（仪器科学与技术专业论文）光纤陀螺闭环控制与温度补偿技术研究.pdf

国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 摘要 光纤陀螺是一种新型的角速度传感器，具有精度高、体积小、功耗低、动态 范围宽以及可靠性高等优点，在导航与制导、大地测量、卫星定位、机器人控制 等诸多领域有着广泛的应用前景。 高精度和低成本是未来光纤陀螺发展的主要方向，而温度特性是当前制约高 精度光纤陀螺工程化的主要原因。本论文来源于某武器装备预研项目，主要解决 运用于捷联惯导系统的光纤陀螺在全温度范围内漂移特性不好的难题，论文主要 的工作和结论体现在以下几个方面： 1 通过研究光纤陀螺的基本原理，对陀螺输出漂移产生的原因进行了深入分 析，并对目前抑制光纤陀螺输出漂移的相关技术进行了比较研究。 2 在深入分析数字闭环光纤陀螺的基本结构和工作原理的基础上，建立了系 统的动态模型。为了消除系统输出的稳态误差、提高其动态性能，提出了在闭合 回路中加入基于不完全微分p i d 算法的数字控制器，设计实现了一种控制器参数 的自适应调整方法，并对控制效果进行了仿真验证。 3 在深入分析光纤陀螺温度漂移机理以及大量高低温环境实验数据的基础 上，运用多元线性回归的方法建立了一种陀螺温度漂移补偿模型，并通过仿真对 各种不同温度条件下的补偿效果进行了验证。结果显示，补偿后光纤陀螺的零偏 稳定性可普遍提高6 0 , - - 7 0 ，且模型表现出良好的通用性。同时，运用径向基函 数神经网络对光纤陀螺温度漂移进行了辨识，用辨识模型补偿后陀螺的零偏稳定 性可提高8 0 左右。 4 运用a l l a n 方差法对温度补偿前后陀螺输出漂移中的噪声成分进行了分析， 为了克服a l l a n 方差法中拟合噪声系数可能为负的缺点，运用分段拟合的方法得到 了更为准确的噪声系数。在对陀螺随机漂移进行a r m a 建模的基础上，通过 k a l m a n 滤波对陀螺输出信号进行了处理。结果显示，滤波之后陀螺的量化噪声和 随机游走均减小了6 0 左右，零偏稳定性得到进一步的提高。 主题词：光纤陀螺，闭环控制，温度特性，建模与补偿，k a l m a n 滤波 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 学佗论文 a b s t r a c t f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ( f o g ) i san e wt y p eo fa n g u l a rr a t es e n s o r ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r e c i s i o n ，s m a l ls i z e ，l o wp o w e r ，w i d ed y n a m i cr a n g ea n dg o o d r e l i a b i l i t ye t c i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l do fn a v i g a t i o na n dg u i d a n c e ， g e o d e t i ce n g i n e e r i n g ，s a t e l l i t ep o s i t i o n i n ga n dr o b o tc o n t r o le t c h i g hp r e c i s i o na n dl o wc o s ta r et h em a i nf u t u r ed i r e c t i o n so ff o g h o w e v e r ， t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sh a sb e c o m eap r i m a r yf a c t o rt h a tc o n s t r a i n tt h ee n g i n e e r i n g o fh i g hp r e c i s i o nf o g t h et h e s i sd e p e n d so na na d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c tf o rac e r t a i n w e a p o n t h em a i np u r p o s ei s t os o l v et h ed i f f i c u l tp r o b l e m so fp o o rt e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c ei nt h ee n t i r et e m p e r a t u r