連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角快速建模與補(bǔ)償方法

楊志懷，左文龍，張曉雅，張書穎

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角快速建模與補(bǔ)償方法

楊志懷，左文龍，張曉雅，張書穎

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

在全溫范圍內(nèi)應(yīng)用的光纖陀螺，其輸入軸失準(zhǔn)角隨溫度的變化是影響光纖陀螺慣性系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。特別是在大角速率或者高精度應(yīng)用時(shí)，失準(zhǔn)角的變化誤差甚至超過零偏漂移誤差和標(biāo)度因數(shù)誤差。采用溫度補(bǔ)償技術(shù)是一種提升光纖陀螺溫度性能的有效方法，其中建立精確的溫度模型是關(guān)鍵。提出了一種連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角快速建模補(bǔ)償方法。基于單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，可以有效識(shí)別光纖陀螺失準(zhǔn)角在全溫范圍內(nèi)的變化拐點(diǎn)，提高建模和補(bǔ)償?shù)木取Ｔ囼?yàn)結(jié)果表明，某型光纖陀螺全溫輸入軸失準(zhǔn)角變化約14″，補(bǔ)償后全溫輸入軸失準(zhǔn)角變化小于1″，精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在高精度光纖陀螺慣性系統(tǒng)中，該方法可用于指導(dǎo)光纖陀螺失準(zhǔn)角的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償技術(shù)研究及工程實(shí)現(xiàn)。

光纖陀螺；輸入軸失準(zhǔn)角；溫度建模；補(bǔ)償

光纖陀螺是一種全固態(tài)的角速率傳感器，在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和旋轉(zhuǎn)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。高精度光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)由溫度引起的光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角變化指標(biāo)提出了很高的要求，是影響光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要因素之一。在全溫范圍內(nèi)應(yīng)用的光纖陀螺，特別是在大角速率或者高精度應(yīng)用時(shí)，其輸入軸失準(zhǔn)角隨溫度變化的誤差甚至超過零偏漂移誤差和標(biāo)度因數(shù)誤差，嚴(yán)重制約光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性[3-8]。

光纖陀螺的核心角速率敏感元件是光纖環(huán)圈，它由固化膠粘結(jié)多匝光纖纏繞而成。光纖環(huán)圈的等效平面法線即為光纖陀螺的輸入軸（Input Axis, IA）。理想情況下，當(dāng)光纖陀螺輸入軸與安裝面法線即輸入基準(zhǔn)軸（Input Reference Axis, IRA）平行時(shí)，光纖陀螺的輸出量最大。高精度光纖環(huán)圈通常采用全脫骨技術(shù)、多極對(duì)稱繞制技術(shù)和紫外光固化膠或熱固化膠。高精度光纖陀螺所用的光纖環(huán)圈長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，繞制匝數(shù)可達(dá)上萬匝。光纖陀螺的輸入軸是每匝光纖平面矢量合成的結(jié)果。由于繞制和膠體固化的不理想，導(dǎo)致 IA軸與IRA軸并不重合。在全溫條件下，由于光纖的不理想、光纖環(huán)繞制應(yīng)力的不均勻、固化應(yīng)力不均勻以及支撐結(jié)構(gòu)與環(huán)圈接觸面的應(yīng)力不均勻等原因，導(dǎo)致光纖陀螺的失準(zhǔn)角隨溫度發(fā)生較大的變化[9]。因此，通過對(duì)光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角變化的準(zhǔn)確測(cè)量可以為光纖環(huán)圈工藝改進(jìn)和有效溫度補(bǔ)償提供依據(jù)。

