光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究

摘要：温度效应误差是目前制约光纤陀螺高精度应

用的瓶颈之一。文中分析了光纤陀螺温度效应的成因及影响机理，介绍了温度效应误差补偿技术的研究现状，重点阐述了一种基于误差建模的软件补偿方法。该方法建立了以温度、温度变化率和温度梯度为变量的误差模型，使用温循实验数据进行模型参数拟合，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的补偿。仿真试验结果表明，使用该方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级。

关键词：光纤陀螺；温度效应误差；误差建模

经过几十年发展，光纤陀螺加工工艺逐渐成熟，潜在优势日益显现，已经成为新一代惯性导航系统中的理想器件[1]。目前，光纤陀螺面临着高精度的发展要求。而温度效应在很大程度上增大了光纤陀螺的输出漂移，是制约其高精度工程应用的瓶颈。

文章通过对光纤陀螺温度效应误差成因与机理的分析，结合国内外温度误差补偿技术的研究现状，提出了一种基于误差建模的软件补偿方法。仿真试验表明，该方法能有效抑制温度效应对光纤陀螺精度的影响。

1 光纤陀螺温度效应误差分析

温度效应是光纤陀螺的重要误差源之一，主要是指温度条件变化导致光纤陀螺输出漂移的现象。

引发温度效应的热量来源主要有两个：一是工作时陀螺各个元器件的自身产热；二是外界温度环境的影响[2]。光纤陀螺内部（核心器件是光纤环）的温度是这两个热源综合作用的结果。开机后的一段时间内，光纤陀螺自身产热导致的升温效应较为显著，器件内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量基本相当，形成动态平衡。之后，外部温度环境的影响占主导作用。在实际的工作环境中，陀螺外部的温度环境始终在变化，陀螺内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。

光纤陀螺内部受温度影响的元器件较多，温度效应可以看成多种相关因素共同作用的结果[3]。光纤陀螺系统由光路与电路两部分组成：光路部分包括光纤环、光源、Y波导、耦合器和光电探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号处理电路[4]。其中，光路部分的光学器件（尤其是光纤环），对于环境温度的变化更为敏感。这些器件敏感温度变化的机理不尽相同，这导致温度效应误差的成因较为复杂。如果逐一进行试验分析，工作量较大，且无法排除系统内的误差耦合。

在IEEE光纤陀螺标准[5]给出的单轴光纤陀螺输入输出模型方程中，只考虑了不同温度特征量与陀螺零偏漂移的相

关关系，用环境灵敏项E表示：

（1）

其中，？驻T为当前温度与基准温度的差值，dT/dt为温度变化率，d？荦T/dt为温度空间梯度的变化率，DT、D与分别为上述3个变量的相关敏感系数。

根据上述分析并结合式（1），可得：光纤陀螺温度效应的成因主要与绝对温度、温度变化率和温度梯度变化率这3

个特征量有关，可以分别从这3个角度进行误差分析。

首先，绝对温度在理论上不会对光纤陀螺输出误差产生。然而，在工程实际与模拟试验中，即使温度场趋于稳定，光纤陀螺的输出也会在不同的绝对温度下发生不同的漂移[6]。因此，建模分析其相关关系，对误差补偿是必要的。

其次，温度变化率对光纤陀螺输出的影响较为突出，这主要是由于光弹效应[6]。光弹效应是指由于应力作用而引起介质折射率改变的现象。当工作温度变化时，陀螺内部的光纤环会膨胀或收缩，从而产生应力，引起折射率变化，造成光纤陀螺的输出漂移。折射率n0、半径R、长度L的光纤环由光弹效应所造成的测量误差？赘e可表示为[7]：

（2）

可见，光弹效应误差与陀螺内部的温度变化率在一定范围内成正相关。

最后，温度空间梯度对光纤陀螺输出的影响主要是指热

致非互异性误差，即舒普（Shupe）效应[8]。其具体机理如下：在匝数N、面积A、总长度L、折射率n0、热膨胀系数？琢的光纤环中取一小段dx，它对相反方向传播的两束光都产生一个相位延迟，如果沿光纤方向的温度梯度随时间发生变化，就会造成角速度误差：

（3）

其中，T（0，x）和T（t1，x）为0时刻和t1时刻距离光纤端点x处的温度。针对此误差，国内外在绕环方法、结构设计等方面进行了改进，尤其是光纤环四极对称绕法[9]

在很大程度上抵消了舒普效应的影响。目前，可以认为温度梯度变化对光纤陀螺输出误差的影响远小于其他因素。

2 温度效应误差补偿技术

抑制光纤陀螺温度效应的经典方法是从工艺角度进行

改进，包括材料选取、热结构设计、绕环方法改进等方面，几十年内取得了大量的进展，但短期还不能彻底解决温度效应问题。

在当前光纤陀螺的工艺基础上，抑制温度效应误差的方法主要有两种：温度控制与温度误差软件补偿。

温度控制方法（简称“温控”）主要通过温控电路在工作中不断监测并修正光纤陀螺的温度，使陀螺工作于一个较稳定的温度环境[10]，从而有效地抑制了温度效应，提高了光纤陀螺的测量精度。但是，此方法不但增加了系统复杂性、