er a n g eo ff o gw h i c hw o u l db ea p p l i e di nt h e s t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n so ft h et h e s i sc a t l b er e f l e c t e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 b yr e s e a r c h i n gt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ff o g ，s o m em a i n c a u s i n gt h et e m p e r a t u r ed r i f ta r ea n a l y z e d ，a n ds o m et e c h n o l o g i e sf o r f o g so u t p u td r i f ta r ec o m p a r e d f a c t o r st h a t r e s t r a i nt h e 2 t h ed y n a m i cm o d e lo ft h es y s t e mi sd e d u c e da c c o r d i n gt ot h ei n d e p t ha n a l y s i s o ft h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fd i g i t a lc l o s e d l o o pf o g i no r d e rt o e l i m i n a t et h es t e a d y s t a t ee r r o ra n di m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff o g a m e t h o do fd e s i g n i n gt h ed i g i t a lc o n t r o l l e ri nt h ed e t e c t i o nc i r c u i tb a s e do np i d a l g o r i t h mw i t hp a r t i a ld i f f e r e n t i a li sp r o p o s e d a na l g o r i t h mw h i c hc a na d a p t i v e l ys d j u s t t h ec o n t r o l l e r sp a r a m e t e r si s d e s i g n e da n di m p l e m e n t a n dt h ec o n t r o le f f e c t i s v a l i d a t e db ys i m u l a t i o n 3 b a s e do nt h ei n d e p t ha n a l y s i so fm e c h a n i c st h a tc a u s i n gt h et e m p e r a t u r ed r i f t a n ds o m en u m e r o u se x p e r i m e n t a ld a t ad u r i n gh i g h l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t s ，a n e wc o m p e n s a t i o nm o d e lf o rf o g st e m p e r a t u r ed r i f ti se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e m u l t il i n e a rr e g r e s s i o nt h e o r y t h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n sa r ev a l i d a t e db ys i m u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，a f t e rc o m p e n s a t i o nt h e b i a ss t a b i l i t yo ff o gc a nb er i f e l ye n h a n c e db y6 0 - 7 0 ，a n dt h em o d e ls h o w sg o o d c o m m o n a l i t y a tt h es a m et i m e t h er