光纤陀螺性能评价指标.doc

光纤陀螺性能评价指标1 光纤陀螺主要性能评价参数11.1光纤陀螺输出信号的特点11.2 零偏21.3 零漂22 光纤陀螺其他性能评价参数31 光纤陀螺主要性能评价参数1.1光纤陀螺输出信号的特点光纤陀螺作为敏感角速度的传感器，其输出信号除了包括作用在光纤陀螺的外加角速度信息外，还包括地球自转角速度信息和各种噪声4。因此光纤陀螺在外加角速度的作用下，其输出的数学模型为 (1)(1)式中，为陀螺输出信号；为作用在光纤陀螺的外加角速度；为地球自转角速度；、分别为当地地理纬度，光纤陀螺敏感轴与当地水平面的夹角和敏感轴在水平面内的投影与地理北向的夹角；为陀螺漂移。其中陀螺漂移主要由常值漂移和随机漂移组成。即 (2)(2)式巾，为常值漂移；为周期分量；为零均值的高斯白噪声；为有色噪声。常值漂移短时间内可以用陀螺的零偏代替。所谓零偏，是指光纤陀螺的角速度输入为零时陀螺的输出量，单位为。随机漂移项由周期分量、白噪声和有色噪声组成，整体在测量过程中由零漂体现。光纤陀螺的静态特性中零漂是一个很重要的性能指标，直接反映了陀螺的精度高低。零漂是指陀螺输出量同绕其均值的离散程度，以规定时间内输出量的标准偏差对应的角速率表示，单位也为。1.2 零偏在输入角速率为零时（即陀螺静止，这种静态情况下长时间稳态输出是一个平稳的随机过程）陀螺仪的输出量。以规定时间内（较长时间）测得的输出量平均值相等的等效输入角速率表示。理想状态下为地球自转角速度分量。光纤陀螺的零偏计算公式可表示为： (3)式中： b0一零偏，0/h或0/s一光纤陀螺输出量的平均值，0/h或0/sk一标度因数1.3 零漂零漂也叫零偏稳定性，是指静态情况下光纤陀螺的输出量围绕其均值的离散程度，以规定时间内输出量的标准偏方差相应的（标准方差除以标度因数）等效输入角速率表示。它可以分为长期零漂和短期零漂，长期零漂的测试时间一般以小时为单位，短期零漂在30分钟以下。首先对测试数据进行10s或100s平滑后，零偏稳定性计算公式可表示为： (4)式中：bs一零偏稳定性，0/h或0/sfi一第i次测试光纤陀螺的输出量，0/h或0/sn一采样次数。此方法即在一组采样间隔为1s的光纤陀螺测试样本的基础上，按照某个固定的时间步长t(即10s或100s)将数据分为多个数据段，这些数据段的均值组成了一个新的样本，该样本的标准差反映了光纤陀螺的精度。此计算方法简单便捷，通过对数据样本分段求平均值的方式平滑了样本中存在的短期噪声(如白噪声、量化噪声等)，因此反映出了光纤陀螺漂移趋势，也就是零偏稳定性。零漂数据中包括角随机游走、零偏不稳定性、速率随机游走、速率漂移斜坡、量化噪声5个噪声项，由于这5个噪声源的形成机理各不相同，因此陀螺的5个噪声源在统计上独立：角随机游走(arwangle random walk)引起角随机游走的噪声源有：光源噪声、光电探测器噪声、电子噪声以及数字系统产生的噪声。零偏不稳定性(bibias instability)引起零偏不稳定性的噪声源有：光纤陀螺中的放电组件、电路噪声、环境噪声以及其他可能产生随机闪烁的器件。速率随机游走(rrwrate random walk)引起速率随机游走的噪声源尚有待研究。速率漂移斜坡(rrrate ramp)速率斜坡本质上是一种确定性误差、而不是随机过程。它在陀螺仪零漂数据中出现。可能是由于光纤陀螺的光强在长时间内有非常傲慢而单调的变化，也可能由于平台保持非常小的加速度，进而表现为光纤陀螺的真实输入。量化噪声(qnquantiztion noise) 量化噪声是由传感器输出信号的离散化或量化性质造成的，量化噪声代表了传感器的最低分辨率水平。2 光纤陀螺其他性能评价参数光纤陀螺的性能评价参数还包括以下几个：最大输入角速率（maximum input angular rate） 对大可测量角速率和灵敏度阈值反映了光纤陀螺的测量范围，两者相除的结果是光纤陀螺的动态范围。光纤陀螺的动态范围和信号检测方法是紧密相关的。对开环系统，位相检测一般为；对于闭环系统，位相检测科大于。温度效应（temperature effect） 温度效应包括零偏温度灵敏度、零偏温度速率灵敏度等。实用的光纤陀螺需要承担比较恶劣的环境条件，其中温度是最关键的环境因素之一，也是制约光纤陀螺应用的主要因素。温度对光纤陀螺系统的影响是多方面的，从光纤、调制器到光源、探测器，无一不受其影响。在中、高精度的光纤陀螺系统中，要检测的位相变化在量级；弱温度影响控制不好，所产生的附加转动噪声的位相变化远大于该量级。目前，已有一系列的方法来消除和补偿温度的影响，使光纤陀螺的工作温度范围在。灵敏度，阈值（sensitivity, threshold） 灵敏度也就是阈值，反映了光纤陀螺能敏感的最小角速率。一般对于中、高精度光纤陀螺，其灵敏度在左右，比地球自转角速率低两个量级（地球自转速率为）。零偏重复性（bias repeatability）零偏重复性是指在同样条件下及规定时间间隔内，重复测量陀螺零偏之间的一致程度，以各次测试得到的零偏的标准方差表示。标度因素(scale factor) 标度因素是输入量与输入角速率的比值，是反映陀螺灵敏度的量，它是用某一特定直线的斜率表示的。该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求得。设标度因数为k，有y=k+0, 其中 y 为输出信号,为输入角速度, 0/k 就是零偏。标度因素=（陀螺输出-零偏）/被测角速率标度因数重复性（scale factor repeatability） 标度因数重复性是指在同样条件下及规定时间间隔内，重复测量陀螺标度因数之间的一致程度，以各次测试得到的标度因数的标准方差表示。标度因数非线性度（scale factor nonlinearity） 标度因数非线性度（或称刻度因子误差）是指在输入角速率范围内，陀螺输出量相对于最小二乘法