功耗和体积，同时延长了光纤惯导系统的启动时间。因此，在一些工程应用场合不适合采用温控方案。

温度误差软件补偿方法（简称“温补”）是指通过对实际光纤陀螺系统进行温度试验测试，辨识出其在各种温度条件变化时的误差模型，进而在电路芯片中编入程序，实现对温度效应误差的实时补偿。相比于温控，温补是一种基于数学建模的方法，额外增加的硬件较少，对系统启动时间的影响较小，是提高光纤陀螺使用精度的重要途径。

3 温补建模方法

光纤陀螺温度效应误差的高精度建模是温补技术的主

要技术难点。

建模方法一般可分为两大类：一类是机理分析法；另一类是系统辨识法。

机理分析法是根据对象的相关特性，分析变量的因果关系，总结出反映其内部机理的规律，建立具有明确物理意义的数学模型。上文中的式（2）与式（3）即是由此方法分析得到的模型公式。但是，由于目前对于光纤陀螺温度效应的相关研究并未彻底成熟（如绝对温度变化引发温度效应误差的机理尚未完全明确），使用系统辨识法很难完全建立出温度效应误差模型。系统辨识法将研究对象看作一个“黑箱”系统，不探究其内部机理，只运用统计分析算法处理系统的输入、输出数据，最后按照一定准则选取与数据拟

合得最好的模型。在光纤陀螺温度效应误差的模型辨识过程中，可以应用智能算法来提高拟合精度，如小波理论、马尔科夫链、模糊逻辑、BP神经网络、RBF神经网络等。但这些系统辨识的“黑箱”方法并未分析误差机理与构成，缺乏实际物理意义，适应性相对较差，距离工程应用还需做大量工作。

文章将这两种方法结合起来，把光纤陀螺的温度效应误差看成是一个“灰盒”模型。在建模过程中，通过机理分析确定一种合适的模型，再按照某种参数估计方法进行具体的辨识，使模型能够最优的描述光纤陀螺温度漂移的本质。参数估计方法使用基于最小二乘法的多项式拟合。该方法具有无偏性、最优性等特点，计算量较小，模型直观明了，同时兼顾个别点与整体误差问题。模型建立流程如图1所示。

结合第1章的光纤陀螺温度效应误差分析与温循实验数据特征，选取了绝对温度、温度变化率和温度梯度变化率这三个量为自变量，建立二次误差模型，按照温度导数的特征进行数据分类，对每类数据分别进行参数拟合得到多套模型参数，确定最终的误差模型。

4 温补技术的实现

搭建系统，采用DSP与FPGA技术，实现对光纤陀螺温度效应误差的在线补偿。

4.1 测温方案设计

根据光纤惯导系统组成与各单元结构布局，分析热源分布特征，得到系统内部温度场按空间分布和随时间变化的大致关系，进而确定测温传感器的合理布局，使测得的温度能够实时反映温度场的变化，为温度效应误差建模提供有效的温度场数据。

4.2 温补程序编写

在温箱中反复进行温循实验，获得多种温度条件下光纤陀螺与测温传感器的输出数据。使用第3章中的方法，建立温度效应误差模型，根据模型编写相关程序并写入DSP中。

4.3 温补电路设计

温补电路主要构成及原理如图2所示。

系统先将铂电阻测温电桥输出的模拟量转换成数字信号，再将温度数字信号和光纤陀螺输出信号在FPGA中进行处理，锁存后发给DSP进行温补计算，将计算结果返回FPGA 进行D/F转换，最后通过光电耦合器得到补偿后的陀螺输出量。

4.4 实验验证

适当更改温度条件，多次重复试验，验证温补方法的效果。某型光纤陀螺在补偿前后的精度分别为0.0445°/h和0.0065°/h，精度提高了约7倍。

5 结束语

在分析光纤陀螺温度效应误差成因的基础上，通过DSP

技术在系统中实现了对温度效应误差的在线补偿。仿真试验结果表明，使用该温补方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级，且具有较好的实用性与适应性。

参考文献

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[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

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[10]刘繁明，赵亚凤.一种新型的基于TEC的精密温控器设计[J].中国惯性技术学报，2004，12（6）：61-64.

