硕士论文光纤陀螺视线稳定系统的设计与工程实现-第3章光纤陀螺

1、时间：2021.02. 11第三章光纤陀螺温漂补创作：欧阳计3.1光纤陀螺性能指标光纤陀螺是FOGSS的关键性元件。它的精度最终决定 了系统能做到的最好性能。因此，对光纤陀螺仪作细致 的误差处理是很有必要的。FOG在静止状态下，其输出 可以看作是一个噪声信号和一个缓慢变化的均值（零 漂）信号的叠加，并且受温度和初始启动条件的影响极 大。但是光纤陀螺的温度特性不是没有规律的，通过一 定的补偿算法，可以大大提高其性能，从而达到应用要 求。其他性能指标有：标度因子的线性度和稳定性。这 两个指标在捷联稳定装置中会影响FOG的测量时的精 度，一般来说，对于中低精度的光纤陀螺，这两项指标 是很难提高的，所

2、以稳定装置中较常用的稳定配置方式 还是平台式稳定。对于平台式稳定，它对陀螺的基本要 求就是在陀螺零转速信号的工作特性好，对标度因子没 有什么苛刻的要求。分析光纤陀螺性能的主要工具是谱 密度方法和Allan方差法咧a】。以下是光纤陀螺主要 指标的简单描述，为后而温漂补偿前后陀螺性能提供一 个比较的依据。1. 零偏B。零偏指的是在温度恒定、陀螺相对惯性系静止情况 下，陀螺残余信号中的直流分量。实际上，零偏不是恒 定的，它还受温度和其他因素（如强磁场）的影响。由 于坏境温度的随机变化，使得零偏也是一个慢变的随机 过程，反应的是陀螺长期的漂移特性，单位。/刃。其计算 近似可以表示为80 = （3 1）

3、S”式中 F :陀螺静止时输出量的平均值。陀螺的标度因子bit/ /ho欧阳计创编由反应零偏变化所派生出来的指标有a)零偏稳定性(bias stability) B这一项指标反应的是陀螺静止时输出的波动幅度。1/2B、=(3-2)n为米样次数，斥为陀螺静止时的输出量。b)零偏重复性(bias repeatability) : /h1/2(3-3)式中Q：重复测试的次数;%：第i次测试的零偏;5()：零偏平均值。c)零偏温度灵敏度(bias temperature sensitivity) Br: /h/C(3-4)式中九：第i个测试温度点陀螺的零偏;G第i个测试温度点的温度值;欧阳计创编2.

4、角随机游走（ARW）为光纤陀螺的带限白噪声。一般来说，光纤陀螺的 输出信号中，这种噪声的功率谱密度在陀螺工作带宽内 可以认为是常值。角随机游走可以用单位带宽输出角速 率的方差的平方根（单位带宽的噪声方差的平方根）来衡量，单位为或。/亦。ARW =RMSJW（3-5）其中，ARW与RMS分别为角随机游走系数和陀螺输 出带限白噪声信号均方差，W为陀螺带宽。该项噪声的时间平均值与积分时间的平方根成反比,而按时间积分造成的角度漂移为30 = 2RMSxyi（3 6）随机游走系数可以这样计算：在初始样本序列基础上，依次成倍加长采样时间间隔如下式所示：T = k“ ,可初始采样时间间隔，z采样时间间隔,k

5、=l,2z.由相邻两个采样时间内的样本均值再组成新的样本序 列，并求相应新序列的陀螺零偏稳定性B (r) o用最小二乘 法拟合，B、. (r) = a0 + q () + 2(|)2(3 7)求出模型系数，随机游走系数尺昶=叶2。32输出误差模型分析光纤陀螺的模型可以用下图简略的表示3】。图32光纤陀螺输出模型Figure output model ofFOG其中F：输出脉冲速率(bit/s)I：惯性角速度输入;S”:标称标度因子;标度因子非线性误差项，与温度有关；E :环境影响项，其大小为 E =QW + D.空+万分空；t dtdtMT :与温度变化有关的环境敏感项；D？ 与温度变化速率有

6、关的坏境敏感项；t dtD.rt：与坏境温度梯度变化速率有关的环境敏感项； dtD：与初始启动有关的随机漂移项，其大小为 D二 Df+Dr+Dq；Df :零偏；Dr：随机游走项；dq：量化噪声。从图31中可以看到，影响光纤陀螺测量精度的主要因素有：1）环境温度。温度变化、温度变化速率、温度梯度变化速率对陀螺漂移都有影响。2）与不同初始启动条件有关的随机漂移。3）量化噪声。可见，许多方面的因素影响陀螺的输出。单单环境温 度对陀螺的影响也是多方面的。这就使得补偿算法复杂 化，并且由于实验条件得限制，一些测试条件是简陋或 不精确的。但是实际系统总有一定工作条件的，通过假 设，提出一些合理限制，就可以

