棱鏡式激光陀螺多溫度點的零偏補償方法

何曉莉，陶淵博,2

(1.西安北方捷瑞光電科技有限公司，陜西 西安 710111；2.西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710129)

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棱鏡式激光陀螺多溫度點的零偏補償方法

何曉莉1，陶淵博1,2

(1.西安北方捷瑞光電科技有限公司，陜西 西安 710111；2.西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710129)

棱鏡式激光陀螺的光路與反射鏡式激光陀螺的光路不同，有較長的光路在棱鏡中通過，其零偏受溫度影響較大。文中分析了棱鏡式激光陀螺的零偏溫度特性，研究了零偏與溫度、溫度變化率和溫度梯度的相關關系。建立了復雜溫變環(huán)境下多溫度點的二階動態(tài)溫度模型，優(yōu)化出對陀螺零偏貢獻最大的兩個溫度檢測點，并對隨機溫變數(shù)據(jù)進行補償。結果表明，多溫度點的二階動態(tài)溫度模型能很好地補償復雜溫變引入的零偏變化，使零偏穩(wěn)定性提高60%以上。

棱鏡；激光陀螺；光路；溫度檢測點；補償

在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中，激光陀螺是其核心敏感元件之一，其性能的好壞對慣導系統(tǒng)的精度起著決定性的作用。在復雜的溫變環(huán)境下，反射鏡式激光陀螺的性能受到較大的影響，而棱鏡式激光陀螺相比反射鏡式而言，有很大一部分光路在全反射棱鏡中通過，溫度對其影響更加劇烈，因此溫度已成為制約棱鏡式激光陀螺精度的主要因素之一[1]。

傳統(tǒng)的溫度補償方法均是針對于單溫度點，在緩變的溫度下，補償是有效的；而在復雜的溫變環(huán)境下，就需要考慮溫度梯度及溫度變化率的影響。一些學者已經研究了復雜溫變環(huán)境下零偏的補償，并取得了一定的成績[2-7]。本文結合棱鏡式激光陀螺的特點，從陀螺零偏溫度特性著手，找出對零偏影響較大的溫度檢測點，并在某型棱鏡式激光陀螺上進行了試驗。

1 棱鏡式激光陀螺零偏溫度特性

溫度對棱鏡式激光陀螺的影響是一個綜合過程，既會影響環(huán)形激光器工作氣體的物理特性，也會影響激光陀螺的結構參數(shù)，進而引起激光陀螺的零偏誤差。

1.1 溫度對工作氣體物理特性的影響

溫度變化會引起環(huán)形腔內氦、氖氣體壓強產生變化。同時環(huán)形激光器的輸出功率與氦氖氣體的比例(簡稱氣比)及壓強密切相連。不同氣壓、氣比下的激光輸出功率如圖1所示。

圖1 激光輸出功率與He-Ne氣壓、氣比關系

可見，環(huán)形激光器中氣體壓強的變化不能忽略不計，氣體壓強的變化將引起環(huán)形激光器輸出功率的變化。在實際工作中發(fā)現(xiàn)，-40 ℃時的輸出信號強度是70 ℃時的 ，顯然陀螺的信噪比發(fā)生了變化，從而引起零偏誤差。

1.2 溫度對激光陀螺結構參數(shù)的影響

(1)隨著溫度的升高，環(huán)形激光器的外圍組件，如：光電探測器、全反射棱鏡、抖動桿、壓電陶瓷片以及加熱器軟管等都會發(fā)生相應的形變。由硅橡膠固定的光電探測器隨著溫度的變化有可能引起位置的偏移或旋轉，這樣由光電探測器輸出的兩路信號可能幅值相差很大，相位差超出規(guī)定的范圍，引起計數(shù)或鑒相誤差。溫度的升高使全反射棱鏡的折射率增大，引起光學程長增大，此時需要快速減小加熱器電壓，達到穩(wěn)程長的目的，不過加熱器屬于大慣性環(huán)節(jié)，穩(wěn)程長需要很長時間，故變溫條件下程長很難穩(wěn)定[8]。抖動桿和壓電陶瓷片組成抖動機構，溫度變化使抖動桿在高低溫下的固有頻率發(fā)生變化，且壓電陶瓷片在高低溫下的驅動能力不一致，故變溫下抖動的效果不一樣，即引起光路變化的方向不一致。同時加熱器軟管熱脹冷縮，會對諧振腔腔體造成不同程度的牽引，引起全溫下偏頻量不一致，導致光路變化，最終引起零偏誤差；