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究 摘要：温度效应误差是目前制约光纤陀螺高精度应 用的瓶颈之一。文中分析了光纤陀螺温度效应的成因及影响机理，介绍了温度效应误差补偿技术的研究现状，重点阐述了一种基于误差建模的软件补偿方法。该方法建立了以温度、温度变化率和温度梯度为变量的误差模型，使用温循实验数据进行模型参数拟合，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的补偿。仿真试验结果表明，使用该方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级。 关键词：光纤陀螺；温度效应误差；误差建模 经过几十年发展，光纤陀螺加工工艺逐渐成熟，潜在优势日益显现，已经成为新一代惯性导航系统中的理想器件[1]。目前，光纤陀螺面临着高精度的发展要求。而温度效应在很大程度上增大了光纤陀螺的输出漂移，是制约其高精度工程应用的瓶颈。 文章通过对光纤陀螺温度效应误差成因与机理的分析，结合国内外温度误差补偿技术的研究现状，提出了一种基于误差建模的软件补偿方法。仿真试验表明，该方法能有效抑制温度效应对光纤陀螺精度的影响。 1 光纤陀螺温度效应误差分析

温度效应是光纤陀螺的重要误差源之一，主要是指温度条件变化导致光纤陀螺输出漂移的现象。 引发温度效应的热量来源主要有两个：一是工作时陀螺各个元器件的自身产热；二是外界温度环境的影响[2]。光纤陀螺内部（核心器件是光纤环）的温度是这两个热源综合作用的结果。开机后的一段时间内，光纤陀螺自身产热导致的升温效应较为显著，器件内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量基本相当，形成动态平衡。之后，外部温度环境的影响占主导作用。在实际的工作环境中，陀螺外部的温度环境始终在变化，陀螺内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。 光纤陀螺内部受温度影响的元器件较多，温度效应可以看成多种相关因素共同作用的结果[3]。光纤陀螺系统由光路与电路两部分组成：光路部分包括光纤环、光源、Y波导、耦合器和光电探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号处理电路[4]。其中，光路部分的光学器件（尤其是光纤环），对于环境温度的变化更为敏感。这些器件敏感温度变化的机理不尽相同，这导致温度效应误差的成因较为复杂。如果逐一进行试验分析，工作量较大，且无法排除系统内的误差耦合。 在IEEE光纤陀螺标准[5]给出的单轴光纤陀螺输入输出模型方程中，只考虑了不同温度特征量与陀螺零偏漂移的相

光纤陀螺仪的发展现状_周海波

2005年第24卷第6期 传感器技术(J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘　要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:T N2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 D e v e l o p m e n t s t a t u s o f f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e s Z H O UH a i-b o,L I UJ i a n-y e,L A I J i-z h o u,L I R o n g-b i n g (N a v i g a t i o nR e s C e n t e r,N a n j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,N a n j i n g210016,C h i n a) A b s t r a c t:T h ef i b e r-o p t i cg y r o s c o p e(F O G)i sc l a s s i f i e d i n t od i f f e r e n tt y p e sa c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c.T h e i n t e r n a t i o n a l s t a t u so f F O G i si n t r o d u c e da n dt h es h o r t-t e r m a n dl o n g-t e r m t r e n do f F O G i s f o r e c a s t.I t w i l l b eb e n e f i t t o t h e c o u r s e o f o u r F O G. K e yw o r d s:F O G(f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e);S a g n a c e f f e c t;i n t e r f e r o m e t r i c;r e s o n a n t;B r i l l o u i n 0　引　言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪———光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪———环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1　光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单、价格 收稿日期:2004-11-20便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H o n e y w e l l,N o r t h r o p等公司。 1

光纤陀螺仪指标 国军标

光纤陀螺仪测试方法 1范围 本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB321-1980优先数和优先系数 CB998低压电器基本实验方法 GJB585A-1998惯性技术术语 GJB151军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求 3术语、定义和符号 GJB585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。

3.1术语和定义 3.1.1干涉型光纤陀螺仪interferometric fiber optic gyroscope 仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。 3.1.2陀螺输入轴input axis of gyro 垂直于光纤环圈等效平面的轴。当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。 3.1.3标度因数非线性度scale factor nonlinearity 在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。 3.1.4零偏稳定性bias stability 当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。

