激光陀螺仪误差分析与补偿技术课件

激光陀螺仪的误差分析与补偿 技术 自动化学院 2120121027 王宇辰 激光陀螺的主要误差 一些论文中激光陀螺的补偿方法 激光陀螺仪的工作机理与刚体转子 陀螺仪有着根本区别，因此二者的 误差源亦完全不同。激光陀螺仪不 存在与线运动及角运动有关的误差 ，这是一个突出的优点。 激光陀螺的主要误差源 闭锁效应： 原因： 由于激光介质的色散、模式牵引和反射镜等光学 元件对光束的后向散射等原因，有源环形腔内正、反 向行波的频率接近到一定程度时，将突然变成完全一 样，即存在一个可能达到的最小频差X，一旦频差小 于X，就将变为0.因此当输入转速小到一定程度时，有 源环形腔内正、反向行波模对的频率将趋于完全相 同。 上述现象即为激光陀螺进入锁区，此区域内输入转速 不被敏感。缩小锁区、消除锁区及采用各种偏频方法 克服锁区的影响是激光陀螺最为关键的技术。 闭锁效应的消除方法： 机械抖动偏频，是绕激光陀螺仪的输入轴人 为地加上一个大的恒定角速度，该角速度远大于 闭锁阈值，使得在输入角速度为零时激光陀螺仪 总有一个恒定的频差输出，这个频差称为偏频。 （二频机抖、四频差动）或磁镜偏置，是利用横 向克尔磁光效应做成的一种反射镜，由于磁镜的 作用，使两束激光之间出现光程差而产生频差输 出，这个频差就是偏频。法拉第效应偏频等。使 得在大部分抖动周期内敏感的角速率超过闭锁角 速率。 激光陀螺根据克服闭锁的措施不同可分为：机械 抖动偏频激光陀螺、磁镜偏频激光陀螺、恒速偏 频激光陀螺、四频差动激光陀螺等。 1. 机械抖动偏频激光陀螺是目前获得广泛应用 的一种陀螺。它利用交变的机械抖动使陀螺 大部分时间从锁区偏置出来，从而大大减小 闭锁误差。主要缺点为制造和抛光激光腔体 的表面很困难，发射镜的生产需要很高的技 术，陀螺仪的价格很高。 2. 磁镜偏频激光陀螺也是利用交变的抖动使陀 螺从锁区偏置出来。它是利用等效转动的磁 光效应进行交变偏频的，其精度比机抖陀螺 差。 3. 恒速偏频激光陀螺是近年发展起来的一种 偏频方案，它利用速度恒定度非常高的机械 转动来实现偏频，其精度比机抖陀螺高，但 其体积大，而且输入速率范围低。 4. 四频差动激光陀螺的腔体中运行着两队顺、 逆方向的激光，分别构成两个单陀螺，对它 们施加相同的法拉第效应偏频，使之远离锁 区。再把二者的拍频相减，就得到陀螺的输 入角速率。这种陀螺结构复杂，成本高，技 术难度大。 零点漂移 陀螺曲线不过零点，即当输入角速率 为零时，陀螺输出却不为零。零漂主要有朗缪尔 流动零漂、磁场引起的零漂、多模耦合效应零 漂、差分模推斥零漂、非激活介质的流动和电泳 引起的零漂、锁区不稳定和顺逆不相等带来的零 漂等。 标度因数误差 标度因数误差是指标度因数的实际值相对标 称值的变化。在同一角速度输入之下，如果标度 因数变化，将引起输出频差的变化，从而导致激 光陀螺仪的测量误差。 单轴旋转调制技术对激光陀螺慢变漂移的抑 制 惯性导航系统的精度主要受器件误差 的影响，由惯性器件误差造成的系统误差随时间 积累，因此在长时间高精度的应用场合，必须降 低惯性器件误差对导航精度的影响。采用旋转调 制技术，可以在导航系统中将惯性器件误差调制 成周期性变化的信号，从而抵消器件误差对导航 精度的影响，提高惯导系统长时间导航精度。此 外，采用旋转调制技术还可提高系统的初始对准 精度。国内，袁保伦对光学陀螺旋转调制技术的 原理和比例因子误差效应进行了研究，指出光学 陀螺惯导系统更适合采用系统级旋转方式。翁海 娜对旋转调制方案进行了研究，研究结果表明， 旋转调制 方案应采用正反交替旋转，否则会引入新的误 差。 旋转调制技术的本质就是改变陀螺敏感轴方 向，使依附于陀螺敏感轴上的误差方向在导航系 中改变，使不同方向上的等效器件引起的系统导 航误差相互抵消，从而提高导航精度。 旋转调制技术必须具有以下几个基本条件才 能提高系统精度：1）旋转或者翻转不能增加惯 性器件误差；2）惯性器件的敏感轴方向在导航 系中有规律的变化。 3.神经网络拟合方法 多项式拟合和多元逐步线性回归的补偿方法都必 须建立在某个准确的数学模型之上，但实际上， 这种准确的数学模型是很难建立的，上面所用到 的简化模型仅仅是实际问题的一个最优近似。神 经网络不依赖任何确定的数学模型，且理论上已 证明，至少含有一个S型隐层再加上一个线性输 出层的BP神经网络，能够通过自学习逐步逼近 任意有理函数，所以，建立温度零偏误差的BP 神经网络模型是进一步提高补偿精度的重要手 段。 船用激光陀螺捷联惯导系统中激光陀螺误差 自动补偿的方法研究 激光陀螺误差自动补偿的一般方法是采用激光陀 螺测量轴换向法。例如，测量轴相互正交的三个 激光陀螺绕测量轴XYZ中的一个轴（例如Z轴）稳 定的旋转可以减少另外2个轴（例如X轴和Y轴） 的激光陀螺的常值漂移，但并不能减少沿Z轴激 光陀螺的漂移。理论和实践表明：陀螺组件绕不 与测量轴相重合的一般轴旋转是可行的。这种方 法称为动态自动补偿。 激光陀螺随机漂移的数字滤波方法研究 激光陀螺的随机漂移噪声类似于白噪声，它是影 响激光陀螺精度的重要因素，采用数字滤波的方 法可以减小随机漂移对激光陀螺精度的影响。常 见AR（2）模型、卡尔曼滤波、小波 分析和小波包分析这四种数字滤波方法， 可以利用功率谱和Allan方差的分析方法对这几种 滤波效果进行比较。结果表明，对于激光陀螺的 随机漂移的滤除，基于AR模型的卡尔曼滤波法 的效果最好，基本上消除了陀螺的随机误差，而 小波分析法和小波包分析法只能在一定程度上消 除高频段的漂移。 参考文献： 惯导系统陀螺仪理论 郭秀中 高精度导航系统