光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的誤差測試分析方法

閭曉琴， 黃鑫巖， 高 峰， 王 寧

(北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094)

0 引 言

光纖陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的全固態(tài)角速率傳感器，作為一種慣性儀表，具有傳統(tǒng)機電儀表所不具備的優(yōu)點，它是由光學和電子器件組成的閉環(huán)系統(tǒng)，通過檢測兩束光的相位差來確定自身角速度，因此在結(jié)構(gòu)上它是完全固態(tài)化的陀螺，沒有任何運動部件，具有可靠性高、壽命長、帶寬大、啟動快、生產(chǎn)工藝性好等優(yōu)點。是一種理想的捷聯(lián)慣性器件[1]。

目前干涉型數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺廣泛應(yīng)用于捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)[2～4]。在捷聯(lián)系統(tǒng)中，光纖陀螺與載體直接固連，直接敏感載體的角運動。在高動態(tài)環(huán)境下，陀螺不僅敏感較大的角速率，還可能承受搖擺和震蕩運動。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，當載體進行劇烈、快速的搖擺運動時，光纖陀螺儀存在較大的測量誤差，該項誤差制約了光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在高精度、高動態(tài)、大機動應(yīng)用環(huán)境下的精度。

文獻[5～8]從不同的角度分析了光纖陀螺儀搖擺誤差的產(chǎn)生機理，提出了誤差補償算法。但是僅分析了搖擺狀態(tài)下瞬時的角速率幅度誤差，各種補償方法均是針對瞬時的角速率幅度誤差。僅對瞬時的角速率幅度誤差進行補償，不能消除隨時間累積的角位移誤差，這個隨時間累積的角位移誤差會嚴重影響光纖陀螺儀慣導系統(tǒng)的導航精度。

本文彌補了搖擺狀態(tài)下光纖陀螺儀誤差測試分析方法的不足，提出了利用高頻角振動臺和角速率積分的方法來測試分析光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的測量誤差，為光纖陀螺儀的設(shè)計和應(yīng)用提供了一種新的分析測試手段。

1 測試原理

光纖陀螺儀光路主要由光源、耦合器、Y波導、光纖環(huán)和探測器組成。從光源發(fā)出的光經(jīng)2×2單模光纖耦合器進入Y波導，光在光纖環(huán)中沿相反方向傳播，然后回到Y(jié)波導的合光點上發(fā)生干涉，干涉光波再次經(jīng)過2×2單模光纖耦合器，到達探測器。當光纖陀螺繞光纖環(huán)軸向旋轉(zhuǎn)時，由于Sagnac效應(yīng)，兩束相向傳播的光束之間將產(chǎn)生光程差，進而產(chǎn)生相位差，形成干涉。通過光電探測器檢測干涉光強的變化就可以測量出轉(zhuǎn)速[1]。

假設(shè)載體沿著光纖陀螺的敏感軸作正弦搖擺運動，搖擺頻率為f，搖擺過程中最大角速率為M，則搖擺過程中光纖陀螺敏感到的角速率ω(t)可表示為

ω(t)=Msin(2πft)

(1)

對光纖陀螺敏感的角速率進行一次微分可得其角加速度

(2)

從角速率和角加速度的表達式可以看出，正弦搖擺運動不僅是變角速率運動，同時也是變角加速度運動，它使得光纖陀螺的輸入角速度隨時間不斷變化[2]。

對光纖陀螺儀敏感的角速率進行積分可得其角位移

(3)

正弦搖擺狀態(tài)下,T時間內(nèi)光纖陀螺儀的角位移表示為

(4)

對光纖陀螺儀敏感的角速率進行積分得到的角位移減去實際的角位移A0(T)，可以得到光纖陀螺儀在T時間內(nèi)累計的角位移誤差Eerror(T)為

Eerror(T)=A(T)-A0(T)

(5)

2 測試方法

如圖1所示，將光纖陀螺儀固定安裝在高頻角振動臺臺面上，光纖陀螺儀放在臺面中心位置，并使光纖陀螺儀的輸入軸和角振動臺振動軸方向一致，轉(zhuǎn)臺歸零。

圖1 光纖陀螺儀角振動誤差測試安裝示意

(6)

(7)

(8)

光纖陀螺儀敏感到的地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角速率Ωearth表示為

(9)

式中K為陀螺標度因數(shù)，(°)/(s·LSB-1)。

對光纖陀螺儀敏感到的角速率扣除地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角速率后，得到由于轉(zhuǎn)臺運動產(chǎn)生的角速率，對這個角速率進行積分，得到由于轉(zhuǎn)臺運動產(chǎn)生的角位移，可表示為

(10)

式中 Δt為陀螺數(shù)據(jù)采集周期，s。

停止角振動臺后轉(zhuǎn)臺回到初始位置，最終的角位移就是光纖陀螺儀角振動過程中隨時間累積的角位移誤差

(11)

3 測試結(jié)果分析

圖2(a)是某光纖陀螺儀正弦搖擺條件下(搖擺頻率60 Hz，搖擺過程中最大角速率為10°/s)陀螺輸出，看不出光纖陀螺儀存在明顯的測量誤差。圖2(b)是采用角速率積分的方法分析角位移誤差，可以明顯看出光纖陀螺儀的測量誤差，搖擺過程中角位移向一個方向偏移，也就是角位移誤差隨搖擺時間線性增長，最終的角位移累積誤差為0.078°。

圖2 設(shè)計參數(shù)調(diào)整前光纖陀螺儀輸出及角位移

針對此光纖陀螺儀的正弦搖擺條件下角位移誤差特點，分析誤差來源是閉環(huán)反饋參數(shù)設(shè)計問題。

對設(shè)計參數(shù)進行了調(diào)整，改進后相同搖擺條件下，此光纖陀螺儀的角位移誤差減小為0.006 5°，如圖3所示。

圖3 設(shè)計參數(shù)調(diào)整后光纖陀螺儀輸出及角位移

從以上試驗結(jié)果可以得出：在搖擺條件下，從光纖陀螺儀的輸出看不出明顯的測量誤差，但是采用角速率積分的方法，可以明顯看出測量誤差的趨勢和規(guī)律。試驗結(jié)果證明利用高頻角振動臺和角速率積分的方法來測試分析光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的測量誤差是有效的。

4 結(jié) 論

本文首次提出了利用高頻角振動臺和角速率積分的方法來測試分析光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的測量誤差，并試驗證明了該誤差測試分析方法的有效性。采用這種方法，可以看出搖擺過程中光纖陀螺儀測量誤差的趨勢和規(guī)律，有利于分析光纖陀螺儀的設(shè)計問題，并采取合適的方法抑制該項誤差，提高光纖陀螺對動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力、滿足高動態(tài)應(yīng)用場合的需求。本文的研究彌補了現(xiàn)有測試方法的不足，為光纖陀螺儀的設(shè)計和應(yīng)用提供了一種新的分析測試手段。