MEMS陀螺误差辨识与补偿

2010年第29卷第3期 传感器与微系统(T r a n s d u c e r a n dM i c r o s y s t e mT e c h n o l o g i e s) M E M S陀螺误差辨识与补偿 谈振藩,张勤拓 (哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘　要:由于制造工艺等原因,M E M S陀螺的随机漂移非常大,严重影响了系统的性能。通过自制的基于 M E M S的捷联惯导系统的相关实验,对M E M S陀螺的确定性误差和随机误差分别进行了辨识和补偿。完 成确定性误差补偿,对M E M S陀螺随机误差进行了时间序列分析,并建立了A R模型,根据所选模型参数 建立了随机误差的系统方程,采用经典卡尔曼滤波进行随机误差补偿。实验结果说明:无论是静态下还是 动态下,补偿后信号的方差都大大下降,说明了滤波效果较为明显,具有一定的工程应用价值。 关键词:M E M S陀螺;时间序列分析;A R模型;卡尔曼滤波 中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2010)03—0039—03 E r r o r i d e n t i f i c a t i o na n dc o m p e n s a t i o no f ME MSg y r o s c o p e T A NZ h e n-f a n,Z H A N GQ i n-t u o (C o l l e g e o f A u t o m a t i o n,H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,H a r b i n150001,C h i n a) A b s t r a c t:M E M Sg y r o's r a n d o m d r i f t i s v e r yl a r g e,b e c a u s eo f t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n do t h e r r e a s o n s, w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t o n s y s t e mp e r f o r m a n c e.T h r o u g h e x p e r i m e n t s o f M E M S s t r a p d o w n i n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m, d e t e r m i n i s t i c a n ds t o c h a s t i c e r r o r w a s i d e n t i f i e da n dc o m p e n s a t e d.A f t e r d e t e r m i n i s t i ce r r o r w a s c o m p e n s a t e d,t h e s t o c h a s t i ce r r o r w a s a n a l y z e d b a s e d o nt i m e s e r i e s a n dA Rm o d e l w a s s e t u p.S y s t e m e q u a t i o no f s t o c h a s t i ce r r o r w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o nt h e s e l e c t e dm o d e l a n dt h ee r r o r w a s c o m p e n s a t e db y K a l m a nF i l t e r.T e s t r e s u l t s s h o w t h a t v a r i a n c e o f M E M S g y r o s c o p e s t o c h a s t i c e r r o r r e d u c e d g r e a t l y a f t e r f i l t e r,w h i c h i l l u s t r a t e s t h e f i l t e r i n g e f f e c t i s o b v i o u s,a n d h a s a c e r t a i nv a l u e o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n. K e yw o r d s:M E M S g y r o s c o p e;t i m e s e r i e s a n a l y s i s;A Rm o d e l;K a l m a nf i l t e r 0　引　言 微机电系统(m i c r o-e l e c t r o-m e c h a n i c a l-s y s t e m,M E M S)陀螺仪已经出现了近二十年[1],与其他陀螺相比,M E M S陀螺在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势,但由于早期精度较低,并没有引起重视。近些年,随着微电子加工技术的发展,M E M S惯性传感器特别是陀螺仪的精度获得大幅度的提高。基于M E M S惯性传感器的惯性导航系统己成为当今惯性技术领域的一个重要的研究热点。西北工业大学的苑伟政教授提出了虚拟陀螺的概念,通过研究同类传感器的相关性来提高其测量精度;东南大学的吉训生博士,把形态学滤波的思想引入到M E M S陀螺降噪中,具有一定的理论研究意义[2]。另外,还有很多学者提出了新的思路和方法,并仿真取得了一定的效果。但目前的众多学者的研究多处于理论研究方面,大多集中在对漂移的离线降噪。 M E M S陀螺仪精度较低的主要原因是输出信号中随机噪声含量较大,因此,在使用前对陀螺随机误差进行辨识和 收稿日期:2010—01—04降噪处理是十分必要的[3]。目前常用的陀螺仪随机误差辨识方法有自回归滑动平均(A R M A)建模法、功率谱密度分析(P S D)法和A l l a n方差分析法[4]。哈尔滨工程大学的张树侠教授针对激光陀螺和光纤陀螺的特点,分别建立了A R M A模型[5,6];东南大学的吉训生在对M E M S陀螺随机漂移信号建立A R(2)模型后,采用鲁棒性很强的H ∞ 滤波 方法,证明了H ∞ 滤波效果和实时性比小波变换要好[7]。 本文针对实际系统,从陀螺测量模型出发,全面地辨识出陀螺各误差项,尤其对M E M S陀螺随机噪声进行了建模和补偿,具有一定的工程实用价值。 1　M E M S捷联惯导系统 M E M S捷联惯导系统由M E M SI M U,信号采集电路,导航计算机,显示器,数字式电子罗盘H M R3000,G P S,键盘和电源等组成。 M E M S惯性测量单元(M E M SI M U)由6只M E M S陀螺和6只M E M S加速度计组成。M E M S捷联惯导系统框图 39 DOI:10.13873/j.1000-97872010.03.003

国内外光纤传感器的发展现状

国内外光纤传感器的发展现状 2011-6-29 8:25:44 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 摘要:本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。 本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，这些是目前的研究热点；后者介绍了光层析成像技术、智能材料、光纤陀螺及惯性导航系统、工业工程类传感器（其中包括电力工业用高电压、大电流传感器，利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2°/hr ；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂

