CN101256078B - 消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法。在光纤陀螺输出中添加一个加速度校正环节，在该环节中通过加速度计获取垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度，利用预先测试拟合得到光纤陀螺标度因数的加速度效应多项式函数，对光纤陀螺输出进行校正，消除光纤陀螺标度因数加速度效应的影响。加速度效应多项式的系数预先通过转台测试拟合得到，在转台上选定偏离转台轴向值各异的一系列测试点，测试计算得到各点标度因数和加速度，用最小二乘法拟合得到标度因数加速度效应多项式的系数。该方法能有效消除加速度对光纤陀螺性能的影响，提高对姿态、位置等的解算精度，最终改善应用系统的动态性能。

Description

消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感技术，特别是涉及一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速度测量仪，其工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差，通过检测该相位差，即可得到环形干涉仪所在系统的角速度。由于光纤陀螺具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制等应用系统中。

光纤陀螺输出的数字信号的大小和输入角速度的比例系数称为光纤陀螺的标度因数，简称为标度因数；标度因数由光纤陀螺所用光纤圆环的截面积、光纤长度和光源波长等决定，理想情况下为常数；但由于所用光源波长变化、结构变化及信号处理方案的不同，该比例系数不是常数，而是在不同环境下有一定的偏差，常用标度因数非线性度来描述这个偏差的大小。

很多应用场合中测量参数为角度，需要将光纤陀螺输出的角速度信息对时间进行积分以获得旋转角，从而要求光纤陀螺在相当宽的范围内都具有很高的精度，因为任何过去的误差都会削弱未来的信息，从而要求有高的标度因数性能，而且越高精度的应用系统对标度因数的精度要求越高，需要保证标度因数在不同运动状态下的误差均小于某一数值，否则最终会导致应用系统将会误差过大而动态性能下降。

当前光纤陀螺研究主要集中在其静态性能上，如零偏的温度性能或标度因数的温度性能等，这些参数都为静态性能，和光纤陀螺实际应用环境有区别。实际应用中，系统主要处于运动状态中，必然存在加减速，静态性能指标并不能完全描述光纤陀螺在这种环境下的实际工作性能状态，若要更准确全面地评价光纤陀螺的指标，需要进一步考虑其动态性能。

影响动态性能中的一个重要因素是标度因数的加速度效应：垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度引起光纤圆环截面积的变化，导致标度因数随加速度变化的现象。静止运动时系统速度不变，标度因数的加速度效应为零；而实际应用中系统更多的是处于运动状态，此时必然存在的加减速过程将导致光纤陀螺输出信号的标度因数随系统加速度的变化而变化，影响了加速度信号的正确解算，削弱了应用系统的动态性能。需要这样一种技术，能够消除光纤陀螺标度因数的加速度效应，使光纤陀螺在动态加减速过程中，标度因数能够保持足够稳定的性能指标，以配合系统的应用要求，提高动态性能指标。

发明内容

针对目前光纤陀螺研究中，动态性能逐渐成为评价光纤陀螺的重要指标，而标度因数加速度效应降低限制了该指标的现状，本发明的目的在于提供一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法，以保证标度因数在动态加减速过程中保持和静态一致的性能，以配合应用系统要求，提高动态性能。

发明原理：

光纤陀螺标度因数为光纤陀螺的输出和输入之间的关系，标度因数K可表示如下式，其中L、D分别为光纤陀螺所用光纤圆环的光纤长度和环半径，LD表示了光纤圆环的有效截面积，λ为光纤陀螺的光源波长，c为真空中光速：

$K=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}---\left(1\right)$

从式(1)可以知道，标度因数反比于光源波长λ、正比于光纤圆环的光纤长度和环直径的乘积，在理想状态下，L、D和λ不变化，标度因数是一个常数。但实际上，光纤圆环不是理想的刚体，在受垂直其轴向(也即光纤陀螺的敏感轴)平面内力的作用下截面形状会产生畸变，如从原来的圆变为椭圆，其等效截面积LD也会发生变化；若系统在垂直其轴向平面内进行加减速运动，则在光纤圆环内产生相同方向的加速力，改变了等效截面积LD，并导致了标度因数是加速度的函数，此即为光纤陀螺标度因数的加速度效应。而沿光纤圆环轴向的力不会影响光纤陀螺的等效截面积LD，不会造成标度因数的变化。

标度因数加速度效应的具体形式决定于光纤圆环的结构刚性，光纤圆环的刚性越好，该函数关系越弱，但实际设计过程中兼顾到重量等其他原因，不能完全消除这个关系；且此关系函数为一个非线性函数，其变量为垂直光纤圆环轴向平面内的加速度的幅度大小，和该加速度在该平面内的具体方向无关。

