光纤陀螺仪误差分析与补偿课件

光纤陀螺仪

误差分析与补偿娜茜泰3120120368导航制导与控制1、光纤陀螺仪基楚知识回顾2、光纤陀螺仪中的误差分析3、光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用目录分束器光纤线圈透镜光探测器透镜光源光纤陀螺也是基于Sagnac效应，用光导纤维环圈代替了由反射镜片和光路组成的谐振腔；用光耦合器代替了透射镜片和半反镜片。由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了光导纤维环圈的角位移。1.1光纤陀螺仪的组成5探测器光源光纤环耦合器调制器光纤陀螺组成示意1.1光纤陀螺仪的组成6按原理与结构按相位解调方式按有无反馈信号干涉式光纤陀螺仪（I-FOG）谐振式光纤陀螺仪（R-FOG）受激布里渊光纤陀螺仪（B-IFOG）锁模光纤陀螺仪法-珀光纤陀螺仪（Fabry-Perot）相位差偏置式光纤陀螺仪光外差式光纤陀螺仪延时调制式光纤陀螺仪开环式工作方式闭环式工作方式1.2光纤陀螺仪的分类干涉型光纤陀螺仪开环式I-FOG直接检测干涉后的Sagnac相移，主要用作角速度传感器。这种光纤陀螺结构简单，价格便宜，但是线性度差，动态范围小。1.2光纤陀螺仪的分类2.1光纤陀螺仪的主要性能指标（1）零偏当输入角速度为零时，陀螺仪的输出量，以规定时间内测得输出量的平均值相应的等效输入角速度表示，单位为（⁰⁄h）。（2）标度因数陀螺仪输出量与输入量角速率的比值。（3）零漂又称零偏稳定性，它的大小值标志着观测值围绕零偏的离散程度，单位为（⁰⁄h）。（4）随机游走系数由白噪声产生的随时间积累的输出误差系数，其量纲为⁰⁄√h，它反映了光学陀螺输出随机噪声的强度。1）抑制光纤中的散射噪声；2）改进半导体激光光源的噪声特性；3）减小温度引起的系统漂移；4）改善功能元件的性能；5）抑制光电检测器及电路的噪声；6）提高FOG的环境适应性；2.2光纤陀螺仪的误差补偿技术1）抑制光纤中的散射噪声；光纤中的后向瑞利散射是由于光纤内部介质不均匀而产生的，还可以认为它是随机分布的后向反射。当光纤中后向散射光和主光束相干叠加时，对主光束将产生相位影响。光纤中后向瑞利散射以及来自光界后面的后向散射是光纤陀螺仪的主要噪声源。目前抑制这些噪声的主要方法有：（1）采用超发光二极管等低相干光源；后向瑞利散射引起的相位噪声大小主要依赖于光源的相干长度，短相干光源中，散射光对主光束的相干度很小，因而主光束的相位基本上不受散射光的影响，后向瑞利散射噪声得到抑制。（2）对后向散射光提供频差并对光源进行脉冲调制；（3）采用光隔离器；（4）用宽带激光器、跳频激光器、相位调制器等作为光源，以破坏光源的时间相干性，使其后向散射光的干涉平均为零。2.2光纤陀螺仪的误差补偿技术2）改进半导体激光光源的噪声特性；光源的波长变化、频谱分布变化及光功率的波动，将直接影响干涉的效果。返回到光源的光直接干扰了它的发射状态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，引起发光强度和波长的波动。目前的解决方法有：（1）对于光源波长变化的影响，通过数据处理方法解决；若波长变化是由温度引起，则直接测量温度，进行温度补偿；（2）对于返回光的影响，采用光隔离器，信号衰减器或选用超辐射发光二级管等低相干光源。2.2光纤陀螺仪的误差补偿技术3）减小温度引起的系统漂移；一方面，环境温度的变化将使纤芯的折射率及媒质(包括纤芯、包层和涂敷层)的热膨胀系数以及光纤环的面积发生改变，从而影响光在媒质中的传输，直接影响到对转动角速度检测的标度因数的稳定性；另一方面，热辐射造成光纤环局部温度梯度，引起左右旋光路光程不等，从而引起非互易相移，这个非互易的相位偏移将叠加在由Sagnac效应产生的非互易相移中，从而影响光纤陀螺的精度。