光纤陀螺仪误差分析与补偿

2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
4）光路功能元件的性能；
光路功能元件包括偏振器、耦合器(分束器，合束器)、 相位调制器以及光电检测器等。 在光纤陀螺中，偏振器的不理想、光纤线圈的偏振干扰 以及其它器件的偏振波动效应等对光纤陀螺的偏置稳定性影 响很大。此外，器件性能不佳导致引入后与光纤的对接所带 来光轴不对准，接点缺陷等引起的附加损耗和缺陷，产生破
和散粒噪声（与光探测过程相关联的基本噪声）都是影响光 纤陀螺仪性能的噪声源。
目前的解决方法有：
（1）优选调制频率来减少噪声分量，用电子学方法来减少 放大器噪声； （2）尽量选择大的光源功率和低损耗的光纤通路，来加大 光信号，提高抑制比，以相对减少散粒噪声的影响。
3. 光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用
3. 光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用
国外主要光纤陀螺开发商正在开发4种不同等级的光纤陀螺， 这些光纤陀螺几乎覆盖了陀螺的所有应用领域。这4种类型包括 用作低性能速率传感器的速率级陀螺；用于战术导弹、航天飞机、 火车、自主制导运载体的方向信息基准和船用陀螺等平台的战术 级陀螺；用在飞机、许多陆地导航、导弹等惯性导航系统中的惯 性级陀螺；以及应用于精密宇宙飞船、潜艇导航以及航天飞行器 的瞄准和稳定的战略级陀螺。
国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于 航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界
上研制光纤陀螺的单位已有40多家，包括美国霍尼韦尔 (Honeywell)、利顿(Litton)、史密斯(Smith)、诺思罗 普(Northrops)、联信(AliedSignal)等，日本航空电子 工业有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司，日 立公司，德国利铁夫(LITEF)公司，法国光子（IXSEA） 公司等世界著名的惯导公司，精度范围覆盖了从战术级 到惯性级、战略(精密)级的各种应用。
光外差式光纤陀螺仪 延时调制式光纤陀螺仪 开环式工作方式
按有无反馈信号
闭环式工作方式
1.2 光纤陀螺仪的分类
干涉型光纤陀螺仪
开环式I-FOG直接检测干涉后的Sagnac相移，主要用作角速度 传感器。这种光纤陀螺结构简单，价格便宜，但是线性度差，动态 范围小。
1.2 光纤陀螺仪的分类
干涉型光纤陀螺仪
光纤陀螺应用级别划分
级别
速率级 战术级 惯性级 战略级
零偏稳定性(度/小时)
10~1000 0.1~10 0.01 0.001
标度因数稳定性
0.1~1% 10~1000 ppm <5 ppm <1 ppm
3. 光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用
光纤陀螺还可用于精确制导弹药,可极大提高弹药的命中精 度。20 世纪90年代初的海湾战争中，美国“战斧”巡航导 弹上就装备有光纤陀螺，使导弹的稳定性和命中率得到显 著提高。在战争中，即使卫星导航因在强电子干扰而无法 获得准确信息,光纤陀螺依然可以保证飞行器自主导航、精 确制导和准确命中目标。
2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
1）抑制光纤中的散射噪声 ；
光纤中的后向瑞利散射是由于光纤内部介质不均匀而产生的， 还可以认为它是随机分布的后向反射。当光纤中后向散射光和主 光束相干叠加时，对主光束将产生相位影响。光纤中后向瑞利散 射以及来自光界后面的后向散射是光纤陀螺仪的主要噪声源。 目前抑制这些噪声的主要方法有： （1）采用超发光二极管等低相干光源； 后向瑞利散射引起的相位噪声大小主要依赖于光源的相干长 度，短相干光源中，散射光对主光束的相干度很小，因而主光束 的相位基本上不受散射光的影响，后向瑞利散射噪声得到抑制。 （2）对后向散射光提供频差并对光源进行脉冲调制； （3）采用光隔离器； （4）用宽带激光器、跳频激光器、相位调制器等作为光源，以破 坏光源的时间相干性，使其后向散射光的干涉平均为零。
光 纤 捷 联 惯 性 导 航 系 统
参考文献
[1]邓志红，付梦印，张继伟，肖烜. 2012. 惯性器件与惯性导航系统[M]. 北京：科学出版社. [2]Herve C．Lefevre．光纤陀螺仪[M]．张桂才，王巍，译． 北京： 国 防工业出版社，2002 [3]吉云飞，黄继勋. 光纤陀螺仪预滤波技术研究及应用[J]. 导航与控制. 2011.10(2):34-38. [4]董庆亮，杨建宇. 光纤陀螺仪及其在海洋重力仪中的应用[J].测绘时空. 2011.2 . [5]王巍，杨清生，王学锋. 光纤陀螺的空间应用及其关键技术[J]. 红外 与激光工程. 2006. Vol.35. No.5: 510-512. [6]杨亭鹏，刘星桥，陈家斌. 光纤陀螺仪(FOG)技术及发展应用[J]. 火 力与指挥控制. 2004 .29(2):76-79. [7]顾宏. 高精度光纤陀螺仪及其关键技术研究. 南开大学博士学位论文. 2008. [8]毛奔，林玉荣. 惯性器件测试与建模[M]. 哈尔滨工程大学出版社. 2009.