a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r ki su s e dt o i m p l e m e n tt h ei d e n t i f i c a t i o no ff o g st e m p e r a t u r ed r i f t a f t e rc o m p e n s a t i o nw i t ht h e i d e n t i f i c a t i o nm o d e l t h eb i a ss t a b i l i t yo ff o gc a nb ei m p r o v e db ya b o u t8 0 4 a c c o r d i n gt ot h ea l l a nv a r i a n c et h e o r y ，t h ec o m p o n e n t so ff o g so u t p u td r i f t b e f o r e a f t e rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni sa n a l y z e d i no r d e rt oa v o i dt h ep r o b a b l e d i s a d v a n t a g eo fn e g a t i v en o i s ec o e f f i c i e n t sf i t t e d ，as u bf i t t i n ga r i t h m e t i ci su s e dt og e t t h em o r ea c c u r a t en o i s ec o e f f i c i e n t s f i n a l l y ，b a s e do nt h ea r m a m o d e l i n go ff o g s o u t p u td r i f t t h eo u t p u ts i g n a l so ff o ga r ep r o c e s s e db yk a l m a nf i l t e r t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t 。a f t e rf i l t e r i n gb o t ht h eq u a n t i z a t i o nn o i s ea n dt h er a n d o mw a l kc o e f f i c i e n t s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 o ff o gc a r lb ew e a k e n e db ya b o u t6 0 ，a n dt h eb i a ss t a b i l i t yc a nb ef u r t h e ri m p r o v e d k e yw o r d s ：f i b e ro p t i c ，g y r o s c o p e ，c l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c s 。m o d e l i n ga n dc o m p e n s a t i o n ，k a l m a nf i l t e r 第i i i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学伶论文 表目录 表1 1 光纤陀螺精度分类7 表3 1 陀螺零漂与累加时间的关系2 6 表3 2 不同温度下陀螺的零偏和零漂3 l 表4 1 回归模型参数3 8 表4 2 优化后的模型参数4 0 表4 3 光纤陀螺温度漂移补偿结果4 2 表4 4 神经网络与回归模型补偿结果比较4 6 表5 1 a l l a n 方差误差源系数。5 5 表5 2 不同模型的建模精度及其参数5 7 表5 3 滤波前后陀螺输出噪声5 8 第v l l 页 国防科学技术大学研究生院硕十学伉论文 图目录 图1 1光纤陀螺基本原理1 图1 2 光纤陀螺互易性结构3 图1 3r f o g 原理图4 图1 4s b s f o g 原理图4 图1 5 全光纤型陀螺的最简结构5 图1 6 集成光学器件型陀螺的最简结构5 图2 1数字闭环光纤陀螺的基本结构1 2 图2 2 光强与相移关系曲线1 3 图2 3 互易性相位调制原理1 3 图2 4 数字闭环光纤陀螺工作流程图1 5 图2 5数字闭环光纤陀螺传递函数框图l7 图2 6p i d 控制器原理图1 7 图2 7 加入数字控制器后系统的阶跃响应1 9 图2 8 不完全微分算法结构图1 9 图2 9 加入不完全微分p i d 控制器后系统的阶跃响应2 0 图2 1 0 基于单神经元学习算法的控制器参数自适应调整结构图2 1 图2 1 l 