光纖陀螺“四位置”誤差機理研究

摘 要： 光纖陀螺慣導系統在位置標定實驗時，光纖陀螺繞輸入基準軸的不同位置零偏不一致，稱為“四位置”誤差。結合光纖慣性組合標定時出現的“四位置”誤差問題，通過對光纖陀螺法拉第效應誤差模型和對實驗數據的分析，研究了“四位置”誤差與光纖陀螺磁敏感性和輸入軸失準角之間的關系。得出光纖陀螺“四位置”誤差主要是由地磁場影響造成。對光纖陀螺采用磁屏蔽措施，可以顯著減少“四位置”誤差。

關鍵詞： 光纖陀螺儀； 磁敏感性； 四位置誤差； 失準角

中圖分類號： TN911?34； U666.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0138?04

0 前 言

光纖陀螺是一種新型的基于Sagnac效應的角速度傳感器，近30年中取得飛速發展，已經廣泛應用于海、陸、空、潛、天等諸多領域。光纖陀螺的主要敏感元件是由光纖繞制的光纖環。由于光纖本身可以敏感多種物理量，造成光纖陀螺的各種非互易誤差[1?2]，而這些誤差源在光纖陀螺系統中有各種各樣的表現形式，“四位置”誤差便是其中之一[3]。通過實驗測定擬合曲線得出某只陀螺“四位置”誤差已經與精度指標相當。分析了造成“四位置”誤差的主要原因，并且提出了降低“四位置”誤差的方案。最后通過實驗驗證了造成“四位置”誤差主要原因為磁敏感性，并且所提磁屏蔽方案使光纖陀螺的“四位置”誤差顯著降低。

1 “四位置”誤差

為了說明光纖陀螺“四位置”誤差，首先對北航研制的某只陀螺建立平面坐標系，如圖1所示。

在光纖捷聯慣性系統做位置標定時，發現當光纖陀螺輸入基準軸（Input Reference Axis，IRA）即z軸朝上，則光纖陀螺轉動90°相差的四個位置（即陀螺x軸分別指向東南西北）時，理論上由于光纖陀螺敏感軸指向不變其輸出應該相等，但實際測量結果在這四個位置光纖陀螺輸出存在較大的偏差，稱之為“四位置”誤差[4?5]。

將這只光纖陀螺利用夾具安裝在三軸速率位置臺上，使陀螺的輸入基準軸IRA朝上，x軸初始位置指北，逆時針旋轉一周，每3°一個位置采集60 s陀螺輸出，則其輸出如圖2所示。

經過擬和曲線由圖1可以看出，這只陀螺輸出最大值為9.931 4 [°h]，出現位置為 210°，第一個最小值為9.848 9 [°h]出現的角度為53°。這只光纖陀螺的輸出繞基準軸IRA的不同位置，其最大變化值約為0.1 [°h]，已經與精度指標相當了，這就是“四位置”誤差。下面對“四位置”誤差產生的原因進行詳細分析。

2 影響“四位置”誤差主要因素分析

2.1 輸入軸失準角的影響

首先，光纖陀螺存在的失準角[γm]會造成“四位置”誤差，由于光纖陀螺在繞制光纖環時，光纖不可能完全平行于陀螺安裝基準面，所以光纖陀螺輸入軸（Input Axis，IA）不可能完全平行于輸入基準軸，即存在輸入軸失準角[6]。由于存在失準角，使光纖陀螺同樣存在“四位置”問題。下面通過實驗數據及計算確定光纖陀螺的輸入軸失準角對“四位置”問題的影響。

首先按照國軍標GJB 2426A?2004（光纖陀螺儀測試方法）測量光纖陀螺的輸入軸失準角。得到這只光纖陀螺的失準角如表1所示。

3 對“四位置”誤差的進一步實驗驗證

通過測得的失準角方向和“四位置”誤差最大值出現方向，加上以上對磁敏感軸方向的分析，可以得到失準角方向、磁敏感軸方向和實際最大誤差方向之間的關系如圖4所示，其中由于陀螺安裝問題，實際最大值方向與所轉角度相反。

