閭曉琴， 黃鑫巖， 高 峰， 王 寧

(北京航天時(shí)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(jī)電儀表所不具備的優(yōu)點(diǎn)，它是由光學(xué)和電子器件組成的閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)兩束光的相位差來(lái)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(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、帶寬大、啟動(dòng)快、生產(chǎn)工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。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(dǎo)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(yùn)動(dòng)。在高動(dòng)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(yùn)動(dòng)。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載體進(jìn)行劇烈、快速的搖擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，光纖陀螺儀存在較大的測(cè)量誤差，該項(xiàng)誤差制約了光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在高精度、高動(dòng)態(tài)、大機(jī)動(dòng)應(yīng)用環(huán)境下的精度。

文獻(xiàn)[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(jī)理，提出了誤差補(bǔ)償算法。但是僅分析了搖擺狀態(tài)下瞬時(shí)的角速率幅度誤差，各種補(bǔ)償方法均是針對(duì)瞬時(shí)的角速率幅度誤差。僅對(duì)瞬時(shí)的角速率幅度誤差進(jìn)行補(bǔ)償，不能消除隨時(shí)間累積的角位移誤差，這個(gè)隨時(shí)間累積的角位移誤差會(huì)嚴(yán)重影響光纖陀螺儀慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。

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

1 測(cè)試原理

光纖陀螺儀光路主要由光源、耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)和探測(cè)器組成。從光源發(fā)出的光經(jīng)2×2單模光纖耦合器進(jìn)入Y波導(dǎo)，光在光纖環(huán)中沿相反方向傳播，然后回到Y(jié)波導(dǎo)的合光點(diǎn)上發(fā)生干涉，干涉光波再次經(jīng)過(guò)2×2單模光纖耦合器，到達(dá)探測(cè)器。當(dāng)光纖陀螺繞光纖環(huán)軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jìn)而產(chǎn)生相位差，形成干涉。通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化就可以測(cè)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(yùn)動(dòng)，搖擺頻率為f，搖擺過(guò)程中最大角速率為M，則搖擺過(guò)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(duì)光纖陀螺敏感的角速率進(jìn)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(dá)式可以看出，正弦搖擺運(yùn)動(dòng)不僅是變角速率運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是變角加速度運(yùn)動(dòng)，它使得光纖陀螺的輸入角速度隨時(shí)間不斷變化[2]。

對(duì)光纖陀螺儀敏感的角速率進(jìn)行積分可得其角位移

(3)

正弦搖擺狀態(tài)下,T時(shí)間內(nèi)光纖陀螺儀的角位移表示為

(4)

對(duì)光纖陀螺儀敏感的角速率進(jìn)行積分得到的角位移減去實(shí)際的角位移A0(T)，可以得到光纖陀螺儀在T時(shí)間內(nèi)累計(jì)的角位移誤差Eerror(T)為

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

(5)

2 測(cè)試方法

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

圖1 光纖陀螺儀角振動(dòng)誤差測(cè)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(biāo)度因數(shù)，(°)/(s·LSB-1)。

對(duì)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(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的角速率，對(duì)這個(gè)角速率進(jìn)行積分，得到由于轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(dòng)臺(tái)后轉(zhuǎn)臺(tái)回到初始位置，最終的角位移就是光纖陀螺儀角振動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間累積的角位移誤差

(11)

3 測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)量誤差，搖擺過(guò)程中角位移向一個(gè)方向偏移，也就是角位移誤差隨搖擺時(shí)間線性增長(zhǎng)，最終的角位移累積誤差為0.078°。

圖2 設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整前光纖陀螺儀輸出及角位移

針對(duì)此光纖陀螺儀的正弦搖擺條件下角位移誤差特點(diǎn)，分析誤差來(lái)源是閉環(huán)反饋參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，改進(jìn)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(jì)參數(shù)調(diào)整后光纖陀螺儀輸出及角位移

從以上試驗(yàn)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(cè)量誤差，但是采用角速率積分的方法，可以明顯看出測(cè)量誤差的趨勢(shì)和規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果證明利用高頻角振動(dòng)臺(tái)和角速率積分的方法來(lái)測(cè)試分析光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的測(cè)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(dòng)臺(tái)和角速率積分的方法來(lái)測(cè)試分析光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的測(cè)量誤差，并試驗(yàn)證明了該誤差測(cè)試分析方法的有效性。采用這種方法，可以看出搖擺過(guò)程中光纖陀螺儀測(cè)量誤差的趨勢(shì)和規(guī)律，有利于分析光纖陀螺儀的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并采取合適的方法抑制該項(xiàng)誤差，提高光纖陀螺對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力、滿足高動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)合的需求。本文的研究彌補(bǔ)了現(xiàn)有測(cè)試方法的不足，為光纖陀螺儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了一種新的分析測(cè)試手段。