通過以上分析，從機(jī)理上消除溫度變化帶來的光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角變化難度大、成本高。采用溫度補(bǔ)償技術(shù)是一種有效提升光纖陀螺溫度特性的方法[10]，其中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是如何建立一個(gè)精確模型。建模的精度越高，補(bǔ)償后的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角變化就越小，這樣才能普適各種溫度環(huán)境。通常的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角建模方法是選擇幾個(gè)典型的溫度點(diǎn)，分別進(jìn)行測(cè)試得到各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光纖陀螺失準(zhǔn)角，將其作為補(bǔ)償模型的輸入[9,11]。這種光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角的測(cè)試和建模方法，由于頻繁操作速率轉(zhuǎn)臺(tái)效率低，且隨著建模精度需求的提高需要增加更多的溫度測(cè)試點(diǎn)，會(huì)大大增加測(cè)試的時(shí)間和成本。本文提出了一種基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角快速建模補(bǔ)償方法，可以有效識(shí)別失準(zhǔn)角在全溫范圍內(nèi)的變化拐點(diǎn)，無盲點(diǎn)地全面反映失準(zhǔn)角隨溫度變化的情況。基于帶溫箱的單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)，在全溫條件下使其單向勻速旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)失準(zhǔn)角在單一方向上投影分量的全溫測(cè)試和建模，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。針對(duì)高精度光纖陀螺失準(zhǔn)角補(bǔ)償精度的需求，通過增加試驗(yàn)次數(shù)，還可以消除光纖陀螺零偏誤差、安裝誤差和轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面誤差的影響，提高失準(zhǔn)角建模精度。

基于上述方法，對(duì)某型光纖陀螺進(jìn)行輸入軸失準(zhǔn)角的測(cè)試和補(bǔ)償分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該型光纖陀螺全溫輸入軸失準(zhǔn)角變化約14″，補(bǔ)償后全溫輸入軸失準(zhǔn)角變化小于1″，精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，有助于提高光纖陀螺慣性系統(tǒng)的精度和環(huán)境適應(yīng)性。

1 光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角測(cè)試方法

光纖陀螺的輸入軸失準(zhǔn)角及其隨溫度的變化主要源于光纖環(huán)圈及其支撐結(jié)構(gòu)的物理特性。在失準(zhǔn)角測(cè)試過程中，光纖陀螺的安裝誤差和轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面誤差會(huì)影響失準(zhǔn)角的測(cè)試精度。基于高精度加工的六面體工裝，通過多方向測(cè)量失準(zhǔn)角投影分量的方法可以消除光纖陀螺安裝誤差和轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面誤差的影響[11]。

如圖1所示，將光纖陀螺安裝在高精度六面體工裝上（統(tǒng)稱為載體），并將其作為一個(gè)整體安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上。設(shè)定與六面體上安裝面垂直的軸為OZ軸（即為IRA軸）；與OZ軸垂直的六面體中相互垂直的兩個(gè)棱邊軸分別為OX軸和OY軸，其與OZ軸共同構(gòu)成一個(gè)直角坐標(biāo)系。為保證測(cè)試精度，要求光纖陀螺安裝面、六面體的安裝面和其三個(gè)軸的垂直度的加工誤差均在在角秒量級(jí)。光纖陀螺輸入軸IA與IRA軸之間的夾角即為光纖陀螺的輸入軸失準(zhǔn)角θm。

圖1 光纖陀螺與六面體測(cè)試工裝示意圖Fig.1 Schematic of the FOG and hexahedron testing

將上述載體安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，使IRA軸平行于轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面。光纖陀螺輸出ΩIA與轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速率Ω的關(guān)系可以表示為

式中：Ω0為光纖陀螺的固有零偏；θT為輸入軸失準(zhǔn)角在載體當(dāng)前測(cè)試平面內(nèi)的投影（T=x,y），其中，θx為IA在XOZ平面投影與IRA的夾角，θy為IA在YOZ平面投影與IRA的夾角。

通過采用較大輸入角速率和取光纖陀螺旋轉(zhuǎn)整周期輸出數(shù)據(jù)的方法，可以克服地球自傳的影響，提高測(cè)試精度[11]。同樣在采用較大輸入角速率條件下，通過加長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間（即取光纖陀螺旋轉(zhuǎn)多圈周期輸出數(shù)據(jù)平均值）的方法，亦可以克服地球自傳的影響，提高光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角的測(cè)試精度。在轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速率Ω一定的情況下，通過測(cè)試光纖陀螺多圈旋轉(zhuǎn)周期輸出的平均值，由公式(1)即可以計(jì)算得到θx和θy。