(2)陀螺內部元件的材料不同，導致溫度變化引起的形變不同。環(huán)形激光器主要由微晶玻璃和全反射棱鏡組成，抖動裝置則是由低膨脹合金加工而成，這兩種材料的膨脹系數(shù)相差10倍，溫度變化后，引起抖動裝置與環(huán)形激光器之間的變化量不一致，相互之間產生一定的扭矩，從而使激光陀螺的輸入軸發(fā)生偏移或旋轉，在陀螺的安裝基準與光學軸線之間形成誤差，從而引起零偏誤差；

(3)激光陀螺在總裝過程中，部件與部件之間的連接大多是用各種不同的膠粘結，膠具有很強的熱塑性，熱脹冷縮。溫度變化會使膠的收縮量與被粘部件的收縮量不一致，膨脹量與所粘零件的膨脹量不一致，使零件的裝配位置發(fā)生改變，引起零偏誤差。

2 零偏溫補模型

2.1 溫度點的選擇

溫度點選擇是否恰當，將影響到所測溫度能否反映整個陀螺的溫度變化，最終直接影響補償精度的優(yōu)劣。

棱鏡式激光陀螺由基座、諧振腔、光電探測器、壓電引燃變壓器、鋁支撐罩、內外磁屏蔽罩等組件構成。其中諧振腔平板中心的溫度近似反映整個諧振腔溫度的變化，所以該位置放置一個溫度傳感器；氦氖氣體通道的溫度變化會使得氣體總氣壓發(fā)生改變，而環(huán)形激光器的輸出功率與氦氖氣體的壓強密切相連，所以溫度的變化影響激光輸出功率，最終影響光強進而影響激光陀螺的零偏，故在氦氖氣體通道附近放置一溫度傳感器；穩(wěn)頻氣體附近的溫度影響該氣體的折射率，使光路發(fā)生偏移，從而影響零偏，所以在該位置也放置一溫度傳感器；測空氣的溫度是為了構造陀螺光學本體與外界環(huán)境的溫度梯度，因此在鋁支撐罩頂部空氣中放置一溫度傳感器。

故采集的溫度點如圖2所示，圖中：①為諧振腔平板中心(T1)；②為氦氖氣體通道附近(T2)；③為穩(wěn)頻氣體附近(T3)；④為懸掛在內支撐罩頂部中心的空氣中(T4)。

圖2 溫度采集點

2.2 陀螺零偏與溫度的關系

控制溫箱完成25 ℃→-40 ℃→25 ℃→70 ℃→25 ℃的溫變過程，同步采集陀螺輸出與陀螺溫度，采樣時間為100 s，由于4路溫度的大體趨勢基本相同，取T1作為代表，則零偏與溫度的關系如圖3所示。

圖3 零偏與溫度的關系

如圖3所示，陀螺零偏與溫度具有明顯的相關性。25 ℃→-40 ℃降溫過程中，零偏下漂；-40 ℃→25 ℃升溫過程中，零偏上漂；25 ℃→70 ℃ 升溫過程中，零偏下漂；70 ℃→25 ℃降溫過程中，零偏上漂；且溫度變化率越大，溫度轉折點的陀螺零偏突變越大，溫度不變時，陀螺零偏比較平穩(wěn)。

2.3 模型確定

在快速溫變情況下，不僅要考慮到靜態(tài)溫度項，還要考慮到溫度變化率和溫度梯度的影響[2]?；谕勇萘闫c溫度的曲線關系知，溫度、溫度變化率及溫度梯度與陀螺零偏具有較強的相關性，在溫度變化的轉折點上陀螺零偏有明顯突變，且變化方向具有一定的規(guī)律性，因此可以考慮建立基于溫度、溫度變化率、溫度梯度及其交叉項的二階零偏溫度模型[9-12]。