控制器参数自适应优化后系统的阶跃响应2 2 图3 1光纤陀螺静止时的典型输出曲线2 4 图3 2 不同温度下陀螺静态输出2 4 图3 3 光纤线圈中的温度扰动2 7 图3 4 陀螺标度因数测试曲线2 9 图3 5 温度传感器安放位置示意图2 9 图3 6 陀螺静态输出原始数据3 0 图3 7 预处理后陀螺输出数据3l 图3 8 光纤陀螺输出漂移与温度的关系曲线3 2 图3 9 随温度变化的陀螺零漂3 3 图4 1参加建模的陀螺输出及其温度曲线3 7 图4 2 时序残差图3 9 图4 3 剔除奇异值算法流程3 9 图4 4 剔除奇异值后的陀螺输出及其温度曲线3 9 图4 5 逐步回归分析界面4 0 图4 6 样本集数据的辨识和补偿结果4 l 第v i i i 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 学位论文 图4 。7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 4 图5 5 图5 6 测试集数据补偿自玎后陀螺输出结果4 2 r b f 神经网络基本结构4 4 径向基函数传输特性4 4 r b f 神经网络模型4 5 两种方法补偿效果比较4 6 陀螺输出误差的a l l a n 方差特性5 2 陀螺输出噪声的a l l a n 方差曲线5 2 a l l a n 方差分段拟合算法流程5 4 a l l a n 方差曲线分段拟合结果5 4 预处理后数据曲线5 6 滤波前后陀螺输出比较5 8 第1 x 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注釉致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：丝红睦堡l 塑丕建剑皇逞廛! ! ：堡捷盔翌塞 学位论文作者签名： 日期：0 卯方年i 月，汐日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：左红堕燮团堑蕉剑兰星送 = 堡蕉查盟童 国防科学技术大学研究生院硕+ 学侮论文 第一章绪论 光纤陀螺是随着光纤传感技术的发展而发展起来的一种新型角速度传感器。 与传统的机械陀螺相比，它具有体积小、重量轻、功耗低、动态范围大、可瞬时 启动、以及耐冲击和振动等一系列优点。自从1 9 7 6 年光纤陀螺的实验室样机试验 成功后，各发达国家均不惜重金投入，对光纤陀螺进行研究，目前基本上实现了 陀螺的小型化和实用化，已有各种精度的产品面市。随着各项关键技术的成熟， 光纤陀螺已被广泛地应用到飞机舰船导航、导弹制导、大地测量、卫星定位、机 器人控制等诸多领域。 1 1 1 光纤陀螺的基本原理 1 1 光纤陀螺概述 光纤陀螺的基本原理是基于光学上的s a g n a c 效应，即在同一闭合光学回路( 半 径为r ) 中，沿顺时针方向( c w ) 和逆时针方向( c c w ) 传播的两束光，围绕垂 直于回路的轴的转动将引起两束光之间相位差的变化，该相位差的大小与光学回 路的旋转速率成比例n 1 。为了更好地理解s a g n a c 效应，可以考虑相对惯性空间理 想环形光路的情形，如图1 1 ( a ) 所示。 【a )【b ) 图1 1 光纤陀螺基本原理：( a ) s a g n a c 效应基本原理；( b ) 光纤陀螺的最简结构 在惯性参考系中，当回路静止时，从s 点发出的顺、逆时针的两束光以相同 的光速c 沿闭合回路相向传播，经过同一距离2 a r 后同时回到该点，所用时间 f = 2 z t r c ，两路光不产生光程差。而当回路以角速度q 作顺时针旋转时，沿逆时 针传播的光的传播方向与回路旋转方向相反，回到初始点s ( 由于回路转动使初 始点从s 变为s ) 后所经历的光程为： 乞。= 2 z r r r t 2 t 一= q 。t c ( 1 1 ) 式中r q 为沿圆环的切向速度，o 为传播距离k 所用的时间。因此，k 可用逆 第l 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 时针方向的等效 j 鏖c c c w 与f 。之积表示：同理，沿顺时针方向传播的光，由于传 播方向与环路旋转方向相同，使其经历的光程增大，即： k = 2 1 r r + r = o( 1 2 ) 考虑光在折射率为刀的介质中传播的情况，由于介质的运动将导致两束光传播速 度的变化，以惯性空问为参考系，由f i z e a u 效应有： ：， + r 2 ( 1 一与)( 1 3 ) 2 门【1 一- ) ( 1 3 ) 门刀一 ：三一r 1 2 ( 1 m 2 ( 1 一去)( 1 4 )c 。2 一【1 4 ) 再以光环路为参考系，则两束光的光速变为： c 。= c c w r 2( 1 5 ) c ，= c 0 + r 1 2 ( 1 6 ) 两束光到达初始点s 所经历的时间差为： a t = 旦一旦：塾坠墨二! 