光纤陀螺温度影响与误差补偿

温度性能是光纤陀螺工程化面临的难题之一,建立温度模型是提高光纤陀螺温度性能的有效方法.从理论上推导了光纤陀螺零偏、标度因数温度误差是由于热作用于光纤环导致光路非互易性所引起.分析了光纤陀螺热源产生的两个主要原因:光纤陀螺内部有源器件工作过程中产生的热;外界环境温度变化引起光纤环内部温度场分布变化.二者对光纤陀螺的影响是随机的,引起的光纤陀螺零偏漂移和标度因数误差可以通过建立温度模型进行补偿.采用线性回归方法,建立了光纤陀螺零偏温度漂移模型和标度因数温度模型,对光纤陀螺输出数据进行补偿,有效改善了光纤陀螺温度性能,实验验证了模型的正确型和补偿算法的有效性.      

光纤陀螺光纤环Shupe误差的多参数影响仿真分析

在光纤陀螺Shupe误差数学离散公式的基础上,建立四极对称法绕制光纤环的有限元模型,分析多材料组成下的光纤环在仿真时所需的综合物性参数.结合光纤陀螺工作环境的载荷和边界条件,对某型光纤环进行数值仿真,定量分析了光纤陀螺在工作温度下光纤环的Shupe误差,验证了模型建立的正确性.在此条件下,分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响.结果表明:通过增加绕制层数,提高导热系数,合理布置热源,可以明显抑制光纤环的Shupe误差,从而提高光纤陀螺的温度性能.      

光纤陀螺随机误差模型分析

陀螺仪的工作精度决定着惯性参考系统的精度,为了减小陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估计与精确建模.提出应用ARMA,Allan方差分析法及功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)分析法联合对光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)的误差特性及建模技术进行了研究.利用Allan方差及PSD分析法对光纤陀螺输出信号的分析,有效地分离并确定影响光纤陀螺输出性能的几种主要随机误差源,并对所建立的光纤陀螺ARMA模型和AR模型的精度进行了评估.对光纤陀螺实测数据的分析表明Allan方差分析法与PSD分析法对光纤陀螺噪声分析结果具有一致性,时序ARMA模型是建立光纤陀螺随机误差模型的一种有效方法.      

基于AR模型光纤陀螺温度建模方法研究

针对光纤陀螺随机误差信号特点,在分析其一般时间序列模型的基础上,将AR建模方法运用于随机误差信号的建模,得到陀螺随温度变化的真实趋势,然后利用数学方法建立陀螺的动态温度误差模型,对陀螺的输出进行实时补偿.经过仿真分析表明,通过以上方法的处理后,陀螺在-20℃～50℃全温范围内的零偏极差不超过0.2(°)/h,大幅度提高了陀螺的精度性能.     

光纤陀螺随机漂移误差补偿适用性方法

针对传统方法在建立时间序列模型基础上应用卡尔曼滤波器去除陀螺随机噪声误差的缺陷,提出了一种适于在线补偿光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyrosope)随机误差的滤波方法.当建立的时间序列模型系数出现偏差时,通过引入虚拟噪声,来补偿滤波过程由于系统模型时变和未知噪声而引入的误差,实现了对陀螺随机漂移误差的高精度滤波处理.其次,利用Allan 方差分析法分离并确定了光纤陀螺的主要随机误差源,并对建立的光纤陀螺时间序列模型及滤波方法的适用性及精度进行了评估.通过对光纤陀螺实测数据的分析表明,速率斜坡、速率随机游走和零偏稳定性为FOG的主要随机噪声,所提出的自适应滤波算法能够适应陀螺漂移的时变特点,是一种有效的去除光纤陀螺随机漂移噪声方法.      

光源光谱对干涉式光纤陀螺零漂的影响

以采用Y波导集成光学调制器的保偏型干涉式光纤陀螺(IFOG,Interference Fiber Optic Gyroscopes)为研究对象,根据各光学元器件的参数,建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,在此基础上进行了光路偏振误差的理论分析.通过推导,得到了保偏型干涉式光纤陀螺的偏振误差表达式.首次借助光源偏振度的改变,分析了不同形状的光源光谱对偏振模式耦合误差引起的陀螺零漂的影响.通过计算得出,当光源的偏振度在0~3%之间呈线性变化以及光路中其它参数不变时,谱宽较窄的光谱引起的零漂较大,谱宽较宽的光谱引起的零漂较小.仿真结果给光纤陀螺光源光谱的选择提供了理论依据.      

