捷联惯导系统中光纤陀螺温漂补偿研究

　　光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的测量仪表,它利用固态的全光纤结构实现载体自转角速度的测量,与传统的机械陀螺相比有许多突出的优点,它具有启动快,体积小,质量轻,功耗低,寿命长,成本低,无高速转动部件,耐冲击,抗震性好,动态范围大,对加速度不敏感,特别适合于捷联式惯性导航,是工程应用的理想元件。由于构成光纤陀螺的核心部件对温度较敏感,因此温度是光纤陀螺工程化应用所面临的主要问题之一。

　　光纤捷联惯导系统主要由3个光纤陀螺仪和3个加速度计组成,用于测量载体姿态、位置、速度等信息。系统工作时,电源、陀螺、加速度计和控制电路会发热,导致惯导内部的温度场发生改变,环境温度的变化将对惯导内部的温度场产生干扰。根据应用背景对惯导系统快速启动和短时间工作的要求,传统的平台式温控方案由于需要加热时间而无法满足要求,为解决发射准备时间短和在给定时间内难以达到热平衡状态间的矛盾,我们必须对惯性器件及系统进行关于时间与温度的补偿[1]。在设计中,通过选择零件材料和尺寸,使惯性器件零、组件的热变性在内部实现互相补偿,尽量保持其总体参数在温度变化时稳定不变。对于无法在零、组件级进行自补偿的误差,则在系统级测得其启动热模型[2],通过计算机对误差进行外补偿。

　　本文基于应用背景的需求和系统实际工作状态,针对我们为某型产品研制的光纤惯导存在的在常温下满足系统指标要求,但在高低温条件下指标明显超差的问题,从机理上分析了光纤陀螺随温度变化的特性,重点研究了全温范围内捷联惯导系统中光纤陀螺加电后随时间和温度变化的特性,通过分析和温度试验设计得到其温度误差补偿模型,并对模型参数进行了拟合和效果验证。补偿结果表明,该方法能有效地补偿光纤陀螺在启动后偏值随温度和时间变化的输出误差,补偿后其在全温工作范围内的零偏漂移误差小于0.001(°)/s,应用精度明显提高,初始准备时间缩短到10 s,满足某型弹载系统要求。

　　1　闭环光纤陀螺工作原理与温度漂移特性分析

　　光纤陀螺[3]是一种感知载体在惯性空间转动角速度的传感器,其测量角速度的原理是基于光的Sagnac效应,即两束反向传播的相干光经过一个特定长度的光纤环后,在惯性空间,由于两束光存在光程差,由此产生一个干涉相位差,它与光纤环的旋转角速率成正比。通过光电探测器测量,经光电转换后产生一个电压信号,这个电压信号是相位差的余弦函数,由于光纤陀螺在相位差Δφs=π/2处最敏感,可实现信号的最灵敏检测,但存在以下几个问题:

　　(1)相敏检波信号依赖光源的强度I0。