鱼二垒1 2 ( 1 - 7 ) =二二巴垡兰竺 f1 7l c 御一r qc e w + r q c ，c c ， 、。 将和的值代入上式得： ，= 4 t c l r 一2 q ( 1 8 ) 进而可以求得两束光之间的相位差： 9 。：孚a t = 掣1 2 ( 1 9 ) 式中a = t c r 2 为环形光纤回路所围的面积，a 为光源波长，这就是s a g n a c 效应的数 学表达式。事实上，为了得到更大的测量灵敏度、减小陀螺体积，一般都采用缠 绕多圈光纤环以增强s a g n a c 效应，如图1 1 ( b ) 所示。由n 圈光纤环组成的环形 光路，其产生的s a g n a c 相移是单圈光纤产生s a g n a c 相移的倍，于是( 1 9 ) 式 可修正为： g ：掣脚：_ 2 t o l d q ( 1 1 0 ) a ca , c 式中三为光纤的总长度，d 为线圈的平均直径，通过解调相位差西。，就可以利 用上式求出陀螺的旋转角速度q 。 1 1 2 光纤陀螺的互易性结构 光纤陀螺属于高灵敏度的检测仪器，两束光之间的光程差很小，因此外界环 第2 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 境引起的附加光程差对输出有不可忽略的影响。在光纤陀螺的设计过程中，为了 精确地测量s a g n a c 相移，必须排除其它因素的干扰，使正反向传播的两束光之间 产生的相移仅与陀螺相对惯性空间的转动有关，而利用光在线性媒质中的互易性 原理可以很好地解决这个问题。在线性传播媒质中，波振幅a 的传播方程为n3 ： v 2 小吾鲁t o ( 1 1 1 ) c d 式中v 表示矢量微分运算，7 1 为光纤折射率，c 代表真空中的光速。计算可得该谐 波解a ( x ，y ，z ，t ) = a s ( x ，y ，z ) e 川，其中4 只与空间坐标有关，w 为角频率，则传播 方程可简化为： v 2 4 。+ 盟彳。：0 ( 1 1 2 ) 可见，简化后的传播方程与角频率的平方w 2 = ( 一w ) 2 有关，因此任何一个解 a ( x ，y ，z ，) 都有一个完全“互易”的解a ( x ，y ，z ，f ) = 4 x ( x ，y ，z ) e 一刖。在物理学上， 这种数学符号的变化对应着沿相反方向的传播波，他们具有完全相同的传播延时 和相前衰减。 图1 2 光纤陀螺互易性结构 在光纤陀螺系统的设计中，为了实现系统的互易性，在系统的结构设计上要 满足以下三个特征，即同光路、同偏振态、同模式。光纤陀螺的互易性结构如图 1 2 所示。在s a g n a c 干涉仪输入、输出的公共端加上一个单模滤波器( 由一段单模 光纤加偏振器构成) ，偏振器用于滤出光纤中光波导的两个偏振态中的一个，而 单模光纤则可以滤出光波中的杂散模式，这样使得检测到的从单模滤波器返回的 光波满足同偏振、同模式的条件。耦合器l ( 光源分束器) 起到的作用是将部分返 回光引导到探测器上并进行相位调节，是相向传输的两束光具有相同光路的保证。 耦合器2 ( 光纤环耦合器) 的作用是起到精确的分光作用，使得两束光经过耦合器 2 时有相同的相位改变。采用上述的互易性结构设计之后，s a g n a c 相移便能被正确 地检测出来。同时，为了获得较好的灵敏度，一般还要对系统在特征频率处进行 调制、解调。互易性原理和在特征频率处进行调制、解调这两个条件结合在一起 便构成了光纤陀螺的最简结构。目日订，最简结构被广泛应用于光纤陀螺的设计过 程中，在实际应用中往往在此基础上进行一些改进。 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 1 1 3 光纤陀螺的分类 光纤陀螺按工作原理的不同可以分为：谐振腔式光纤陀螺( r e s o n a t o rf i b e r o p t i cg y r o s c o p e ，简称r f o g ) 、受激布罩源散射式光纤陀螺( s i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n gf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，简称s b s f o g ) 和干涉式光纤陀螺( i n t e r f e r o m e t e r f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，简称i - f o g ) 。 幽1 3r - f o g 原理图 谐振型光纤陀螺的基本原理是用较短的光纤构成循环的环形谐振腔，通过检 测随旋转引起的s a g n a c 效应大小变化的谐振频率差来测量旋转角速度，其结构如 图1 3 所示。r f o g 的优点在于通过使用高相干光源，解决了光源波长稳定性的 问题，并且只需使用很短的光纤就能得到较高的灵敏度，减少了由于长时间温度 变化对光纤影响所产生的漂移，提高了零偏稳定性，大大降低了成本，缩小了体 积，有很大的发展潜力。