光纤陀螺温度漂移建模与补偿

　　0　引言

　　光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的测量仪表,与传统的机械陀螺相比具有精度高、体积小、重量轻、动态范围大、耐冲击和振动等优点。近年来光纤陀螺由于其潜在的优势和应用前景而备受重视,已经成为新一代惯性制导测量系统中的主导器件。由于构成光纤陀螺的核心部件对温度都较为敏感,温度已成为光纤陀螺迈向工程化所面临的难题之一。环境温度对光纤陀螺性能的影响主要有两方面,一是噪声,一是漂移,前者决定了光纤陀螺的最小可检测相移也即最终精度,后者用于评价陀螺输出信号的长期变化,而对于惯性制导应用来说,漂移是一个更基本的参数[1]。本文在大量试验数据的基础上,根据陀螺零漂与温度的关系,建立了相应的数学模型,并通过实验验证了模型的正确性和补偿算法的有效性。

　　1　温度效应机理

　　早在1980年,Shupe撰文曾指出,与时间有关的环境温度变化引起的非互易相移(Shupe误差),会给光纤陀螺带来大的漂移并影响其测量精度[2]。如图1所示,当两束干涉光分别沿顺时针和逆时针方向传播时,距离端点A为z处的一段光纤基元dz产生的Shupe误差为：

　　可见,如果相对光纤中点对称的两段光纤上的热扰动相同,则温度引起的相位差被抵消。通常情况下,在光路设计中,采用双极对称绕法、四极对称绕法等方法绕制光纤线圈可以有效抑制Shupe误差[3]。然而,由于光纤环在绕制过程中的非理想性,以及Y-波导、保偏光纤耦合器等器件受温度影响产生的变化,都将会造成残余的温度漂移。因此,在中高精度的光纤陀螺中,有必要对残余温度漂移进行补偿。

　　2　建模与补偿

　　理论上,外界环境温度的变化以及陀螺工作过程中内部有源器件发热都将造成光纤环内部温度场分布的变化,这是导致陀螺漂移的最直接原因。温度对陀螺漂移的影响主要表现在温度变化量、温度梯度与温变速率三个方面[4]。根据传热学原理,温度梯度可近似认为与内、外温度差成正比,因此在建模过程中用陀螺内、外壁的温度差来代替温度梯度[5]。

　　2.1　实验数据预处理

　　为了测量陀螺的温度变化,分别在某型陀螺的外壳、内壁(靠近Y波导处)安装了温度传感器。由于陀螺的温度漂移受温变速率与当前温度值的影响,为了求取陀螺全温条件下的温度模型,必须采样不同温度及不同温变速率下的陀螺零漂。一般来说样本数越多,建模结果越能正确反映其内在规律,但当样本数多到一定程度时,模型的精度也很难再提高。综合考虑建模精度和计算量,在实验过程中只选取了部分具有代表性的数据。实验设定为测量在-40,-20,0,20和40℃恒定温度下的陀螺零漂,每个温度点的测试时长均为1.5 h,以及测量温度在-30~+20℃,+20~-20℃,-20~+10℃之间以不同变化率循环变化时的陀螺零漂,每段温度的测试时间同样设为1.5h。采用相同的设置重复进行两次实验,并将各种情况下的数据随机地分为两组:一组作为样本集,另一组作为测试集,样本集的温度和陀螺零漂曲线如图2所示。