陀螺最小二乘法温度补偿

基于MEMS姿态传感器温度补偿方法传感器的温度补偿方法大致可以分为两种，即硬件补偿和软件补偿。硬件补偿方法主要是改变电路来达到补偿效果，但是这种方法会导致电路的复杂化，同时提高了成本。软件补偿方法主要有最小二乘法、BP 神经网络法、回归法等。从计算的方便性和补偿精度的准确性两个方面，本文采取最小二乘法进行温度补偿。 1 姿态传感器的温度补偿原理 本文采用美国InvenSense 公司生产的ITG3205三轴陀螺仪芯片，该芯片中内嵌有数字输出温度传感器，因此可以随时检测出传感器所处的环境温度。在不同的工作环境温度下，传感器实际角度输出值与理论角度输出值会出现一定的误差，称之为温度误差。为了消除或者减少这种温度误差，利用最小二乘法进行曲线拟合，最终达到或接近理论角度输出值。 传感器根据输入的检测信号，通过姿态检测模块和温度检测模块采集相关数据，然后经过温度补偿模块进行相应的温度补偿，最后通过输出检测模块可得到预期的检测信号。姿态传感器的温度补偿原理如框图1所示。 2 姿态传感器的温度补偿方法 在同一温度下，不同角度的理论值与输出值之间严格意义上是一种非线性关系，但是由于这种误差值相对不大，可以近似的认为是一种线性关系，即y = mx + n 的线性关系。通过最小二乘法进行线性拟合，可以得出参数m 和n 的值。 此时可以发现，在不同的温度下，所拟合出来的m和n 值是随温度的变化而变化的。在此情况下，必须找出温度分别与m 和n 之间的关系，为此同样可以根据最小二乘法再次进行曲线拟合，从而得出m 值与温度之间的关系。同理也可以得出n 与温度之间的关系。经过两次曲线拟合之后，可以得出理论值与输出值之间的误差有了明显的减小，并且满足预期的要求。在实际应用中，为了达到高精度检测的要求，可以通过测量多组数据进行曲线拟合的方法来实现。 3 姿态传感器的实验数据处理 由于各轴的检测原理是相同的，因此本论文采用x轴的检测数据进行实验验证。主要的实验仪器有被测姿态传感器、经纬仪、高低恒温箱、高精度角度检测仪等。表1所得数据是未经温度补偿时的实验数据，即原始数据。

光纤陀螺的温度试验与误差补偿

第３６卷第１２期２００９年１２月 光电工程 Ｏｐｔｏ－ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０１．３６，Ｎｏ．１２ Ｄｅｅ，２００９ 文章编号：１００３—５０１Ｘ（２００９）１２—０１３２—０６ 光纤陀螺的温度试验与误差补偿 李家垒１，何婧２，许化龙１ （１．第二炮兵工程学院，西安７１００２５｝ ２．９６４１１部队２３分队，陕西宝鸡７２１００６） 摘要：分析了光纤陀螺的温度特性及非线性特性，并在组建光纤陀螺温度试验系统的基础上，进行了全温度范围下的位置试验和角速率试验，研究不同的温度及输入角速率对光纤陀螺输出的影响。根据试验结果，分别建立了光纤陀螺零偏的温度模型以及标度因数的温度和非线性模型，并采用最小二乘法拟合模型的参数。通过实测数据进行仿真验证，结果表明，建立的模型能够较好地描述光纤陀螺的温度及非线性特性，利用该模型进行光纤陀螺的温度和非线性误差补偿，取得了较好的效果，光纤陀螺的测试精度得到了较大程度的提高。 关键词：光纤陀螺；温度试验；温度模型：非线性模型 中图分类号：Ｖ２４１．５文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３．５０１Ｘ．２００９．１２．０２６ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴｅｓｔａｎｄＥｒｒｏｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆＦＯＧ ＬＩＪｉａ．１ｅｉｌ，ＨＥＪｉｎ９２，ＸＵＨｕａ－ｌｏｎｇｌ （１．ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅｓｔａｆｆ，Ｘ／＇ａｎ７１００２５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｕｎｉｔ２３ｏｆＡｒｍｙ９６４１１，Ｂａｏｊｉ７２１００６，ＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＧｙｒｏ（ＦＯＧ）ａｌｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｅｓｔｓｙｓｔｅｍ，ＳＯｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙｏｎＦＯＧ’Ｓｏｕｔｐｕｔｃａｎｂｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｒｒｏｒｍｏｄｅｌｏｆｚｅｒｏｂｉａｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｍｏｄｅｌｏｆｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒｏｆＦＯＧａｒｅｂｕｉｌｔ，ｗｈｏｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｂｕｉｌｔｍｏｄｅｌｓｔａｎｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦＯＧｖｅｒｙｗｅｌｌ，Ｔｈｅｎｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃａｎｂｅｄｏｎｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆＦＯＧＣａｌｌｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｇｒｅａｔｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｙｒｏ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｄｅｌ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｍｏｄｅｌ ０引言 光纤陀螺是一种基于Ｓａｇｎａｃ效应¨１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，如精度高、耐冲击、抗震性好、动态范围大、对重力加速度不敏感等。由于构成光纤陀螺的核心部件对温度较为敏感，温度已成为光纡陀螺迈向工程化所面临的难题之一。当光纤陀螺工作环境的温度发生变化时，在陀螺的输出信号中将产生热致非互易相位噪声¨圳，这种噪声是导致光纤陀螺零偏和标度因数不稳定的主要原因；当输入角速率比较大时，还会产生标度因数的非线性偏差，对于开环光纤陀螺尤为明显，因此有必要采取温度和非线性补偿措施。 论文对某型开环光纤陀螺进行了全温位置和速率试验，研究了其受温度影响的情况，通过对试验结果的分析和建模，得到了一些重要结论，对于研究光纤陀螺的温度特性ｐ１具有一定的工程意义和理论价值。 收稿日期：２００９－０５－３１。收到修改稿日期：２００９－０７—１７ 作者简介：李家垒（１９８３一），男（汉族），山东青州人。博士研究生。主要研究工作是光惯导系统。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｊｉａｌｅｉ２００５２００５＠ｙａｈＯｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。 万方数据