利用以上測(cè)得的兩個(gè)數(shù)據(jù)θx和θy，光纖陀螺的輸入軸失準(zhǔn)角可以表示為

光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角誤差可以分為常值誤差和溫度敏感誤差。常值誤差主要由光纖陀螺結(jié)構(gòu)體安裝面的平面度、六面體工裝安裝面的平面度、轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的平面度以及臺(tái)面之間的安裝誤差等因素導(dǎo)致。 常值誤差不隨光纖陀螺的環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化。溫度敏感誤差是指光纖陀螺失準(zhǔn)角隨著溫度的變化而變化，其主要與光纖環(huán)圈繞制、固化材料和粘結(jié)工藝等導(dǎo)致的環(huán)圈內(nèi)部應(yīng)力變化相關(guān)。

2 光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角變化測(cè)試系統(tǒng)及方法

將圖1所示裝有光纖陀螺的六面體工裝置于自帶溫箱的單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，將其IRA軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面平行。溫箱溫度變化曲線設(shè)置如圖2所示，當(dāng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)以較大的輸入角速率勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)的平均值變化即反映光纖陀螺的輸入軸失準(zhǔn)角隨溫度的變化情況。

圖2 溫箱設(shè)置溫度變化曲線Fig.2 The temperature change curve of the oven

圖3所示為光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角變化測(cè)試系統(tǒng)，主要包含裝單軸光纖陀螺、六面體載體工裝、單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、溫箱。

圖3 光纖陀螺輸入軸全溫失準(zhǔn)角變化測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 The test system of input axis misalignment angle

2.1 全溫失準(zhǔn)角在YOZ平面投影的測(cè)試

將光纖陀螺OY軸正向朝天平行于單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的法線方向，此時(shí)IRA軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面平行。轉(zhuǎn)臺(tái)速率以300 (°)/s的恒定速率單向旋轉(zhuǎn)，溫箱按照?qǐng)D2所示溫變曲線設(shè)置。記錄整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)。該輸出數(shù)據(jù)平均值的變化即可反映光纖陀螺失準(zhǔn)角在YOZ平面投影值隨溫度的變化情況。圖4所示即為全溫條件下，輸入軸失準(zhǔn)角的等效投影分量的變化測(cè)試曲線。

為了消除光纖陀螺零偏及地球轉(zhuǎn)速的影響，設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)以相同的角速率反向勻速旋轉(zhuǎn)，測(cè)試該條件下的光纖陀螺在全溫條件下的輸出數(shù)據(jù)。將上述兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線按公式(3)計(jì)算，可以消除光纖陀螺零偏及地球轉(zhuǎn)速的影響，得到全溫失準(zhǔn)角在YOZ平面的真實(shí)投影值。

其中，ΩIAy+和ΩIAy-分別表示轉(zhuǎn)臺(tái)正反轉(zhuǎn)條件下測(cè)試的光纖陀螺輸出曲線值。由于θAy1遠(yuǎn)小于 1，計(jì)算時(shí)近似取 sin(θAy1)≈θAy1，將其記為OY軸垂直轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面方向時(shí)的第一個(gè)測(cè)試計(jì)算值。此測(cè)試狀態(tài)下的θAy1包含光纖陀螺失準(zhǔn)角在YOZ平面的投影值、轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)誤差和光纖陀螺安裝誤差。

圖4 輸入軸失準(zhǔn)角在YOZ平面投影分量測(cè)試曲線Fig.4 The input axis misalignment angle in the YOZ plane projection component test curve

為了消除轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)誤差，將六面體繞OY軸旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述測(cè)試過程，獲得OY軸垂直轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面方向時(shí)的第二個(gè)測(cè)試計(jì)算值θAy2。取上述兩者的均值即可以消除轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)誤差，可以表示為

為了消除安裝誤差，將六面體載體繞IRA軸旋轉(zhuǎn)180°，使OY軸正向朝下平行于轉(zhuǎn)臺(tái)輸入軸。重復(fù)OY軸朝天時(shí)的2次測(cè)試過程，分別獲得OY軸垂直轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面方向的第3個(gè)θAy3和第4個(gè)θAy4測(cè)試計(jì)算值，仍然取其兩者的平均值來消除此時(shí)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)誤差，可以表示為

最終，消除安裝誤差后的IA在YOZ平面內(nèi)的投影分量與IRA軸的夾角隨溫度的變化曲線可表示為

2.2 全溫失準(zhǔn)角在XOZ平面投影的測(cè)試

將光纖陀螺繞OZ軸旋轉(zhuǎn)90°，分別使OX軸正向朝上和朝下垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面。然后按照上述 2.1中求取θy的方法進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，得到IA軸在XOZ平面內(nèi)投影分量與IRA軸的夾角隨溫度的變化曲線θx。