由于在實際應用中難以安裝兩個以上的溫度傳感器，首先根據(jù)模型1選擇出對零偏補償效果最佳的溫度檢測點；然后根據(jù)模型2選擇出對零偏補償效果最佳的某兩個檢測點的溫度梯度；最終確定兩個最佳溫度檢測點。

模型1 含溫度、溫度變化率及其交叉項的二階模型

(1)

模型2 含溫度、溫度變化率、溫度梯度及其交叉項的二階模型

(2)

3 零偏溫度誤差辨識與補償

3.1 試驗方案

首先，選用西安北方捷瑞光電科技有限公司生產的棱鏡式激光陀螺，將4個PT100溫度傳感器分別貼在上文所述的4個位置?？刂茰叵渫瓿?5 ℃→-40 ℃→25 ℃→70 ℃→25 ℃的一組溫度循環(huán)，溫變速率1，變溫時間分別為6.5 h，6.5 h，6.5 h，3 h。同步采集陀螺脈沖數(shù)與溫度，采樣時間為100 s。共測試兩組數(shù)據(jù)，分別記為A1和A2。再在-40～70 ℃之間，溫度隨機變化測試兩組數(shù)據(jù)，記為A3和A4；

然后，將A1作為辨識數(shù)據(jù)，采用多元逐步回歸法，分別對模型1和模型2進行不同溫度檢測點的參數(shù)辨識。設引入變量的顯著性概率為0.05，剔除變量的顯著性概率為0.2。得到模型決定系數(shù)R-square，最小均方誤差RMSE[13-15]。

最后，用模型1、模型2及溫度檢測點數(shù)據(jù)分別對A2進行補償，補償前零偏穩(wěn)定性記為S，補償后零偏穩(wěn)定性記為S1(即輸出角速率與零偏的差的標準差)，零偏穩(wěn)定性提高百分比記為S2(即(S-S1)/S)。根據(jù)零偏穩(wěn)定性提高百分比確定最佳溫度檢測點。

3.2 試驗結果

3.2.1 模型1參數(shù)辨識及補償

分別以T1、T2、T3、T4作為T，以A1作為辨識數(shù)據(jù)，通過逐步回歸法進行參數(shù)辨識，對測試數(shù)據(jù)A2進行補償，補償結果如表1所示。

表1 模型1的不同溫度檢測點補償

由表1可知，T=T3時補償效果最好，所以確定T3作為T。

3.2.2 模型2參數(shù)辨識及補償

基于模型1的結果，選擇T3作為T，分別用T1-T3、T2-T3、T4-T3選作為ΔT，通過逐步回歸法進行參數(shù)辨識，對測試數(shù)據(jù)A2進行補償。補償結果如表2所示。

表2 模型2的不同溫度檢測點補償

由表2可知，T=T3和ΔT=T1-T3時補償效果最好，所以確定T3作為T，T1-T3作為ΔT。

3.2.3 最佳溫度檢測點確定

比較上述兩種模型的最佳狀態(tài)，從中選出最佳溫度檢測點，各指標如表3所示。

表3 兩種模型最佳狀態(tài)比較

從表3中可以看出，模型2(T=T3、ΔT=T1-T3)的R-square最大，RMSE最小，對補償數(shù)據(jù)的零偏穩(wěn)定性提高百分比最大，綜合以上指標，確定最佳溫度檢測點為T1、T3兩處，其中，T3作為溫度；T1-T3作為溫度梯度。

3.2.4 補償結果分析

采用上述得到的最佳模型及最佳溫度檢測點，對A3、A4兩組隨機測試數(shù)據(jù)進行補償，曲線如圖4和圖5所示，A3補償前零偏穩(wěn)定性為0.039 1，補償后零偏穩(wěn)定性為0.014 2，零偏穩(wěn)定性提高63.68%；A4補償前零偏穩(wěn)定性為0.038 9，補償后零偏穩(wěn)定性為0.014 0，零偏穩(wěn)定性提高64.01%。

圖4 補償A3

圖5 補償A4

從圖4和圖5可以看出，補償零偏與實際零偏相似程度越高，補償后效果越好，表現(xiàn)為補償后零偏曲線波動性小，零偏值從正負趨于零。說明了溫度檢測點選擇的合理性。