可通过数值计算的方法计算得到标度因数和加速度的关系函数，但需要对光纤环进行仔细的建模，而且由于在加速度幅度小于10g(g：重力加速度，近似等于10米每秒平方)时，加速度对标度因数的影响一般只有万分之几的量级，数值计算误差较大。更容易实现的工程方法是通过选取一系列角速度点，测量这些测试点下系统的标度因数和加速度，通过多项式函数拟合得到标度因数和加速度的关系函数的近似函数，即加速度效应的多项式表达式。

具体可利用转台进行这项工作：使光纤陀螺敏感轴和转台转动轴平行但不重合，两者的距离记为R，选定一个旋转角速度记为W，记录对应的光纤陀螺输出数据记为F。由光纤陀螺输出数据和加速度的比值得到标度因数K，即：

K＝F/R                         (2)

转动使得光纤陀螺在垂直其敏感轴的平面内受到的加速度ACC表示为：

ACC＝W²R                       (3)

固定转速W，改变偏心距R，则等效于对光纤陀螺施加不同的加速度，测试在不同R下光纤陀螺的标度因数K(R)，可产生对应于不同加速度ACC(R)的不同标度因数，对这两个序列进行多项式拟合，得到光纤陀螺标度因数K(R)和加速度ACC(R)的关系函数的近似n阶多项式表示可记为：

K(R)＝K₀+a*ACC(R)+b*ACC(R)²+c*ACC(R)³+…+j*ACC(R)ⁿ    (4)

其中K₀为静止状态下的标度因数，a、b、c…、j为不同次数项的系数。由于光纤圆环为轴对称环，光纤陀螺标度因数K(R)为加速度ACC(R)的偶函数，其奇次项系数为零，仅有偶次项，从而(4)可简化为：

K(R)＝K₀+b*ACC(R)²+d*ACC(R)⁴+…+j*ACC(R)²ⁿ          (5)

利用转台测试得到的K(R)和加速度ACC(R)序列，根据(5)进行拟合得到各项的拟合函数。实用的拟合多项式有3项就可以在10倍重力加速度内的标度因数加速度效应造成的非线性度抑制到50ppm内，所以一般选取4阶多项式作为拟合多项式，对于要求更高的应用场合，可以采用更高次的多项式进行拟合，也即说一般拟合多项式如下表示，只需拟合常数K₀、b、d即可：

K(R)＝K₀+b*ACC(R)²+d*ACC(R)⁴          (6)

对于绝大多数的应用系统，都配置有三个正交陀螺以及三个正交的加速度计，以实现对方位、速度、位置等的解算。利用应用系统本身具有的加速度计提供的加速度信号，以及预先得到的标度因数加速度效应的近似多项式表达式，即可对光纤陀螺输出信号进行校正，从而消除标度因数的加速度效应；而对于某些极少只配置了光纤陀螺的应用系统，可以在垂直于光纤陀螺敏感轴的平面内引入双轴微加速度计进行加速度测量，并结合标度因数加速度效应的近似多项式表达式消除标度因数加速度效应。

本发明采用的技术方案如下：

在光纤陀螺输出中添加一个加速度校正环节，在该环节中通过加速度计获取垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度，利用预先测试拟合得到光纤陀螺标度因数的加速度效应多项式函数，对光纤陀螺输出进行校正，消除光纤陀螺标度因数加速度效应的影响。

所述的通过加速度计获取垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度，是由位于该平面内正交配置的两个加速度计提供，对于配置有加速度计的应用系统，是直接选用该平面内两个加速度计的加速度信号；对于无加速度计的应用系统，通过在该平面内附加一个双轴微加速度计实现对加速度测试，以提供加速度信号。

所述光纤陀螺加速度效应的多项式函数由预先测试拟合得到，具体为：利用转台进行测试，使光纤陀螺敏感轴和转台转动轴平行但不重合，两者距离即偏心距为R，选定一个旋转角速度W转动转台，记录光纤陀螺的输出为F；由光纤陀螺输出数据和角速度的比值得到标度因数K＝F/W；由偏心距R得到光纤陀螺在垂直其敏感轴的平面内受到的加速度ACC＝WR²，测试在不同偏心距下的标度因数K(R)和加速度ACC(R)，得到光纤陀螺标度因数序列K(R)和加速度序列ACC(R)，根据拟合四次多项式K(R)＝K₀+b*ACC(R)²+d*ACC(R)⁴拟合得到静止状态下的光纤陀螺标度因数K₀，以及二次、四次项的系数b和d，此即光纤陀螺标度因数加速度效应的多项式函数表达式。