总方差方法在光纤陀螺随机误差分析中的应用

电V ol.39, No.1 第39卷第1期 光工程 2012年1月Opto-Electronic Engineering Jan, 2012 文章编号：1003-501X(2012)01-0062-06 总方差方法在光纤陀螺随机误差分析中的应用 石祥 国1，陈坚1，叶军1，王林2 ( 1. 第二炮兵工程学院，西安 710025； 2. 第二炮兵驻孝感地区军事代表室，湖北孝感 432100 ) 摘要：总方差方法被引入到光纤陀螺随机误差特性分析当中，有效克服了传统Allan方差法在长相关时间上计算易出现“崩溃”的问题。但用它直接分析光纤陀螺随机噪声存在算法偏差，不能真实反映角度随机游走噪声、量化噪声和指数相关噪声方差值，因此在算法上对总方差提出改进，使其适用于光纤陀螺噪声分析。对模拟的各项随机噪声进行仿真计算，验证改进后总方差方法可有效辨识噪声类型和水平。对光纤陀螺实测数据方差分析表明改进的总方差方法在平均因子较大的情况下可提高估计置信度，方差值稳定性好，比Allan方差法能更精确地分析出噪声项系数。 关键词：光纤陀螺；Allan方差；总方差；功率谱密度 中图分类号：TN253 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2012.01.011 Applications of Total Variance Method in Random Error Analysis of the Fiber Optic Gyro Signal SHI Guo-xiang1，CHEN Jian1，YE Jun1，WANG Lin2 ( 1. The Second Artillery Engineering College, Xi’an 710025, China; 2. The Second Artillery Representative Room of Xiaogan District, Xiaogan 432100, Hubei Province, China ) Abstract: Total variance is used to analyze the random noise of Fiber Optic Gyroscope (FOG), which efficiently solves the problem that the Allan variance calculation is easy to be unstable at long-term τ values. But there is algorithm error with total variance when analyzing the random noise of FOG directly, which cannot really reflect the variances of rate random walk noise, quantization noise and exponentially correlated noise. So an improved method based on total variance is presented to suit random noise analysis of FOG. The estimation performance with the simulated random noise shows that the improved total variance can efficiently identify the noise types and levels. According to the analysis of measured FOG signal, it can improve the confidence in the case of great mean index, the values of variance have a good stability, and it is better and more exact than Allan Variance in identifying noise coefficient. Key words: fiber optic gyroscope; Allan variance; total variance; power spectrum density 0 引 言 光纤陀螺(FOG)作为新一代的全固态惯性器件，已被广泛地应用于捷联式惯性导航系统。但由于其自身的结构特点和易受环境影响，输出信号中含有大量随机噪声，这些噪声往往呈现非平稳性和非正态分布特性，它们是影响光纤陀螺精度的一个关键因素。对光纤陀螺输出信号中的噪声进行有效地估计和辨识有助于进一步分析随机误差产生的原因，采取相应的补偿方法提高光纤陀螺性能。 Allan方差分析法作为IEEE认可的光纤陀螺误差项分析标准方法，能非常容易地对各种误差源及整个噪声统计特性进行细致的表征和辨识。“差分”是Allan方差分析的核心思想，即信号时域数据的二次差分收稿日期：2011-07-17； 收到修改稿日期：2011-10-19 作者简介：石国祥(1984-)，男(汉族)，陕西西安人。硕士研究生，研究方向：导航、制导与控制。E-mail:stone.712@https://www.wendangku.net/doc/286544733.html,。

光纤陀螺随机误差的测定方法研究(精)

第３３卷第２期应用科技Ｖ０１．３３．Ｎｏ．２２００６年２月ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ．２００６文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００６）０２—００４０—０３ 光纤陀螺随机误差的测定方法研究 罗超１，贺林２，孙蓉１ （１．哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：针对光纤陀螺的随机噪声，分析了其产生的来源；对于５种主要的噪声源，运用ＩＥＥＥ公认的在时域上 对频域稳定性进行分析的方法——Ａｌｌａｎ方差法，进行了特性分析，并给出了误差系数的计算公式．同时介绍了 只测定角度随机游走系数时的２种简单测定方法：模型拟合法、归一化计算法；对于一组实际的陀螺零偏数据 进行了测定． 关键词：光纤陀螺；随机误差；Ａｌｌａｎ方差 中图分类号：ＴＨ８２４．３文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｒａｎｄｏｍｅｒｒｏｒｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｙｒｏ ＬＵＯＣｈａ０１，ＨＥＬｉｎ２，ＳＵＮＲｏｎ９１ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆｒａｎｄｏｍｅｒｒｏｒｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｙｒｏ（ＦＯＧ）ｉｓａｎａｌｙｓｅｄ．Ｆｏｒ５ｍａｉｎｎｏｉｓｅｓ，ｔｈｅＡｌｌａｎｖａｒｉａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｎｔｉｍｅｄｏｍａｉｎａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｄｂｙＩＥＥＥ，ｉｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅａｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｓｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｅｒｒｏｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ａｇａｉｎ，ｔｗｏｓｉｍｐｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ｍｏｄｅｌｆｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄａｒｅｇｉｖｅｎｔｏｍｅａｓｕｒｅｏｎｌｙｔｈｅａｎｇｕｌａｒ

