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.pdf

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1、第三章光纤陀螺温漂补偿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，所以稳定装置中

2、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[14][15][16]要工具是谱密度方法和Allan方差法。以下是光纤陀螺主要指标的简单描述，为后面温漂补偿前后陀螺性能提供一个比较的依据。1．零偏B0零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。由于环境温度的随机变化，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/h。其计算近似可以

3、表示为FB（3－1）0Sn式中F：陀螺静止时输出量的平均值。Sn：陀螺的标度因子bit/°/h。由反应零偏变化所派生出来的指标有a)零偏稳定性(biasstability)Bs这一项指标反应的是陀螺静止时输出的波动幅度。1/2n112Bs(FiF)（3－2）Kn1i1n为采样次数，Fi为陀螺静止时的输出量。b)零偏重复性(biasrepeatability)Br：°/h1/2Q12Br(B0iB0)（3－3）Q1i1式中Q：重复测试的次数；B0i：第i次测试的零偏；B0：零偏平均值。c)零偏温度灵敏度(biastemperaturesensitiv

4、ity)Bt：°/h/℃B0iB0mBtmax()（3－4）TiTm式中B0i：第i个测试温度点陀螺的零偏；Ti：第i个测试温度点的温度值；2．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/h/Hz或/h。RMS即ARW（3－5）W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

5、成的角度漂移为2RMSt（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：k1，1初始采样时间间隔，采样时间间隔，k=1,2,⋯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Bs()。用最小二乘法拟合，112Bs()a0a1()a2()（3－7）1/2求出模型系数，随机游走系数RWCa1。3.2输出误差模型分析[14]光纤陀螺的模型可以用下图简略的表示。DiFI1Sn－610kE图3-1光纤陀螺输出模型Figure3-1outputmodelofFOG其中F：输出脉冲速率

6、（bit/s）I：惯性角速度输入in；Sn：标称标度因子；k：标度因子非线性误差项，与温度有关；?dT?dTE：环境影响项，其大小为E＝DTΔTD?DT；TdtdtDΔT：与温度变化有关的环境敏感项；TdTD?：与温度变化速率有关的环境敏感项；Tdt??dTDT：与环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=DDD；FRQDF：零偏；DR：随机游走项；D：量化噪声。Q从图3-1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

7、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已经预热。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，下面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1.实验条件由于陀螺漂移是比较缓慢的，因此实验的采样频

8、率可以比较低。实际采用的采样频率为1Hz。采集的速度数据是陀螺以100Hz的输出频率输出的速度数据在1秒钟的时间间隔范围内