虽然理论上，r f o g 可以获得很高的精度，但是从目前 国外r f o g 的研制情况来，在小型化全封装、谐振腔的精细度、调制解调方案以 及噪声抑制等方面仍然存在着一些尚待解决的技术难题心1 。 图1 4s b s - f o g 原理图 s b s f o g 是利用光纤环形腔中的受激布罩渊散射的方向性增益来实现用 s a g n a c 效应检测谐振速率，其原理与激光陀螺类似，结构如图1 4 所示口1 。这种陀 螺的优点是结构相对简单，使用的光纤器件相对较少，具有更大的动态范围，并 且理论上的检测精度，特别是标度因数线性度是几种陀螺中最优的。而其缺点在 于需要高稳定性、窄线宽、大功率、连续波的光源作为泵浦，并且背向散射会引 起零位闭锁。由于无需复杂的调制解调检测技术，以及光纤激光器、光纤放大器 技术的发展，这种陀螺越来越受到人们的重视，是新一代高精度、小型化光纤陀 螺的发展方向。 第4 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 干涉式光纤陀螺是目前发展比较完善的一种光纤陀螺，国际上绝大多数公司 和科研院所研制的光纤陀螺都是这种类型。i - f o g 的发展经历了分立元件型、全光 纤型和集成光学器件型的过程，目前已有各种精度的陀螺面世。 图1 5 全光纤型陀螺的最简结构 分立元件型光纤陀螺的“最简结构”由小型透镜、反射镜和立体分束器构成， 其技术要求复杂，光学系统不稳定。而全光纤型的光纤陀螺，从光源到光接收器 的全部光路都采用光路传输，具备了陀螺要求的全部功能，如图1 5 所示。该方案 的核心部件是十分灵敏的压电陶瓷( p z t ) 相位调制器，利用p z t 的变形改变光 纤长度和折射率从而引入非互易相移，其实现简单方便，灵敏度高。分立元件系 统中，光从自由空间传进单模光纤需要精细复杂的调整，否则不仅存在一些功率 损失，还会产生背向散射光，为此要求光从光源到探测器作连续传播，而全光纤 陀螺恰恰具备了这一优点。 y 波导 图1 6 集成光学器件型陀螺的晟简结构 用集成光学器件实现的“最简结构是目前大多数中高精度光纤陀螺采用的 主要方案，其核心部件是集成光学调制器( l i n b 0 3 ) ，也称y 波导，它能实现光 纤陀螺所要求的分束器、偏振器和调制器三种功能，同时并不破坏系统的互易性， 如图1 6 所示。集成光路较全光纤方法的决定性优势在于其相位调制器在大的带宽 内有一个平坦的响应，允许采用有效的信号处理技术使光纤陀螺在整个动态范围 内获得高性能。 随着技术的发展，用分立元件实现的光纤陀螺方案基本消失，全光纤结构的 光纤陀螺由于结构简单、精度低，主要在开环、低精度、低成本的光纤陀螺中应 用，而采用集成光学器件实现的闭环光纤陀螺，是目前国内外中高精度光纤陀螺 第5 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 的主要方案，本文也将着重对基于集成光学器件的数字闭环光纤陀螺的相关技术 进行讨论。 1 1 4 描述光纤陀螺性能的主要参数 描述光纤陀螺性能的主要参数有：标度因数、零偏与零偏稳定性、随机游走 系数、阈值与分辨率、以及预热时问等。在国军标“光纤陀螺仪测试方法”( 2 4 2 6 a - - 2 0 0 4 ) 中对这几项参数都有明确的定义。 1 标度因数k ( s c a l ef a c t o r ) 陀螺输出量与输入角速率的比值。它是用某一特定直线的斜率表示，该直线 根据整个输入角速率范围内测得的输入输出数据，用最d - - 乘法拟合求得。与之 相关的还有标度因数线性度、标度因数不对称度、标度因数重复性以及标度因数 温度灵敏度等概念。这些都从不同的角度反映该拟合直线与陀螺实际输出输入数 据的偏离程度。 2 零偏b o ( b i a s ) 与零偏稳定性b s ( b i a ss t a b i l i t y ) 零偏是指当输入角速率为零时，陀螺的输出量。以规定时间内测得的输出量 平均值相应的等效输入角速率表示。事实上，这种静念情况下长时间的输出将围 绕均值( 零偏) 起伏和波动，习惯上用均方差来表示这种起伏和波动，这种均方 差就被定义为零偏稳定性，也称为“零漂”，单位用( o h ) 表示，其值越小稳定 性越好，常用来表示光纤陀螺的精度。 3 随机游走系数r w c ( r a n d o mw a l kc o e f f i c i e n t ) 表征光纤陀螺中角速率输出白噪声大小的一项技术指标。从某种意义上讲， 随机游走系数反映了陀螺的研制水平，也反映了陀螺的最小可检测角速率，并间 接指出与光子、电子的散粒噪声效应所限定的检测极限的距离。据此，可推算出 采用现有方案和元器件构成的光纤陀螺是否还有提高性能的潜力。 4 阈值与分辨率 光纤陀螺的阈值和分辨率分别表示陀螺能敏感的最小输入速率和在规定的输 入速率下能敏感的最小输入角速率增量，两者都表征陀螺的灵敏度。 