参考文献
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坏互易性的新因素。
减少这些器件噪声的主要方法： （1）采用保偏光纤，提高偏振器消光比；
（2）采用偏振面补偿装置及退偏振镜； （3）提高器件和光路组装工艺水平，以获得高性能的器件和 光路。
2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
5）抑制光电检测器及电路的噪声 ；
除探测器灵敏度之外，调制频率噪声、前置放大器噪声
若波长变化是由温度引起，则直接测量温度，进行温度补偿；
（2）对于返回光的影响，采用光隔离器，信号衰减器或选 用超辐射发光二级管等低相干光源。百度文库
2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
3）减小温度引起的系统漂移 ；
一方面，环境温度的变化将使纤芯的折射率及媒质(包括纤 芯、包层和涂敷层)的热膨胀系数以及光纤环的面积发生改变， 从而影响光在媒质中的传输，直接影响到对转动角速度检测的标 度因数的稳定性；另一方面，热辐射造成光纤环局部温度梯度， 引起左右旋光路光程不等，从而引起非互易相移，这个非互易的 相位偏移将叠加在由Sagnac效应产生的非互易相移中，从而影响 光纤陀螺的精度。 常用的抑制方法主要有： （1）对光纤线圈进行恒温处理，铝箱屏蔽隔离并进行适当的温 度补偿； （2）采用温度系数小的光纤和被覆材料； （3）采用四极对称方法来绕制光纤环并在工艺和状态控制上提 出严格要求，以减少温度引起的温度漂移。
光纤陀螺仪 误差分析与补偿
娜茜泰 3120120368 导航制导与控制
目录
1、光纤陀螺仪基楚知识回顾 2、光纤陀螺仪中的误差分析 3、光纤陀螺仪在捷联惯导系统中的应用
与传统机电陀螺相比,光纤陀螺仪无运动部件和磨损 部件, 具有可靠性高、寿命长、体积小、质量轻、功耗 低、力学环境适应性好、动态范围大、线性度好、启动 快速、频带范围宽等优点。 光纤陀螺仪不仅具有激光陀螺仪的各种优点，而且 它无克服“自锁”用的机械抖动装置，也不用在石英块 精密加工出光路，降低了结构的复杂性和生产成本。而 且，利用不同规格的基本元件，可构成适合不同要求的 高、中、低级光纤陀螺仪，因此具有极大的设计灵活性， 得到了大力研究和发展。
美国的AIM一120B／C型中距空空导弹，AGM一142空地导 弹都采用LN200光纤陀螺惯性测量组件。LN一200采用的 光纤陀螺，它与微硅加速度计一起构成的整个惯性测量 组合。
2004 年1月26日，美国的“勇气”号和“机遇”号探测 车经过7个月飞行后成功登陆火星，所用的导航系统为诺斯罗 普·格鲁门公司生产的光纤陀螺导航系统。该系统提供了飞船 飞行中姿态测量所需的线加速度和角加速度信息；确定了飞船 进入火星大气层缓慢降落和着陆伞最佳打开时机；提供了火星 探测车在火星陆地表面运动过程中姿态、速度信息和探测车上 高增益天线的定位。
2.1 光纤陀螺仪的主要性能指标
各类陀螺的精度特性
光纤陀螺 环形激光陀螺 动力调谐陀螺 液浮陀螺 静电陀螺
磁谐振陀螺
气浮陀螺 轴承陀螺
微机械陀螺
漂移稳定性
度/小时
2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
1）抑制光纤中的散射噪声 ； 2）改进半导体激光光源的噪声特性； 3）减小温度引起的系统漂移 ；
4）改善功能元件的性能；
4
1.1 光纤陀螺仪的组成
探测器 光纤环
调制器
光源
耦合器
光纤陀螺组成示意
6
1.2 光纤陀螺仪的分类
干涉式光纤陀螺仪（I-FOG）
谐振式光纤陀螺仪（R-FOG）
按原理与结构
受激布里渊光纤陀螺仪（B-IFOG） 锁模光纤陀螺仪
法-珀光纤陀螺仪（Fabry-Perot）
相位差偏置式光纤陀螺仪
按相位解调方式
5）抑制光电检测器及电路的噪声 ；
6）提高FOG的环境适应性 ；
光路的互易性
光纤陀螺正常工作前提是保证其光路互易性。所谓 互易性是指两束相干光除因相位调制及线圈旋转产生的
相位差外，不存在其它任何因素引起的相位差。换句话
说，使系统中顺、逆时针传播的两束光受到的外部干扰 完全一致，在输出中不反映任何外界干扰的影响。对光 纤陀螺仪，满足互易性，就要具有同光路、同偏振态和 同模式三个特征。
闭环式I-FOG 利用反 馈回路由相位调制器引入 与Sagnac相移等值反向的 非互易相移，实时抵消 Sagnac相移，使陀螺仪始 终工作在零相位状态。通 过检测补偿相位来测量角 速度。它是一种较精密且 复杂的FOG ，主要用于中 等精度的惯导系统。
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2.1 光纤陀螺仪的主要性能指标
（1）零偏 当输入角速度为零时，陀螺仪的输出量，以规定时间内测得输出量 的平均值相应的等效输入角速度表示，单位为（⁰⁄h）。 （2）标度因数 陀螺仪输出量与输入量角速率的比值。 （3）零漂 又称零偏稳定性，它的大小值标志着观测值围绕零偏的离散程度， 单位为（⁰⁄h）。 （4）随机游走系数 由白噪声产生的随时间积累的输出误差系数，其量纲为⁰⁄√h，它反 映了光学陀螺输出随机噪声的强度。
2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
2）改进半导体激光光源的噪声特性；
光源的波长变化、频谱分布变化及光功率的波动，将直 接影响干涉的效果。返回到光源的光直接干扰了它的发射状 态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，引起发光强度 和波长的波动。 目前的解决方法有： （1）对于光源波长变化的影响，通过数据处理方法解决；