常用的抑制方法主要有：（1）对光纤线圈进行恒温处理，铝箱屏蔽隔离并进行适当的温度补偿；（2）采用温度系数小的光纤和被覆材料；（3）采用四极对称方法来绕制光纤环并在工艺和状态控制上提出严格要求，以减少温度引起的温度漂移。2.2光纤陀螺仪的误差补偿技术4）光路功能元件的性能；光路功能元件包括偏振器、耦合器(分束器，合束器)、相位调制器以及光电检测器等。在光纤陀螺中，偏振器的不理想、光纤线圈的偏振干扰以及其它器件的偏振波动效应等对光纤陀螺的偏置稳定性影响很大。此外，器件性能不佳导致引入后与光纤的对接所带来光轴不对准，接点缺陷等引起的附加损耗和缺陷，产生破坏互易性的新因素。减少这些器件噪声的主要方法：（1）采用保偏光纤，提高偏振器消光比；（2）采用偏振面补偿装置及退偏振镜；（3）提高器件和光路组装工艺水平，以获得高性能的器件和光路。2.2光纤陀螺仪的误差补偿技术5）抑制光电检测器及电路的噪声；除探测器灵敏度之外，调制频率噪声、前置放大器噪声和散粒噪声（与光探测过程相关联的基本噪声）都是影响光纤陀螺仪性能的噪声源。目前的解决方法有：（1）优选调制频率来减少噪声分量，用电子学方法来减少放大器噪声；（2）尽量选择大的光源功率和低损耗的光纤通路，来加大光信号，提高抑制比，以相对减少散粒噪声的影响。2.2光纤陀螺仪的误差补偿技术国外主要光纤陀螺开发商正在开发4种不同等级的光纤陀螺，这些光纤陀螺几乎覆盖了陀螺的所有应用领域。这4种类型包括用作低性能速率传感器的速率级陀螺；用于战术导弹、航天飞机、火车、自主制导运载体的方向信息基准和船用陀螺等平台的战术级陀螺；用在飞机、许多陆地导航、导弹等惯性导航系统中的惯性级陀螺；以及应用于精密宇宙飞船、潜艇导航以及航天飞行器的瞄准和稳定的战略级陀螺。光纤陀螺应用级别划分级别零偏稳定性(度/小时)标度因数稳定性速率级10~10000.1~1%战术级0.1~1010~1000ppm惯性级0.01<5ppm战略级0.001<1ppm3.光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用3.光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用美国的AIM一120B／C型中距空空导弹，AGM一142空地导弹都采用LN200光纤陀螺惯性测量组件。LN一200采用的光纤陀螺，它与微硅加速度计一起构成的整个惯性测量组合。2004年1月26日，美国的“勇气”号和“机遇”号探测车经过7个月飞行后成功登陆火星，所用的导航系统为诺斯罗普·格鲁门公司生产的光纤陀螺导航系统。该系统提供了飞船飞行中姿态测量所需的线加速度和角加速度信息；确定了飞船进入火星大气层缓慢降落和着陆伞最佳打开时机；提供了火星探测车在火星陆地表面运动过程中姿态、速度信息和探测车上高增益天线的定位。[9]GEORGEA.PAVLATH.Fiber-OpticGyros:TheVisionRealized.NorthropGrumman.[10]VOLKC,

LINCOLNJ,TAZARTESD.NorthropGrumman'sfamilyoffiber-opticbasedinertialnavigationsystems[J/OL].NorthropGrumman，2006.[11]SANDERSSJ,STRANDJORDLK,MEADD.Fiberopticgyrotechnologytrends-aHoneywellperspective[C].Optica