基于多项式模型的光纤陀螺温度补偿技术研究

2016-10-09杨萌，孙强，尹剑

电子测试 2016年18期

关键词：标度陀螺光纤

杨　萌，孙　强，尹　剑

（西安应用光学研究所，陕西西安，710065）

基于多项式模型的光纤陀螺温度补偿技术研究

杨萌，孙强，尹剑

（西安应用光学研究所，陕西西安，710065）

介绍了温度对光纤陀螺的影响，分析了影响光纤陀螺输出精度的因素。为提高陀螺的温度适应性，将多项式模型应用于光纤陀螺温度补偿中，并用试验测试数据验证了该方法的有效性。数据分析表明，可以明显改善陀螺性能，将陀螺零偏从2.5°降到0.5°以内。

光纤陀螺；温度补偿；多项式模型

0　前言

光纤陀螺以萨格奈克效应为原理，具有结构简单、无运动部件、灵敏度高、动态范围宽和耐冲击等优点，引起世界各国的普遍重视，在惯性导航和测量系统中得到了广泛应用。

光纤陀螺为适应不同领域的应用，一般要求其具有较宽的工作温度范围，但由于构成光纤陀螺的主要部件如光纤线圈、集成光学器件、光源等受环境温度影响较大，温度变化会引起光纤陀螺光路的非互易性，导致光纤陀螺零位漂移和标度因数的不稳定，造成光纤陀螺出现温度漂移，影响光纤陀螺在不同温度下的性能表现。对光纤陀螺温度特性进行研究，建立相应模型，进行温度补偿，是工程上解决上述问题的有效手段之一。

本文从理论上分析了温度对光纤陀螺的影响，在理论分析的基础上建立了多项式模型，并应用于温度补偿，试验证明，可以将陀螺零偏从2.5°降到0.5°以内。

1　温度对光纤陀螺的影响

近年来，国内外对抑制光纤陀螺温度漂移的研究大多通过光纤陀螺机理结构的改善、增加硬件温控及软件建模补偿进行研究。由于构成光纤陀螺的主要部件都对环境温度比较敏感，会导致光纤陀螺的主要性能参数零偏及零偏稳定性受环境温度变化的影响而变差，标度因数的线性度和对称性也严重恶化从结构及机理上消除温度误差难度大。而在实际应用中，很多应用光纤陀螺的系统受限于重量和空间等因素，无法提供完善的温控措施。因此现阶段软件建模补偿的方法得到了广泛的研究。在对光纤陀螺进行温度特性理论分析和试验研究的基础上，建立误差模型进行温度补偿，提高光纤陀螺在全温度范围的性能表现，已经成为解决光纤陀螺温度稳定性的必要手段。

光纤陀螺零偏温度漂移的建模与补偿，实际上就是从观测到的温度漂移数据中寻找补偿规律。温度变化是影响光纤陀螺输出精度的重要因素，温度对光纤陀螺零偏的影响主要表现在温度变化、温度梯度和温度速率三个方面。

由于可以通过温度传感器采集陀螺内部温度和环境温度，因此可以很方便地研究温度和零偏及标度因数之间的关系。由于多项式在理论上能够表达任意的映射关系，因此建立温度与零漂、温度与标度因数之间的多项式模型，可以进行有效补偿，提高光纤陀螺的输出精度。

2　多项式模型的建立

下面建立陀螺温度漂移的多项式模型进行补偿。

采用如下多项式模型：

3　试验结果

在试验室常用的光纤陀螺随机选择了一只陀螺进行高低温零偏测试，测试步骤如下：

（1）在陀螺的壳体上和敏感线圈轴上都放置温度传感器，以实时监测外部环境和敏感线圈轴的温度，分别为和。根据最小二乘拟合，即可求得拟合系数、、和；

试验中分别测量了20°C，25°C和30°C，并分别计算了各系数如下表：

根据计算出的系数进行补偿，可以发现：陀螺零偏从2.5°降到0.5°以内，试验结果证明了多项式模型在温度补偿中的有效性。

4　总结

本文介绍了光纤陀螺温度补偿方法，分析了温度对光纤陀螺性能的影响，建立了基于多项式模型的温度补偿方法，并通过试验证明了该方法的有效性，对提高光纤陀螺温度适应性和全温度性能表现有一定的指导意义。

［1］张春熹，李森，陈光见.光纤陀螺惯性测量组合的数字温控系统设计［J］.中国惯性技术学报，2008，16（5）：541-547.

ZHANG Chunxi，LI Seng， CHEN Guangjian. Digital temperature control system design for FOG inertial measurement unit［J］.Journal of Chinese Inertial Technology， 2008， 16（5）：541-547.

［2］王巍，张桂才.光纤陀螺敏感线圈的温度漂移特性与绕圈技术研究［J］.中国惯性技术学报，1998，6（1）：41-45.

WANG Wei，ZHANG Guicai.Studyon temperature drift characteristicsand winding techniques of sensing coil of FOG［J］.Journalof Chinese Inertial Technology 1998，6（1）：41-45.

［3］金靖，宋凝芳，李立京.干涉型光纤陀螺温度漂移建模与实时补偿［J］.航空学报，2007，28（6）：1449-1454.

JING Jing，SONG Ningfang，LI Lijing.Temperature drift modeling andreal-time compensation of interferometric fiber optic gyroscope［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2007， 28（6）：1449-1454.

［4］孟照魁，崔佳涛，章博，杜新政.高精度光纤陀螺温度实验研究［J］.宇航学报，2007，28（3）：580-583.

MENG Zhaokui，CUI Jiatao， ZHANG Bo，DU Xinzheng. Experiment research of the High precistion optical fiber gyroscope temperature［J］. Journal of Astronautics，2007， 28（3）：580-583.

［5］冯丽爽，南书志，金靖.光纤陀螺温度建模及补偿技术研究［J］.宇航学报，2006，27（5）：939-941，1049.

FENG Lishuang，NAN Shuzhi，JINGJing.Research on modeling and compensation technology fortemperature errors of FOG［J］.Journal of Astronautics，2006，27（5）：939-941，1049.

TEMPERATURE COMPENSATION FOR FOG BASED ON POLYNOMIAL MODEL

Yang Meng，Sun Qiang，Yin Jian
（Xi’an Institute of Applied Optics，Shaanxi Xi'an，710065）

The paper introduces the mechanism of temperature drift of fiber optic gyroscope（FOG），a temperature compensation model is established by using polynomial model.The established model is used to make temperature compensation on new experimental data.It is proved by the experiment that this method could reduce the gyro's temperature drift from 2.5°to 0.5°.The effect of compensation is distinct.

Fiber optic gyro；Temperature compensation；polynomial model

表1　系数、、和