中国光纤陀螺仪市场调研报告

中国光纤陀螺仪行业 市场调研投资分析预测报告

正文目录 第一章光纤陀螺仪行业概述 (19) 第一节光纤陀螺仪简述 (19) 一、定义及分类 (19) 二、产品特性 (20) 三、主要应用领域 (21) 第二节光纤陀螺仪的型号及用途 (21) 第三节光纤陀螺仪行业发展现状 (22) 第四节产业链结构分析 (25) 第五节光纤陀螺仪生产技术和工艺分析 (28) 第六节光纤陀螺仪在生产中遇到的问题及其解决方法 (31) 第七节光纤陀螺仪行业的地位分析 (31) 一、行业在第二产业中的地位 (31) 二、行业在GDP中的作用 (31) 第八节2015-2020年光纤陀螺仪行业相关政策发展的影响展望 (32) 一、国家“十三五”产业政策发展的影响展望 (32) 二、相关行业政策的影响展望 (32) 第二章中国光纤陀螺仪行业政策技术环境分析 (34) 第一节光纤陀螺仪行业政策法规环境分析 (34) 一、国家“十三五”规划解读 (34)

二、行业“十三五”规划解读 (34) 三、行业税收政策分析 (35) 四、行业标准概述 (36) 五、行业环保政策分析 (36) 六、行业政策走势及其影响 (36) 第二节政策法规对光纤陀螺仪产品的影响 (37) 一、2014-2015年中国光纤陀螺仪环保政策执行影响分析 (37) 二、节能环保新政策对光纤陀螺仪市场的影响 (37) 三、新政策对光纤陀螺仪市场的影响 (37) 第三节光纤陀螺仪行业技术环境分析 (38) 一、国内技术水平现状 (38) 二、国际技术发展趋势 (38) 三、科技创新主攻方向 (39) 第三章光纤陀螺仪生产技术分析 (41) 第一节光纤陀螺仪主要生产工艺技术 (41) 一、光纤陀螺仪生产工艺原理 (41) 二、光纤陀螺仪生产工艺流程 (42) 第二节光纤陀螺仪其他生产方法 (43) 第三节光纤陀螺仪生产工艺优劣势比较 (46) 第四节光纤陀螺仪工艺技术的改进与发展趋势 (46) 第五节光纤陀螺仪工艺技术路线的选择 (46) 第六节光纤陀螺仪质量指标 (47)

光纤陀螺

光纤陀螺及军事应用 摘要：本文主要介绍了光纤陀螺，光纤陀螺的发展历史及其现状；在光纤陀螺分类的基础上分析其原理；光纤陀螺的特点；分别于陆海空三个不同的方面讲述光纤陀螺的军事应用以及光纤陀螺未来发展趋势。 关键词：光纤陀螺；发展历史；原理；分类；特点；军事应用；发展趋势 Fiber Gyroscope and Military Application Xu Rui (School of Economy and Administration, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: This paper mainly introduces the development history and present situation of fiber optic gyroscope, optical fiber gyroscope; analyze its principle based on the classification of the characteristics of fog; fog; military application and development trends in the future about the fiber optic gyroscope fog on three different aspects of armed respectively Keywords: Fiber gyroscope；History；principle；Classification；Characteristic；Military application；Development trend. 1 前言 现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中 广泛使用的一种惯性制导仪器，它的发展对一个国家的 工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意 义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械 式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精 度受到了很多方面的制约[1]。光纤陀螺仪作为新一代的 陀螺仪，是一种利用Sagnac效应测量旋转角速度的新型 全固态惯性仪表[2]，较为常见的外形如图（1）所示。光 纤陀螺因其零部件少、体积小、抗电磁辐射和冲击能力图1 光纤陀螺 强、寿命长、易于集成、成本低等优点而飞速发展, 广泛用于兵工、航海、航空、航天等军事领域。 2 光纤陀螺仪的发展历史及现状 自从美国犹他大学的VAL I和 SHORTHI LL等人成功研制第1个光纤陀螺以来,光纤陀螺已经发展了将近30年。以下是光纤陀螺的主要发展历程[3~7]。 1970 年,新一代低损耗光纤推动光纤陀螺的研制; 1976年, VAL I和SHORTHI LL 等人成功研制了干涉式光纤陀螺(I-FOG);1977 年～1982年,对光纤陀螺的基本结构进行研究,提出了光纤陀螺最小结构,开环结构和闭环结构,并提出了谐振式光纤陀螺(R-FOG)和布里渊光纤陀螺(B-FOG)的思想;1980年～1990年,对光纤陀螺的误差因素和光学元件进行研究,引入了超辐射发光二极管、保偏光纤、光学铌酸锂集成芯片、绕纤技术等,对光纤陀螺提出“all digital”的概念,首次实现商业化(实用于波音777);1990 年至今,光纤陀螺的实际应用研究(特别是航天航空,工业领域),运用光电集成芯片(LiNbO 质子交换光波导)、微光电机械、 3 信号处理技术等技术致力于降低光纤陀螺成本、小型化、高性能的研究,对I-FOG