3 光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角建模與補(bǔ)償分析

根據(jù)上述測(cè)試和計(jì)算方法，圖5給出了全溫失準(zhǔn)角在YOZ和XOZ平面投影的計(jì)算曲線θx和θy。

圖6所示為根據(jù)公式(2)計(jì)算出的光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角變化隨溫度的變化曲線，其中光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角在全溫條件下變化約14″。

從圖6可以看出，上述基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角快速建模方法可以有效識(shí)別失準(zhǔn)角在全溫范圍內(nèi)的變化拐點(diǎn)，無盲點(diǎn)地全面反映失準(zhǔn)角隨溫度變化的情況，從而提高建模精度。針對(duì)上述測(cè)試和計(jì)算得到的數(shù)據(jù)曲線，可以采用分段式最小二乘法實(shí)現(xiàn)光纖陀螺全溫失準(zhǔn)角的建模和補(bǔ)償。為了提高建模精度，分段的拐點(diǎn)可以選擇在曲線的斜率拐點(diǎn)處，且在拐點(diǎn)附近減小分段補(bǔ)償?shù)拈g隔以提高建模精度。

選定10個(gè)分段溫度點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法建模，圖7給出了補(bǔ)償后的光纖陀螺失準(zhǔn)角變化曲線。可以看出，全溫失準(zhǔn)角變化由補(bǔ)償前的14″提高到1″以內(nèi)，性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖5 失準(zhǔn)角在YOZ和XOZ平面投影分量的計(jì)算曲線Fig.5 The input axis misalignment angel in the YOZ and XOZ plane projection component calculated curve

圖6 補(bǔ)償前光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角隨溫度變化曲線Fig.6 The relationship curve between input axis misalignment angel and temperature before compensation

圖7 補(bǔ)償后光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角隨溫度變化曲線Fig.7 The relationship curve between input axis misalignment angel and temperature before and after compensation

4 結(jié) 論

由于光纖環(huán)圈材料特性的原因，光纖陀螺輸入軸失準(zhǔn)角隨溫度變化而變化。這嚴(yán)重影響高精度光纖陀螺的工程應(yīng)用效果。基于單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，可以在大大提高建模效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全溫范圍內(nèi)的光纖陀螺失準(zhǔn)角變化無盲點(diǎn)地高精度測(cè)試，從而在分段擬合時(shí)可以精確選擇分段補(bǔ)償?shù)墓拯c(diǎn)位置，使得建模和補(bǔ)償?shù)木雀摺Ｅc此同時(shí)，采用上述測(cè)試方法對(duì)不同膠體及工藝條件下的光纖陀螺進(jìn)行全溫失準(zhǔn)角對(duì)比測(cè)試，可以指導(dǎo)光纖環(huán)圈的設(shè)計(jì)與工藝研究，從而提高光纖陀螺的工程適用性。

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Modeling and compensation method for input axis misalignment angle of FOG with continuous rotation

YANG Zhi-huai, ZUO Wen-long, ZHANG Xiao-ya, ZHANG Shu-ying
(Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)

The input axis misalignment angle along with the change of temperature is one of the major indicators of fiber optic gyro inertial navigation system, especially when applied in full temperature.Its influences are more than those of bias error and scale factor error in large angular rate or high precision applications.Temperature compensation technology is an effective method to improve the temperature characteristic of fiber optic gyro.Establishing a mathematical model for temperature is the key technique.A modeling and compensation method for the input axis misalignment angle in full temperature is presented.Based on a continuous rotation method, it can effectively identify the turning point of misalignment angle in full temperature.And then the precisions of the modeling and compensation will be improved.Experiments show that the input axis misalignment angle can be reduced from 14″ to below 1″.This method can be used to guide the real-time temperature compensation research and engineering realization of the input axis misalignment angle.

fiber optic gyro; input axis misalignment angle; temperature modeling; compensation

U666.1

A

1005-6734(2017)05-0686-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.05.022

2017-07-15；

2017-09-20

裝發(fā)部裝備預(yù)研項(xiàng)目（41417010102）

楊志懷（1982—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣饫w陀螺及光纖傳感技術(shù)、導(dǎo)航與控制。E-mail: yzhtj@126.com