所述的加速度校正环节接收光纤陀螺的输出数据F和加速度计输出加速度大小ACC，按权利要求3中的多项式K＝K₀+b*ACC²+d*ACC⁴计算对应于该加速度大小的光纤陀螺标度因数K，校正光纤陀螺新输出FN为：FN＝F/K。

本发明具有的有益效果是：

利用应用系统提供或增加的微加速度计提供的加速度信息，用标度因数加速度效应的拟合多项式对光纤陀螺输出数据进行校正，并提供了获取角速度效应拟合多项式系数的有效方法，最终使光纤陀螺在运动状态下具有和静态下一致的标度因数性能，保证光纤陀螺的应用系统能够获取更准确的角速度信息，进行姿态、位置等的解算，提高应用系统的动态性能。

附图说明

图1是光纤陀螺光纤圆环在不同加速度下的截面图。

图2是光纤陀螺标度因数和加速度的关系示意图。

图3是利用加速度进行校正的光纤陀螺在不同加速度下的归一化标度因数。

图4是利用加速度计进行光纤陀螺的补偿示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是光纤陀螺光纤圆环在不同加速度下的截面图；其中1为静止状态下光纤陀螺光纤圆环在垂直于光纤陀螺敏感轴平面上的截面图，该截面图中光纤圆环为无畸变的圆形；2为光纤陀螺在光纤陀螺敏感轴方向(图中为垂直于纸面的方向)存在加速度时的截面，其形状保持为圆而不畸变，也即沿敏感轴方向的加速度不影响光纤截面的形状，也不影响标度因数；3、4分别是在光纤陀螺垂直于光纤敏感轴平面内两个正交方向分别存在加速度时光纤圆环的截面形状，其中3存在沿纸面左右方向的加速度，4存在沿纸面上下方向的加速度，在这两种情况下光纤圆环的截面都畸变为椭圆(为方便表示，图中夸大了这个畸变)，畸变程度和实际加速度的大小有关，而和加速度在该平面内的具体方向无关。畸变使光纤陀螺的有效面积LD减小，从而改变了光纤陀螺的标度因数，造成光纤陀螺在光纤敏感轴垂直面上存在加速度时标度因数发生偏差，此即标度因数的加速度效应，加速度效应的存在降低了系统在运动状态下的动态性能。

图2是光纤陀螺标度因数和加速度的关系示意图，其中横坐标为光纤陀螺在垂直于光纤陀螺敏感轴的平面内所受加速度的大小，单位为重力加速度g，纵坐标为光纤陀螺以加速度为零时的标度因数为1的归一化的标度因数；光纤陀螺标度因数K正比于光纤圆环的有效截面积LD(L、D分别为光纤圆环的光纤长度和环半径)，在静态下截面为圆，此时截面积LD取最大值，而在存在加速度时，环出现畸变，其有效面积LD随着加速度的绝对值的增加而减小，两者为单调递减的函数关系，从而标度因数也按同样的规律变化；并且由于圆环本身的圆对称特性，标度因数的变化仅决定于在垂直于光纤陀螺敏感轴的平面内的加速度绝对值，而和该加速度在该平面内的方向无关；加速度大小可由该平面内正交配置的两个加速度计平方和的平方根求得，也就是如果该平面正交配置的两个加速度计的输出加速度信号分别为ax、ay，则合成的加速度的大小可以表示为： $a=\sqrt{a{x}^2+a{y}^2}.$

图3是利用加速度进行校正的光纤陀螺在不同加速度下的归一化标度因数，可以看到经过加速度校正之后，光纤陀螺在不同的加速度下的标度因数偏差小于30个ppm(ppm：百万分之一)。无法将标度因数完全校正，因为光纤陀螺系统中仍然存在着其他如波导、光源等带来的标度因数误差；在图中标度因数随在加速度变化已经没有明显的规律，并且此时和零角速度时候的标度因数的偏差也远远小于图2中所示的，可认为此时光纤陀螺的输出数据已消除了加速度效应，在不同的加速度下保持相对一致的标度因数，尚存的标度因数偏差来源于系统中其他误差源的影响。