7、简化补偿算法。根据系 统运行的实际环境，可以假定1）系统在正常运行之前己经预热。2）环境温度的变化是缓慢的，温度变化速率和温 度梯度变化速率很小，可以忽略。在以上两个假设之下，下而将考虑通过实验的方法来 处理环境温度对陀螺性能的影响。3.3温漂补偿实验条件由于陀螺漂移是比较缓慢的，因此实验的采样频率可 以比较低。实际采用的采样频率为lHZo采集的速度数据 是陀螺以100Hz的输出频率输岀的速度数据在1秒钟的 时间间隔范围内求和。实测数据预处理图3-2光纤陀螺的输出角速度温度曲线图Figure 32 output of the FOG vs. temperature图3-2显示了补偿前陀螺静止时

8、的输出曲线。经计算 得出，补偿前陀螺的性能为零偏：当温度在14SC-42C之间缓慢变化时，零偏变化的峰峰值 0.046 /$ (144 /?)零偏温度灵敏度：0.00089/5/C(3.2/7/C)图3-3为陀螺静止时输岀数据的频谱图，采样频率 lOHZo由于陀螺温度漂移变化缓慢，由实测数据频谱可 知，低频分量在0.04Hz左右即已截止，因此温度漂移补 偿每5秒进行一次即可。为减轻计算负担，取5秒内的 时间平均值作为采样值，并利用一阶惯性环节(带宽 0.04Hz)对采样速率信号滤波。该滤波器的数学模型为 *)=浮弓，采样周期5秒。13z-3图3-3光纤陀螺输出角速度频谱图Figure33 th

9、e spectrum of the FOG output3 陀螺温漂补偿1）补偿的目的温度补偿的目的是减小零偏中的确定性分量、零偏温度灵敏度。陀螺的其它指标如在温度恒定情况下的 零偏稳定性、零偏重复性、随机游走系数，由它们的 计算公式可知，是无法通过补偿进行改进的。另外， 当采用平台式稳定配置时，由于陀螺在使用中只工作 在零点附近，标度因子非线性和对称性也无需补偿。2）补偿方法补偿分为两步，首先要消除由陀螺逐次启动初始条 件造成的不衰减的常值偏移，然后进行温度补偿，减 小温度变化对零偏的影响。3）补偿算法由图3-1可以看出，陀螺温漂本身的重复性比较 好，因此可以用较为简单的补偿模型进行补偿。在

10、这 里，采用分段折线进行拟合，(3-8)KT 七 R)hT Th& = Km + R叶 T,T Rw :瓦=40.82、心=-114妙、Km = 10.45、Rg = -20Q3劝、K, = 33.86、R“ = J3229hit, 三条 直线交点的横坐标为236C和30Co考虑到实验所用 的数据是1秒内采样数据的和，陀螺实际输岀频率为 100Hz,做速度补偿时陀螺输出是Figurel纵坐标单位 的0.02倍。由此可以确定补偿用的折线模型为：0.4082x7-1 1.492730C（bit） = 0045x7-2.003 23.6C T 30C（3 11）0.3386x7-7.323T23.6

11、C补偿后的残差曲线：图3-4补偿后的光纤陀螺输出角速度温度曲线图Figure 3-4 FOG output vs. temperature after compensation上图为采用折线补偿后的陀螺输岀。图3-4的纵坐 标单位是陀螺输岀数据单位的100倍，横坐标为温 度，单位摄氏度。由图可以看出，补偿后陀螺输出数 据的漂移在土 2.5/9/7（40.0076 /s）的范围内。且该漂移随着温 度的升高的变化比补偿前（图3-2）小的多。当温度在 15到42摄氏度之间变化时，陀螺输出变化的峰峰值 己由补偿前的0.04 / 5降为0.00163/5，减小了 96%。陀螺 零偏的温度灵敏度也有相当大

12、的改善，由式（3-4）式 计算可知，补偿后由原来的0.00089/5/C降为 0.000107/5/c o S 3-5是补偿后陀螺漂移率随时间的变 化曲线。与补偿前的陀螺漂移速率曲线（图3-6）相比 也有明显的改善。漂移率由原来的大约0.02。降为O.OOS/s o图3-5补偿后陀螺漂移角速度曲线Figure 3-5 curve of drift angle rate after compensation图3-6补偿前的陀螺漂移角速度曲线Figure 36 curve of drift angle rate before compensation将此漂移角速度数据积分，即可得到陀螺漂移角度 随

13、时间的变化曲线，分别如图37,图38所示。由图 可知，无论长期漂移（5小时）还是短期漂移（1小 时）都有明显改善。图37补偿后的角度漂移曲线图Figure 37 drift angle after compensation图38补偿前的漂移角度曲线图Figure 38 drift angle before compensation4）补偿后陀螺性能：零偏：当温度在14C-42-C之间缓慢变化 时，零偏变化的峰峰值为：0.00163/5 （5.87/?）零偏温度灵敏度:0.000107/5/ C （0.383 /hC C）与陀螺灵敏、零偏稳定性等性能指标相比，并结合 本项目的精度要求可知，经折线补偿后的陀螺长期特 性已经可以满足要求。35本章小结光纤陀螺的主要性能指标都受环境温度的影响。在 实际工作条件下，一般来说，坏境温度变化是一个缓慢 的信号，因此温度变化速率、温度梯度变化速率实际上 是非常小的，因此补偿时只考虑温度变化的影响，采用 分段折线的方法来补偿温度的影响。该补偿算法实际上 是一种准稳