5 预热时间 针对带温控的高精度光纤陀螺的一项技术指标，是指陀螺在规定的工作条件 下，从加电丌始至达到规定性能所需要的时l 日j ，也称为启动时间。 在上述技术指标之外，还有光纤陀螺进入工程应用所必需的工程指标，包括 温度、振动、冲击、抗电磁干扰等。由于光纤陀螺为全固念结构，没有任何转动 部件，抗冲击和振动性能比较好，但其温度性能是一项较为困难的指标。 1 2 光纤陀螺的发展及研究现状 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 2 1 国外光纤陀螺的研究现状 1 9 7 6 年，美国u t a h 大学的v a l i 和r w s h o r t h i l l 首次提出了光纤陀螺的概念， 它标志着第二代光学陀螺光纤陀螺的诞生。光纤陀螺一问世就以其明显的优 点、结构的灵活性以及诱人的前景，引起了世界上许多国家的普遍重视，三十年 来获得了很大的进展。目前，被普遍研究的干涉型光纤陀螺，其实验室精度已达 到0 0 0 0 1 0 h ，而且其商用产品也已在多个领域中获得了应用。按照精度划分，可 以把光纤陀螺划分为三类，如表1 1 所示晴1 。其中，高精度的光纤陀螺主要应用在 空间技术、国防军事和科学研究领域，而中低精度的光纤陀螺主要作为角度传感 器在汽车、民用飞行器导航、机器人控制等许多领域中有着广阔的应用前景。 表1 1 光纤陀螺精度分类 级别随机游走漂移标度冈数精度 高精度 0 0 0 1 。靠 0 0 1o h 0 5 。打 ( 1 0 0 1 0 0 0 ) h 0 1 l 美国是世界上最早研制光纤陀螺的国家，其国内的h o n e y w e l l 公司从八十年代 初开始研究光纤陀螺。它研制的采用s l d 光源和带保偏光纤的开环i f o g 早在9 0 年代初就已经投入了批量生产，目前已交付了上万套陀螺姿态航向基准系统 ( a h r s ) 作为标准配置广泛应用于许多飞机上。目前，h o n e y w e l l 公司研制的光 纤陀螺代表了国际上光纤陀螺技术的最高水平，特别是在高精度陀螺方面独具优 势，它生产的光纤陀螺基本都采用闭环控制结构，其高精度的i - f o g 主要采用掺 饵光纤光源、保偏光纤，最高精度已达到：零漂0 0 0 0 3 0 h 、角随机游走0 0 0 0 1 0 压1 。 l i t t o n 公司也是较早研制光纤陀螺的公司之一，拥有多项技术专利。早在十几年前， 该公司已具备中等精度( 0 1o 1 1 1 o o 1 1 ) 光纤陀螺的生产能力，它生产的导航级光 纤陀螺具有较小的零偏和标度因数精度。据美刊报道，9 0 年代初由l i t t o n 公司交 付的一套光纤陀螺惯性组件样机，其直径1 0 1 6 c m ，陀螺所用的光纤长约l k m ，漂 移为1 0 0 h 。2 0 0 1 年n o r t h r o pg r u m m a n 公司收购了原l i t t o n 公司的主要部门，2 0 0 2 年又从a u d a x 集团接收了光纤传感技术公司，成为美国最有影响力的光纤陀螺及 其系统产品的生产企业。目前，该公司为许多重要的军事应用和商业应用生产光 纤陀螺和惯性测量单元，陀螺漂移在1 0 0 0 0 1 0 h 之间。 日本也是继美国之后较早研制光纤陀螺的国家之一，它主要研制中、低精度 的陀螺，侧重于民用，具有较高的产量。其中，j a p a na v i m i o ne l e c t r o n i c si n d u s t r y l t d 、m i t s u b i s h ip r e c i s i o n 、h i t a c h ic a b l e 、s u m i t o m o 、m a t s u s h i t a 等公司都已经批 量生产了多种级别的光纤陀螺，分辨率涵盖飞机用惯性导航级o 0 1 0 l l 到汽车用导 航精度优于1 8 0 0 i l 的产品。h i t a c h ic a b l e 公司对光纤陀螺的研制开始于8 0 年代， 第7 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 到9 0 年代中期已具备每月超过5 0 0 0 只的生产能力，其生产的光纤陀螺大都采用 全保偏丌环最小互易性结构m 1 ，有效减小了零漂，提高了分辨率。j a e 公司生产的 光纤陀螺选用自主研发的光学器件，主要通过采用单模光纤来降低产品成本。它 生产的光纤陀螺早在9 0 年代初就在进行微重力实验的i r i a 型火箭的姿态控制系 统和同本新干线高速列车检轨装置上获得了成功应用。近年来该公司将研究重点 放在光纤陀螺的三轴闭环结构和掺饵光纤光源的应用上，并在光纤陀螺的小型化、 降低功耗等方面取得了一定进展饽1 。 欧洲国家如英、法、德、意和俄罗斯也都相当重视对光纤陀螺的研究和应用。 