由圖4可以看出，與前面的理論分析一樣，光纖陀螺“四位置”誤差最大值出現在磁軸和失準角的夾角內，且靠近磁軸。這說明磁場是導致光纖陀螺“四位置”誤差的主要原因。為了進一步驗證這一結論，將光纖陀螺更換外罩，新外罩采用鐵鎳合金屏蔽材料制作，起屏蔽地磁場的作用。然后將光纖陀螺利用夾具固定在三軸速率位置臺上，然后使陀螺的輸入基準軸IRA朝上，x軸朝北逆時針旋轉一周，每10°一個位置累計60 s陀螺輸出，則其輸出如圖5所示。

由圖5可以看出，陀螺輸出最大值為10.339 9[°h]，出現位置為116°；第二個最小值為10.283 9 [°h]出現的角度為305°，擬和的“四位置”誤差為0.056 [°h]。由于光纖陀螺光纖環未發生變化，失準角和磁敏感軸方向不變。則可以得到失準角方向、磁敏感軸方向和實際最大誤差方向在屏蔽后的關系如圖6所示，由于陀螺精度與“四位置”誤差已經基本相當，因此誤差最大值方向測量不夠精確，因此只選擇其中一個極值方向進行分析。

從以上實驗可以看出：在未加磁屏蔽前，陀螺擬合出的最大誤差方向靠近磁敏感軸，說明磁場產生的“四位置”誤差比失準角的要大的多，起主導作用；加磁屏蔽后，擬合出的“四位置”最大誤差向失準角靠近，且“四位置”誤差顯著減小，此時輸入軸失準角起主導作用；采用μ金屬進行磁屏蔽的效果顯著，使光纖陀螺的“四位置”誤差顯著降低。

4 結 語

通過定性分析光纖陀螺“四位置”誤差產生的原因及光纖陀螺磁屏蔽前后“四位置”誤差的最大方位、陀螺輸入軸失準角和光纖陀螺磁敏感軸之間的角度關系，得出了光纖陀螺“四位置”誤差主要是由地磁場影響造成。對光纖陀螺采用磁屏蔽措施，可以顯著減少“四位置”誤差。

參考文獻

[1]王新國，李愛華，許化龍.光纖陀螺測試系統設計[J].現代電子技術，2004，27（24）：46?48.

[2] 李佳桐，張春熹，張小躍，等.光纖陀螺隨機漂移的建模與濾波[J].現代電子技術2013，36（2）：129?131.

[3] LEFEVRE Herve. The fiber?optic gyroscope [M]. London：Artech House， 1993.

[4] 陳水華，楊清生，李永兵.光纖陀螺雙四位置尋北方法研究[C]//2003年慣性儀表與元件學術交流會論文集.丹東：中國慣性技術學會，2003：208?214.

[5] 谷宏強.光纖陀螺捷聯慣導系統初始對準技術研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[6] 王暉，楊德偉.光纖陀螺敏感環輸入軸穩定性研究[J].現代電子技術，2012，35（20）：137?139.

[7] 王夏霄，宋凝芳，張春熹，等.光纖陀螺的磁敏感性的試驗研究[J].北京航空航天大學學報，2005，31（10）：1116?1120.

[8] KAZUO Hotate， KUNIO Tabe. Drift of an optical fiber gyroscope caused by the Faraday effect： experiment [J]. Journal of Lightwave Technology， 1987， LT?5（7）： 997?1001.

[9] KAZUO Hotate， KUNIO Tabe. Drift of an optical fiber gyroscope caused by the Faraday effect： influence of the earth’s magnetic field [J]. Applled Optics， 1986， 25（7）： 1086?1092.

[10] SAIDA T， HOTATE K G. Formula describing drift of interferometer fiber?optic gyro due to Faraday effect： reduction of the drift in Twin?Depo?I?FOG [J]. Journal of Lightwave Technology， 1999， 17（2）： 222?228.

[11] 范振軍.多路三軸光纖陀螺自動化測試系統設計與實現[J].電子科技，2012（2）：82?85.