allan方差零偏不稳定性的技术措施,测试结果表明,技术措施明显提高了高精度光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性。     

泵浦光功率对核磁共振陀螺仪零偏的影响分析

核磁共振陀螺仪中,泵浦光频率和功率参量会对陀螺性能产生重要影响。研究了泵浦光功率对核磁共振陀螺仪零位的影响,阐明了不同谱线加宽条件下泵浦光功率稳定性与核磁共振陀螺仪零偏稳定性的关系。结果表明,泵浦光功率改变0.7‰,陀螺零位变化0.41(°)/s,且缓冲气体压强增大可以减小泵浦光功率对零位的影响。     

基于惯性系的光纤寻北仪双位置寻北算法

由低精度光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)组成的寻北仪具有结构简单、成本低的优点,但易受地磁和车上复杂外部环境的影响.针对低精度FOG存在地磁零位,寻北仪对外部晃动敏感的缺陷,通过对陀螺进行地磁零位补偿保证陀螺零偏稳定性,在此基础上提出了基于惯性系的双位置寻北算法.算法分别在两个对位进行惯性系寻北,利用双位置对消原理获得不受陀螺固定零偏影响的方位角并完成水平陀螺固定零偏的估计.实验结果表明,陀螺零偏稳定性0.15(°)/h,加速度计零偏稳定性150μg的惯性器件精度下,车上寻北误差1倍标准差小于4.5mil、极差小于10mil、对准时间小于5min.与传统双位置算法相比,所提算法在晃动基座条件下具有对准精度高,环境适应性强的优点.     

光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。     

Pointing grade fiber optic gyroscope

Fiber optic gyroscopes (FOG) are solid-state rotation sensors that are appropriate for a wide variety of applications. In addition to becoming competitive with ring laser gyroscopes on new programs, FOGs are being manufactured to replace spinning wheel gyro technology in existing programs. The FOG brings with it the advantages of long life, high reliability, input axis stability, and low acceleration sensitivity. The AlliedSignal pointing grade fiber gyroscope was designed to replace a high-performance mechanical gyroscope currently made by AlliedSignal. Detailed passive thermal design, gyro assembly techniques, methods for rejecting light source intensity noise, and light source wavelength control are critical features that have been developed to produce a FOG with low noise, stable bias, and a stable and linear scale factor. Results of performance tests and error models indicate that these gyros have a capability for random walk of 0.0002 degrees/≠ hour and bias stability of 0.001 degrees/hour     

基于应力强度干涉理论和薄弱环节分析的光子晶体光纤陀螺寿命评估

在空间飞行环境中,航天器承受着各种环境的作用,而每种环境因素都在一定程度上影响着航天器的工作寿命。光子晶体光纤是一种新型光纤,其比传统保偏光纤更耐辐照,是长寿命光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)的首选,可以满足长寿命卫星的应用需要。将光纤陀螺特征寿命定义为强度,将热、辐照和振动等环境因素定义为应力,运用应力强度分析理论,采用最坏情况分析方法,分析了在常见应力联合作用下光纤陀螺的薄弱环节,评估了光纤陀螺的在轨工作寿命,验证了光子晶体光纤陀螺在某长寿命通信卫星上的适应性。分析结果表明,热和辐照是影响光子晶体光纤陀螺的重要因素。研究结论可用于有针对性地进行改进设计,为长寿命高可靠卫星提供技术支撑,具有显著意义。     

光纤陀螺标度因数及零偏温度误差补偿研究

首先分析了光纤陀螺产生温度误差的机理,在此基础上分别指出标度因数与零偏的误差补偿模型,提出了一种利用一组数据同时补偿标度因数及零偏的方法,直接表示输入与标度因数零偏补偿后的关系。最后通过实验验证了该方法不仅能够有效地补偿陀螺的温度误差,且其补偿精度优于原单独补偿的方法,同时该方法仅需一次温度实验,节省实验成本,具有较大的现实意义。     

