硕士论文光纤陀螺视线稳定系统的设计与工程实现第章光纤陀螺

LastrevisedbyLELEin2021硕士论文光纤陀螺视线稳定系统的设计与工程实现第章光纤陀螺第三章光纤陀螺温漂补偿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[14][15][16]。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。零偏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。其计算近似可以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为（3－1）式中：陀螺静止时输出量的平均值。：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零偏稳定性(biasstability)这一项指标反应的是陀螺静止时输出的波动幅度。（3－2）n为采样次数，为陀螺静止时的输出量。b)零偏重复性(biasrepeatability)：°/h（3－3）式中Q：重复测试的次数；：第i次测试的零偏；：零偏平均值。c)零偏温度灵敏度(biastemperaturesensitivity)：°/h/℃（3－4）式中：第i个测试温度点陀螺的零偏；：第i个测试温度点的温度值；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。即（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（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：，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。用最小二乘法拟合，（3－7）求出模型系数，随机游走系数。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[14]。图3-1光纤陀螺输出模型Figure3-1outputmodelofFOG其中F：输出脉冲速率（bit/s）I：惯性角速度输入；：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＝；：与温度变化有关的环境敏感项；：与温度变化速率有关的环境敏感项；：与环境温度梯度变化速率有关的环境敏感项；D：与初始启动有关的随机漂移项，其大小为D=；：零偏；：随机游走项；：量化噪声。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：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。与不同初始启动条件有关的随机漂移。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，可以假定系统在正常运行之前已经预热。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。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求和。2.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Figure3-2outputoftheFOGvs.temperature图3-2显示了补偿前陀螺静止时的输出曲线。经计算得出，补偿前陀螺的性能为零偏：当温度在之间缓慢变化时，零偏变化的峰峰值零偏温度灵敏度：图3-3为陀螺静止时输出数据的频谱图，采样频率10Hz。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）对采样速率信号滤波。该滤波器的数学模型为，采样周期5秒。图3-3光纤陀螺输出角速度频谱图Figure3-3thespectrumoftheFOGoutput3.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。在这里，采用分段折线进行拟合，（3－8）将陀螺工作的温度区间分为低于25℃，高于30℃和25～30℃之间。用最小二乘方法分段进行数据拟合，公式如下所示：（3－9）（3－10）根据上式，利用测得的温度－速度数据，求出、、、、、：、、、、、，三条直线交点的横坐标为℃和30℃。考虑到实验所用的数据是1秒内采样数据的和，陀螺实际输出频率为100Hz，做速度补偿时陀螺输出是Figure1纵坐标单位的倍。由此可以确定补偿用的折线模型为：（3－11）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Figure3-4FOGoutputvs.temperatureaftercompensation上图为采用折线补偿后的陀螺输出。图3-4的纵坐标单位是陀螺输出数据单位的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已由补偿前的降为，减小了96％。陀螺零偏的温度灵敏度也有相当大的改善，由式（3-4）式计算可知，补偿后由原来的降为。图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降为。图3-5补偿后陀螺漂移角速度曲线Figure3-5curveofdriftanglerateaftercompensation图3-6补偿前的陀螺漂移角速度曲线Figure3-6curveofdriftangleratebeforecompensation将此漂移角速度数据积分，即可得到陀螺漂移角度随时间的变化曲线，分别如图3-7，图3-8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3-7补偿后的角度漂移曲线图Figure3-7driftangleaftercompensation图3-8补偿前的漂移角度曲线图Figure3-8driftanglebeforecompensation4）补偿后陀螺性能：零偏：当温度在之间缓慢变化时，零偏变化的峰峰值为：零偏温度灵敏度：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。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，环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态的补偿算法。所以实际系统运行时，应该考虑系统的工作条件。在应用时，最好是将整个系统预热一段时间，使系统达到稳定，然后进入正常补偿工作状态。补偿后，陀螺的输出是输入惯性角速度信号和输出白噪声信号的叠加。白噪声信号和输入信号的频谱是重叠的，无法用频谱分隔的处理方法将之去除，此时，应采取时域方法，利用统计信号处理方法（如卡尔曼滤波或广义卡尔曼滤波），将有用信号估计出来[15]。