4 結束語

通過理論分析棱鏡式激光陀螺的零偏溫度特性，初步選擇了對零偏影響較大的4個溫度檢測點，并通過試驗得出陀螺零偏與溫度、溫度變化率及溫度梯度相關性較強的結論。經過大量試驗數(shù)據(jù)的分析處理，并用二階動態(tài)溫度模型對4個溫度檢測點進行優(yōu)化選擇，得出以諧振腔平板中心、穩(wěn)頻氣體附近作為最佳溫度檢測點的結論。采用模型2對兩組隨機溫變數(shù)據(jù)進行補償，零偏穩(wěn)定性提高60%以上。該分析結果為提高棱鏡式激光陀螺的精度提供了參考。

[1] 趙東洋,石順祥,李家立.全反射棱鏡式環(huán)形激光器的溫度效應[J].光子學報,2006,35(11):1627-1631.

[2] 周璐,任磊,劉晴晴,等.環(huán)形激光陀螺零偏熱效應補償模型的研究[J].傳感技術學報,2013,26(3):353-356.

[3] 潘獻飛,楊杰,吳美平.復雜溫變環(huán)境下的激光陀螺零偏補償方法[J].中國慣性技術學報,2011,19(2):234-237.

[4] 張鵬飛,王宇,湯建勛.機抖激光陀螺多溫度點實時溫度補償方法的研究[J].兵工學報,2010,31(5):562-566.

[5] 郭創(chuàng),張宗麟,王金林.激光陀螺溫度特征點選擇及其補償[J].光電工程,2006,33(6):130-134.

[6] 徐文強.全反射棱鏡式激光陀螺的零偏分析及溫度補償[D].西安:西安電子科技大學,2012.

[7] 趙小寧,李縣洛,雷寶權.激光陀螺零偏溫度補償研究[J].中國慣性技術學報,2004,12(3):55-57.

[8] 劉健寧,劉繼芳,石順祥.全反射棱鏡式激光陀螺腔長控制過程研究[J].電子科技,2010，23(7):32-35.

[9] 高伯龍,李樹棠.激光陀螺[M].長沙:國防科技大學出版社,1984.

[10] 毛奔,林玉榮.慣性器件測試與建模[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2009.

[11] 張鵬飛,龍興武.二頻機抖激光陀螺零偏的溫度特性的逐步回歸分析[J].光學技術,2006,32(5):738-740.

[12] 劉明雍,周良榮,趙濤.激光陀螺溫度誤差補償方法[J].魚雷技術,2009,17(5):53-57.

[13] Sun Hongwei,Fang Jiancheng,Li Jianli.Temperature errors modeling for micro inertial measurement unit using multiple regression method[C].Qingdao,China:Proceedings of the International Symposium on Intelligent Information Systems and Applications,2009.

[14] Wu G,Gu Q.Thermal characteristics and thermal compensation of four frequency ring laser gyro[C].Wuhan,China:IEEE Position Location and Navigation Symposium,2002.

[15] 嚴恭敏,李四海,秦永元.慣性儀器測試與數(shù)據(jù)分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

Zero Bias Compensation of Multiple Temperature Points of the Prism Laser Gyro

HE Xiaoli1，TAO Yuanbo1,2

(1.Xi’an North Jierui Opto-Electronics Technology Ltd., Xi’an 710111, China;2. School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

The optical path of the prism ring laser gyro is different from that of the reflector ring laser gyro in that quite long optical path is through the prism, so the temperature has an effect on zero bias. This article analyzes the characteristics between zero bias of prism laser gyro and temperature, and studies the relationship between the zero bias and the temperature, temperature change rate and temperature gradient. A multi-point second-order dynamic temperature model in complex temperature environment is established, with the two temperature measuring points for great contribution to gyro’s zero bias optimized and the random temperature variable data compensated. Results show the multi-point second-order dynamic temperature model can better compensate the zero bias’s variety introduced by complex temperature variety, with bias stability improved by more than 60%.

prism; laser gyro; optical path; temperature measuring point; compensation

2016- 07- 09

何曉莉(1981-)，女，工程師。研究方向：光電子技術等。陶淵博(1990-)，男，博士研究生。研究方向：儀器科學與技術，激光陀螺等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.039

TN249;TP241;U666.1

A

1007-7820(2017)06-138-04