光纤陀螺随机漂移模型

随机漂移是光纤陀螺的主要误差,建立数学模型在输出中补偿是抑制该项误差、提高光纤陀螺精度的有效方法.光纤陀螺静态输出为随机过程,对该随机过程的平稳性和正态性进行分析,拟合趋势项、周期项并补偿,使其成为平稳随机序列.采用时间序列分析法建立光纤陀螺随机漂移模型,根据随机漂移自相关和偏相关系数的特性辨识模型的类型和阶数,利用最小二乘方法估计模型参数,得到光纤陀螺随机漂移模型为AR(2).对陀螺输出数据补偿,检验模型的适用性.结果表明,该模型具有很好的适用性,能够有效抑制随机漂移,提高光纤陀螺精度,可以作为惯导系统卡尔曼滤波器状态变量的数学模型.      

基于掺铒超荧光光纤光源的高精度光纤陀螺

针对高精度光纤陀螺的需求,采用一种在1?550?nm波段长波反射的截止型薄膜滤波器研制出高性能的掺铒超荧光光纤光源,通过仿真确定了滤波器的特征参数,在-40℃~+60℃的温度范围内,光源中心波长稳定性为2.58×10^-6℃,输出功率稳定性优于1％.研究了这种光源的强度噪声,并采用一种噪声相减技术对光纤陀螺的噪声进行抑制,光纤陀螺的随机游走系数减小约20％.在此基础上,研制出高精度闭环全保偏光纤陀螺样机.Allan方差分析显示,研制出的样机零漂为0.004?5(°)/h、随机游走系数为0.003?5(°)/h ^{1 2} 、标度因素误差小于11×10^-6,已能满足高精度陆用惯性系统的要求.     

基于光纤陀螺的保偏光纤热致双折射

针对光纤陀螺在温度变化条件下的性能恶化问题,理论上分析了保偏光纤的热致双折射引起的偏振耦合是局限光纤陀螺精度的主要因素.采用有限元法计算光纤线圈在不同温度下的应力分布,并根据高低温不同的应力状态分别推导了双折射的变化情况.在光纤陀螺工作温度范围内,选取6个典型温度点计算光纤环上热应力和消光比的变化,结果显示,干扰双折射随温度变化的减小而减小,并将理论计算结果用测试消光比的试验验证.研究表明,双涂敷层光纤、胶粘剂、陀螺金属骨架材料的热力学性能的差异,导致光纤线圈在不同温度下折射率改变.在60℃时,光纤折射率差约为1×10^-4,与光纤本征折射率差5.5×10^-4达到同一个量级,这将严重影响光纤保偏性能及陀螺精度.     

数字闭环光纤陀螺死区非线性机理

死区非线性是数字闭环光纤陀螺的非线性误差之一,抑制死区非线性可以减小数字闭环光纤陀螺的输出噪声和漂移.分析了死区与分辨率和阈值的关系,给出了数字闭环光纤陀螺死区的定义和测量方法.提出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及进入相位调制器的调制误差信号是产生死区的干扰源.给出了干扰信号的频率和相位特征,并分析了干扰信号跟踪、锁定输入信号的过程.将反馈干扰通道的部分积分模型和理想的数字闭环光纤陀螺模型结合,建立了带死区的陀螺模型.基于陀螺模型及相位调制信号与死区的关系,推导出了死区产生的条件及死区造成的陀螺输出偏差.死区影响因素的仿真结果和实验结果验证了陀螺模型和死区产生条件的正确性.      

基于热电类比法的光纤陀螺环模块热分析

为分析光纤陀螺（FOG,Fiber-Optic Gyroscope）受外界环境变化温度影响导致产生Shupe误差,采用热电类比法对不同结构形式的光纤环（FOR,Fiber Optical Ring）模块进行热分析,比较对应的电路模型,提出并联的热容和串联的电阻是影响FOG温度性能的关键因素.采用有限元热仿真定性分析了并联的热容和串联的电阻对FOG温度的影响,验证了电路模型的正确性;在与热仿真相同条件下,通过温箱实验,将FOR温度变化与FOG输出性能建立关联.结果表明,通过加大FOR模块连接处的串联热阻和并联热容,可有效降低FOR的瞬时温差,尤其是较大的热容能有效减小FOR温变速率,从而减小Shupe误差,改善FOG的温度性能.      