光纤陀螺寻北仪的发展现状

光纤陀螺寻北仪的发展现状 1光纤陀螺的研究及应用现状 (1) 2 陀螺寻北仪的发展情况 (1) 1光纤陀螺的研究及应用现状 在惯性导航和惯性制导系统中，陀螺仪是极其重要的敏感元件。所谓惯性导航，就是通过测量运载体的加速度，经过计算机运算，从而确定出运载体的瞬时速度和瞬时位置。所谓惯性制导，则是在得到这些参数的基础上，控制运载体的位置以及速度的大小和方向，从而引导运载体飞向预定的目标。 以陀螺仪和加速度计为敏感元件的惯性导航和惯性制导系统，是一种完全自主式的系统。它不依赖外部任何信息，也不向外发射任何能量，具有隐蔽性、全天候和全球导航能力。因此，惯性导航成为现代飞机、大型舰只和核潜艇的一种重要导航手段，而惯性制导则成为地地战术导弹、战略导弹、巡航导弹和运载火箭的一种重要制导方法。此外，惯性导航还可陆军炮兵测位、地面战车导航以及大地测绘等领域。由此可见，陀螺仪在航空、航天、航海、兵器以致国民经济的某些部门中都有着广泛的应用。 2 陀螺寻北仪的发展情况 第一阶段，20世纪50年代在船舶陀螺罗经的基础上，研制出矿用液浮式陀螺罗盘，这是陀螺寻北仪发展的初级阶段。在这个阶段，德国的克劳斯塔尔矿业学院于1949年研制出液浮式单转子陀螺球，电磁定中心，陀螺电源频率333HZ，电压为100伏三相交流电，陀螺转速19000转/分。一次观测中误差06'' ±，定向时间4小时，仪器重量640千克。其型号为MWI，1955年和1959年相继研制出MW3和MW4a型。精度进一步提高，定向时间进一步缩短，仪器重量进一步减轻。 第二阶段，从20世纪60年代开始，利用金属悬挂带将陀螺灵敏部陀螺马达转子和陀螺房在空气中通过悬挂柱悬挂起来，悬挂带的另一端与支承外壳相固定并采用三根导流管直接向马达供电。这样构成了摆式陀螺罗盘。与第一阶段相比，仪器结构大大简化，全套仪器进一步小型化，重量大大减轻，由于电源频率稳定性大大提高，使陀螺转速稳定，减小了角动量脉动，提高了仪器观测精度。1963

光纤陀螺随机误差建模与滤波方法研究(精)

第34卷增刊光学技术Vol.34Suppl. 2008年12月OPTICALTECHNIQUEDec.2008 文章编号:100221582(2008)S2******* 光纤陀螺随机误差建模与滤波方法研究 李晓峰,徐军,张胜修 (第二炮兵工程学院,西安710025) Ξ 摘要:提出了一种适用于高精度光纤陀螺的静态输出信号建模的时间序列模型,尔曼滤波器。结果表明,该建模和滤波方法有效地减小了FOG的误差,,提高了导航精度,具有较好的实用价值。 关键词:光纤陀螺;时间序列;随机漂移;卡尔曼滤波中图分类号:U666.1文献标识码:A Studyonthemodelinggyroscoperandomerror ,J,ZHANGSheng2xiu EngineeringCollege,Xi′an710025,China) Abstract:whichcanbeappliedinthemodelingofhigh2preciseFOG′sstaticoutputsignalispre2 sented,andtheKalmanfilterofFOGrandomerrorisbuilt.Theresultshowsthatthismodelingan dfilteringmethodcanreducetheerrorofhigh2preciseFOG.Thenavigationerrorsaredepresse d,andthenavigationprecisionisimproved. Keywords:FOG;timesequence;randomdrift;Kalmanfilter 1引言 陀螺仪是用于自主测量载体相对于惯性空间旋转运动的 元件,因此以陀螺仪为核心的惯性测量系统在飞行器控制与制导,空中、海上和陆上导航/定位中都起着至关重要的作用。光纤陀螺仪是利用Sagnac效应的角速度传感器。Sagnac效应是指当环形干涉仪旋转时,产生一个正比于旋转速率的相位差。光纤陀螺仪具有可靠性高、抗冲击、频带宽、成本低、平均无故障时间长等诸多优点,因此在惯性制导和导航的许多应用领域[1,2],已经将光纤陀螺仪作为一项关键技术进行研究。