楊　萌，孫　強(qiáng)，尹　劍

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

基于多項式模型的光纖陀螺溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

楊萌，孫強(qiáng)，尹劍

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

介紹了溫度對光纖陀螺的影響，分析了影響光纖陀螺輸出精度的因素。為提高陀螺的溫度適應(yīng)性，將多項式模型應(yīng)用于光纖陀螺溫度補(bǔ)償中，并用試驗測試數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。數(shù)據(jù)分析表明，可以明顯改善陀螺性能，將陀螺零偏從2.5°降到0.5°以內(nèi)。

光纖陀螺；溫度補(bǔ)償；多項式模型

0　前言

光纖陀螺以薩格奈克效應(yīng)為原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、靈敏度高、動態(tài)范圍寬和耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，引起世界各國的普遍重視，在慣性導(dǎo)航和測量系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

光纖陀螺為適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，一般要求其具有較寬的工作溫度范圍，但由于構(gòu)成光纖陀螺的主要部件如光纖線圈、集成光學(xué)器件、光源等受環(huán)境溫度影響較大，溫度變化會引起光纖陀螺光路的非互易性，導(dǎo)致光纖陀螺零位漂移和標(biāo)度因數(shù)的不穩(wěn)定，造成光纖陀螺出現(xiàn)溫度漂移，影響光纖陀螺在不同溫度下的性能表現(xiàn)。對光纖陀螺溫度特性進(jìn)行研究，建立相應(yīng)模型，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，是工程上解決上述問題的有效手段之一。

本文從理論上分析了溫度對光纖陀螺的影響，在理論分析的基礎(chǔ)上建立了多項式模型，并應(yīng)用于溫度補(bǔ)償，試驗證明，可以將陀螺零偏從2.5°降到0.5°以內(nèi)。

1　溫度對光纖陀螺的影響

近年來，國內(nèi)外對抑制光纖陀螺溫度漂移的研究大多通過光纖陀螺機(jī)理結(jié)構(gòu)的改善、增加硬件溫控及軟件建模補(bǔ)償進(jìn)行研究。由于構(gòu)成光纖陀螺的主要部件都對環(huán)境溫度比較敏感，會導(dǎo)致光纖陀螺的主要性能參數(shù)零偏及零偏穩(wěn)定性受環(huán)境溫度變化的影響而變差，標(biāo)度因數(shù)的線性度和對稱性也嚴(yán)重惡化從結(jié)構(gòu)及機(jī)理上消除溫度誤差難度大。而在實際應(yīng)用中，很多應(yīng)用光纖陀螺的系統(tǒng)受限于重量和空間等因素，無法提供完善的溫控措施。因此現(xiàn)階段軟件建模補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ玫搅藦V泛的研究。在對光纖陀螺進(jìn)行溫度特性理論分析和試驗研究的基礎(chǔ)上，建立誤差模型進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高光纖陀螺在全溫度范圍的性能表現(xiàn)，已經(jīng)成為解決光纖陀螺溫度穩(wěn)定性的必要手段。

光纖陀螺零偏溫度漂移的建模與補(bǔ)償，實際上就是從觀測到的溫度漂移數(shù)據(jù)中尋找補(bǔ)償規(guī)律。溫度變化是影響光纖陀螺輸出精度的重要因素，溫度對光纖陀螺零偏的影響主要表現(xiàn)在溫度變化、溫度梯度和溫度速率三個方面。

由于可以通過溫度傳感器采集陀螺內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度，因此可以很方便地研究溫度和零偏及標(biāo)度因數(shù)之間的關(guān)系。由于多項式在理論上能夠表達(dá)任意的映射關(guān)系，因此建立溫度與零漂、溫度與標(biāo)度因數(shù)之間的多項式模型，可以進(jìn)行有效補(bǔ)償，提高光纖陀螺的輸出精度。

2　多項式模型的建立

下面建立陀螺溫度漂移的多項式模型進(jìn)行補(bǔ)償。

采用如下多項式模型：

3　試驗結(jié)果

在試驗室常用的光纖陀螺隨機(jī)選擇了一只陀螺進(jìn)行高低溫零偏測試，測試步驟如下：

（1）在陀螺的殼體上和敏感線圈軸上都放置溫度傳感器，以實時監(jiān)測外部環(huán)境和敏感線圈軸的溫度，分別為和。根據(jù)最小二乘擬合，即可求得擬合系數(shù)、、和；

試驗中分別測量了20°C，25°C和30°C，并分別計算了各系數(shù)如下表：

根據(jù)計算出的系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，可以發(fā)現(xiàn)：陀螺零偏從2.5°降到0.5°以內(nèi)，試驗結(jié)果證明了多項式模型在溫度補(bǔ)償中的有效性。

4　總結(jié)

本文介紹了光纖陀螺溫度補(bǔ)償方法，分析了溫度對光纖陀螺性能的影響，建立了基于多項式模型的溫度補(bǔ)償方法，并通過試驗證明了該方法的有效性，對提高光纖陀螺溫度適應(yīng)性和全溫度性能表現(xiàn)有一定的指導(dǎo)意義。

［1］張春熹，李森，陳光見.光纖陀螺慣性測量組合的數(shù)字溫控系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，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，張桂才.光纖陀螺敏感線圈的溫度漂移特性與繞圈技術(shù)研究［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，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.干涉型光纖陀螺溫度漂移建模與實時補(bǔ)償［J］.航空學(xué)報，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，崔佳濤，章博，杜新政.高精度光纖陀螺溫度實驗研究［J］.宇航學(xué)報，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］ 馮麗爽，南書志，金靖.光纖陀螺溫度建模及補(bǔ)償技術(shù)研究［J］.宇航學(xué)報，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　系數(shù)、、和

表1　系數(shù)、、和

表2?。╥=1，2，3，4）分別對應(yīng)的（j=0，1，2）系數(shù)

表2?。╥=1，2，3，4）分別對應(yīng)的（j=0，1，2）系數(shù)