光纤陀螺光源驱动技术

为提高光纤陀螺精度, 实现光纤陀螺工程化,设计了高精度恒流源及精密温控电路,用于光纤陀螺光源驱动.结合光纤陀螺特点,讨论了从光纤陀螺耦合器和探测器提取信号进行光反馈控制的方案.测试结果表明, 在变温环境下(-20℃～55℃),恒流精度达到0.06%, 温控精度达到0.1℃,光源出纤功率的变化在0.1%范围内,较通用的光源驱动电路提高了一个数量级.     

卫星用光纤陀螺三轴组合的关键技术

研究了空间环境对光纤陀螺各项指标的影响,设计了一种新颖的卫星用光纤陀螺三轴组合.针对空间辐射、温度循环和真空环境对光纤陀螺的影响进行了模拟实验,通过分析实验数据得到了空间环境对光纤陀螺主要参数的影响机理.利用最小二乘滤波的方法建立了偏置误差模型,利用查表法建立了标度因数误差模型,并用现场可编程门阵列(FPGA)实时进行零偏和标度因数补偿,补偿后陀螺输出零偏稳定性为0.1(°)/h.同时详细分析了陀螺在空间低角速度环境下产生死区的原因,并利用周期相位扰动调制的方法消除了死区.在卫星用光纤陀螺三轴组合的设计中,实现了光源复用和冗余、空间主动和被动防护措施、在轨故障诊断等技术.      

BP-AdaBoost模型在光纤陀螺零偏温度补偿中的应用

针对光纤陀螺零偏漂移随温度呈复杂的非线性变化,建立了BP-AdaBoost（Back Propagation neural network,Adaptive Boosting）模型对零偏进行补偿,改善了光纤陀螺的零偏稳定性能.同时,研究了模型参数对预测精度的影响,给出了BP神经网络隐含层神经元个数的选择以及AdaBoost模型迭代次数的确定方法.运用AdaBoost算法提升单个BP神经网络的预测能力,提高了集成模型整体的预测精度.对采集的光纤陀螺输出实测数据进行了事后仿真,结果表明,BP-AdaBoost模型相比传统的线性回归模型、混合线性回归模型、单个BP神经网络模型的补偿效果更显著,验证了该模型的有效性,具有重大的工程应用参考价值.      

磁悬浮控制力矩陀螺热-结构耦合分析与研究

作为新型航天器姿态机动执行机构,磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)长时间工作在高真空环境下且高速转子完全悬浮,散热条件差,系统温度过高,导致陀螺组件产生较大的热应力,降低了陀螺结构部件的强度。为减小温度场对陀螺结构部件强度的影响,提高陀螺结构的可靠性,采用有限元法计算出磁悬浮控制力矩陀螺工作状态下的温度场,并基于温度场分析陀螺结构部件的应力分布情况,明确温度场对陀螺结构部件力学性能产生的影响。建立了陀螺热网络模型,根据热网络模型与热网络方程分析热量传递路径及温度影响因素,并提出相应的优化措施。经优化,定子组件最高温度从66.5℃降至49℃,转子组件最高温度从91.7℃降至76.9℃。陀螺定子组件的强度安全系数由1.52提升为1.73,提高了13.8%,陀螺转子组件的强度安全系数由1.32提升为1.56,提高了18.2%。      

数字式精密温控对FOG IMU性能的影响

以战术级光纤陀螺(FOG, Fiber-Optic Gyro)惯性测量组合(IMU, Inertial Measurement Unit)为研究对象,分析了环境温度与其测量精度的关系.为抑制外界温度对IMU的干扰,提出了一种实用的IMU温度控制方法,即根据IMU的热分析与仿真,优化温度控制方案和控制算法,并依此方法为IMU设计了基于模糊PID(Proportion Integration Differentiation)算法的数字式温控系统,研究了有温控和无温控对陀螺和加速度计测量精度的影响.试验表明,对IMU进行精密温控,改善了惯性器件的热环境,有助于提高IMU的综合性能.