基于角增量和矢量模值观测的光纤陀螺温度漂移参数分段估计

光纤陀螺捷联惯导系统被广泛应用于航空、航天、航海及陆地车辆定位定向等领域,对光纤陀螺输出误差进行补偿是提高导航精度的有效手段。温度漂移和常值零偏是影响光纤陀螺精度的两个主要误差来源,对角增量输出式三轴光纤陀螺捷联惯导系统的陀螺温度漂移及常值零偏误差参数估计方法进行了研究。针对光纤陀螺的温度漂移,提出了一种基于角增量的分段最小二乘估计方法,根据不同温度区间的特征使用低阶模型即可进行误差建模,估计结果相比整体估计方法更加精确,同时推导了各个温度段参数的边界条件,保证了温度漂移模型在不同温变速率条件下的连续性。针对三轴陀螺输出中包含的常值零偏,提出了一种基于地球自转角速度矢量模值观测的方法,可在不依赖高精度转台等外部基准设备的条件下对光纤陀螺零偏进行估计,可适用于高纬度地区及极区环境下的外场标定。通过温箱静置升温实验,对光纤陀螺惯导系统三轴角增量陀螺进行了温度漂移和零偏的估计与补偿,验证了提出方法的有效性。     

基于加速退化原理的光纤陀螺性能保持期评估方法研究

为评估光纤陀螺在长期贮存条件下的性能保持期,从光纤陀螺自身的特点出发,根据贮存环境的具体要求,详细分析了加速试验过程中试验应力及应力量值的选取,明确了试验样品的分配及具体试验时间估算方式。通过加速退化的手段得到样品的零偏和标度因数等数据,结合可靠性工程领域的成熟方法和理论,采用灰色系统模型和线性退化模型得到外推时间,计算Weibull分布的形状参数和寿命参数,并根据Arrhenius模型对光纤陀螺的性能保持期进行了预测。试验结果表明,采用ASE光源的0.01(°)/h量级的光纤陀螺,其性能保持期可以超过3a。     

双偏振干涉式光纤陀螺的多相位调制技术

在双偏振干涉式光纤陀螺的发展过程中，光纤环上的应力、扭转等会造成正交偏振态之间的交叉耦合，降低陀螺系统的稳定性。提出了一种基于双偏振干涉式光纤陀螺的六态方波调制技术并进行了理论推导。该技术与传统的方波和四态方波调制相比，降低了偏振交叉耦合误差，提高了信噪比，大大增加了信号解算精度。通过实验对比测试了干涉式光纤陀螺在不同调制技术下的偏置稳定性。实验结果表明六态方波调制技术的偏置稳定性达到了9.85×10-4（°）/h，验证了六态方波提高信号解算精度的效果。     

基于组合导航技术的光纤捷联系统在线标定

 将光纤捷联系统惯性测量单元（IMU）输出误差分解成零偏误差、标度因数误差、失准角误差和随机白噪声几个部分,建立了系统误差模型,基于此模型设计卡尔曼滤波器引入高精度外部信息源对IMU进行在线标定。将此方法应用于某光纤捷联系统进行跑车试验,结果表明：引入外部信息源进行在线标定与补偿后系统纯惯导精度显著提高,本文建立的系统误差模型和在线估计方式有效估计了IMU输出误差,实现了系统在线标定,提高了系统实用精度。     

数字闭环光纤陀螺的调制串扰误差

 通过分析数字闭环光纤陀螺的阶梯波调制信号与输出死区、周期噪声干扰及小角速度漂移的关系，提出了调制串扰误差的概念。指出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及调制信号产生的调制误差是产生调制串扰误差的干扰源。将调制串扰通道模型简化为比例环节和部分积分环节，并和光纤陀螺理想模型结合，建立了光纤陀螺调制串扰误差模型，利用该模型推导出了产生死区的条件及周期噪声干扰和小角速度漂移造成的输出偏差表达式，并对周期噪声的幅值、频率与陀螺输出量级、带宽之间的关系进行了定量分析。调制串扰误差的仿真和实验结果与理论分析结果基本一致，验证了调制串扰误差模型的正确性。