法国i x s e as a s 公司的f j i 身是p h o t o n e t i c s 公司的导航系统分部，它从事光纤陀螺 的研发已有近2 0 年的历史，捌有多项关键的专利技术，应用领域涉及海上、水下 和太空等。从2 0 世纪9 0 年代丌始，在法国、欧洲航天局的支持下，该公司丌发 控制卫星姿态用的光纤陀螺，并取得成功，这类光纤陀螺曾应用在巴西m i c r o 卫 星上。2 0 0 1 年，i x s e as a s 公司发布了当今最小的基于光纤陀螺的惯导系统，该 系统为全球定位系统、多普勒测速器、声纳定位系统预留了接口n 训。它生产的 i m u l 2 0 型惯导系统所使用的光纤陀螺偏置稳定性达到0 0 0 3 0 h ，精度最高的光纤 陀螺随机游走精度达到0 0 0 0 1 5 0 h 。德国的l i t e f 公司( 从2 0 0 1 年开始隶属于美国 n o r t h r o pg r u m m a n 公司导航系统分部) ，在陀螺的小型化方面具有技术优势，它 研制的光纤陀螺，采用大规模集成电路，实现了检测电路的模块化设计，大大 减小了陀螺体积。俄罗斯的f i z o p t i k a 公司生产的微型光纤陀螺，将所有的光学元 件并列放置，元件之间没有光学的连接，陀螺尺寸小、功耗低，其中v g 9 4 1 3 a s 型单轴光纤陀螺，动态范围达至u 士6 0 0 0 s ，随机游走达到0 0 0 2 0 i ，而重量仅有 3 0 9 刳，号称是目前体积最小的光纤陀螺，在俄罗斯国内外都颇有市场。 现在，光纤陀螺在全世界正在经历产品化的过程，各国都在不断提高其性能 和扩大其应用。而光纤陀螺也已经不仅仅作为单一的角速度传感器，它已经被广 泛地应用于各种航姿参考、指北和惯导系统中，具有广阔的发展前景。 1 2 2 国内光纤陀螺的研究现状 我国对于光纤陀螺的研究起步较晚，到上世纪八十年代木才真正投入这一研 究领域。近年来，在国外光纤陀螺技术迅速发展的形势下，国内光纤陀螺研究和 制造领域己经取得了长足的发展。目前，国内研制光纤陀螺的单位主要有：航天 科技集团所属3 3 所、1 3 所及上海8 0 3 所、北京航空航天大学、哈尔滨工程大学、 北京理工大学、浙江大学、北方交通大学等单位。中国船舶7 0 7 所从9 0 年代初开 始从事光纤陀螺的研究，目前已取得一定的进展，所研制的全数字闭环光纤陀螺 的零偏稳定性为l 。h 左右1 。北京航空航天大学研制的光纤陀螺精度较高，实验 室最高精度已达0 0 2 0 h ，目前它正向工程化应用方向努力，并已经在某型导弹上 第8 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 进行了初步的实验。另外，在“九五期问，清华大学还丌展了光波导陀螺的研 究，把光纤敏感线圈改为光纤敏感环，使双向光束在敏感环中循环传播n 次，这 样光纤的长度可以大大减小，从而使导航级光纤陀螺的光纤长度由5 0 0 - 1 0 0 0 m 可 减小到2 0 0 m 以下1 。这样的改进可以减小光纤敏感线圈在结构和绕制等方面的难 度，从而降低光纤陀螺的成本。 经过十多年的攻关，在元器件方面，光源、光电探测器、耦合器、集成光学 调制器、光纤环都达到了国产化，技术指标基本满足陀螺性能要求。国内光纤陀 螺的研制水平已接近惯性导航系统中、低精度要求，而目前国内光纤陀螺研究的 当务之急是中低精度光纤陀螺的工程化和产品化，以满足国防和民用领域的需求。 1 2 3 光纤陀螺的发展趋势 高精度、小型化、低成本是未来光纤陀螺发展的主要方向。目前，国内在高 精度光纤陀螺的研制方面与国外还有很大差距，如何提高光源的稳定性和温度特 性，如何减小陀螺对外界环境变化的敏感性，如何提高光学元器件的性能和产量， 以及在生产过程中如何有效控制成本是我国在高精度陀螺研制过程中需要首先解 决的问题。伴随着光学器件制造工艺的不断进步，光纤陀螺的发展呈现小型化的 趋势。光路元件的小型化和集成化，是减小陀螺光路部分体积的两条重要途径。 例如，研究特殊的细径光纤以减小光纤环体积，对光电收发模块进行集成化设计， 发展基于光源、探测器共用技术的三轴陀螺等都是值得我们探索的方法n 钉。同时， 随着微电子技术的不断发展，数字信号检测、处理技术的不断成熟，光纤陀螺电 路部分的集成度也越来越高。采用全数字化的检测方法，不仅可以大大减小光纤 陀螺电路部分的体积，还使得陀螺可以在平面工艺上批量生产，大幅降低成本。 我国在光纤陀螺的研制过程中，应当充分利用这一系列先进技术，突出体现光纤 陀螺小型、坚固、可靠和廉价的特点。另外，还要注意形成多元化的研究和生产 体系，在不断提高陀螺精度的同时，完善各个级别产品的开发，以最佳的性价比 满足不同领域、不同系统的需要。 1 3 课题研究的背景 当前，光纤陀螺的应用主要向两个方向发展：一是研制应用于惯性导航系统 的高精度光纤陀螺，开发出具有低漂移、高稳定性、强抗干扰能力的光纤陀螺产 品，要求精度低于o 0 1 0 h o 0 0 1o