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