图4是利用加速度计进行光纤陀螺的补偿示意图，图中：5为未经加速度校正的光纤陀螺，6为上位机系统，7为本发明中增加的加速度校正环节。原有系统不含加速度校正环节7，光纤陀螺5的加速度信号直接发生到上位机系统6中，供其进行姿态、位置等解算，典型的上位机系统如导航系统、姿控系统等；这种直接数据输出的方法中，由于光纤陀螺加速度效应的存在，使得提高的实际加速度信号有偏差，最终导致了上位机系统6对姿态、位置等量解算的误差；本发明中引入加速度校正环节7，将光纤陀螺的数据经过加速度校正环节7进行加速度校正，消除加速度对标度因数的影响后，在提供给上位机系统6，从而最终提高整个应用系统对姿态、位置等参数的解算。加速度校正环节7包括虚线框内的8、9、10、11、12五个部分，其中8、9为垂直于光纤陀螺敏感轴平面内正交配置的两个加速度计，加速度计8和9分别提供该平面内两个正交配置的加速度分量给加速度计算器10，加速度计算器10实现垂直于光纤陀螺敏感轴平面内加速度幅度的大小计算，其具体计算公式为若8、9输出加速度信号分别为ax、ay，则10实行下面公式的计算：合成加速度ACC： $\mathrm{ACC}=\sqrt{{\mathrm{ax}}^2+{\mathrm{ay}}^2},$ 加速度计算器10计算得到合成加速度a后将之输入到标度因数校正器11，由标度因数校正器11实现对加速度效应的校正，具体校正的公式为：K＝K0+b*ACC²+d*ACC⁴，其中K0为光纤陀螺在加速度为零时候的标度因数，b、d分别为加速度二次项的系数，b、d可以通过转台测试的方法得到。b、d的具体测试方法是：

通过选取一系列角速度点，测量在光纤陀螺这些测试点下的标度因数和加速度大小，进行多项式函数拟合得到。具体利用转台进行这项工作：使光纤陀螺敏感轴和转台转动轴平行但不重合，两者的距离记为R，选定一个旋转角速度即为W，记录光纤陀螺的输出即为F。由光纤陀螺的输出数据和角速度的比值得到标度因数K，也即：K＝F/R，而转动在垂直光纤陀螺敏感轴的平面内产生一个向心加速度记为ACC，则：ACC＝W²R。固定W，改变偏心距离R，则等效于对陀螺施加不同的加速度，测试在不同R下的光纤陀螺标度因数K，可以产生对应于一系列加速度的一系列标度因数，利用这两个个序列进行多项式拟合，得到光纤陀螺标度因数K(R)和加速度ACC(R)的关系函数的近似4阶多项式表示，记为：K(R)＝K₀+b*ACC(R)²+d*ACC(R)⁴，其中K₀对应于静止状态下的标度因数，其他各项分别对应于不同拟合项，b、d为二次、四次拟合项的系数。通过加速度计算器10计算得到标度因数K之后，将它输入到除法器12的一个输入端作为除数，除法器12的另外一个输入端来自原来光纤陀螺的输出信号F，其作为除法器的被除数，除法器12实现对光纤陀螺输出数据F的校正，校正光纤陀螺新输出FN为：FN＝F/K，并将新的光纤陀螺的输出输入到上位机6中，以进行姿态、位置等的解算，提高应用系统的动态性能

Claims (3)

1.一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法，其特征在于：在光纤陀螺输出中添加一个加速度校正环节，在该环节中通过加速度计获取垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度，利用预先测试拟合得到光纤陀螺标度因数的加速度效应多项式函数，对光纤陀螺输出进行校正，消除光纤陀螺标度因数加速度效应的影响；

所述光纤陀螺加速度效应的多项式函数由预先测试拟合得到，具体为：利用转台进行测试，使光纤陀螺敏感轴和转台转动轴平行但不重合，两者距离即偏心距为R，选定一个旋转角速度W转动转台，记录光纤陀螺的输出为F；由光纤陀螺输出数据和角速度的比值得到标度因数K＝F/W；由偏心距R得到光纤陀螺在垂直其敏感轴的平面内受到的加速度ACC＝WR²，测试在不同偏心距下的标度因数K(R)和加速度ACC(R)，得到光纤陀螺标度因数序列K(R)和加速度序列ACC(R)，根据拟合四次多项式K(R)＝K₀+b*ACC(R)²+d*ACC(R)⁴拟合得到静止状态下的光纤陀螺标度因数K₀，以及二次、四次项的系数b和d，此即光纤陀螺标度因数加速度效应的多项式函数表达式。

2.根据权利要求1所述的一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法，其特征在于：所述的通过加速度计获取垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度，是由位于该平面内正交配置的两个加速度计提供，对于配置有加速度计的应用系统，是直接选用该平面内两个加速度计的加速度信号；对于无加速度计的应用系统，通过在该平面内附加一个双轴微加速度计实现对加速度测试，以提供加速度信号。

3.根据权利要求1所述的一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法，其特征在于：所述的加速度校正环节接收光纤陀螺的输出数据F和加速度计输出加速度大小ACC，按多项式K＝K₀+b*ACC²+d*ACC⁴计算对应于该加速度大小的光纤陀螺标度因数K，校正光纤陀螺新输出FN为：FN＝F/K。

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