CN106482745A - 激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试及磁致零偏温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光陀螺仪零偏磁场灵敏度的测试方法及激光陀螺仪的磁致零偏温度补偿方法，属惯性导航、制导及控制领域。本发明将原有的激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试方法进行了完善和补充，使其可以反映激光陀螺仪零偏在不同磁感应强度和不同温度条件下的磁场灵敏度特性，从而全面地评估激光陀螺仪的磁致零偏性能，基于该测试方法，本发明提出一种激光陀螺仪的磁致零偏温度补偿方法，利用已经测得的激光陀螺仪零偏在不同磁感应强度和不同温度条件下的磁场灵敏度特性，对激光陀螺仪的磁致零偏进行补偿，从而满足激光陀螺仪在不同温度及不同电磁工作环境下的性能要求，提高激光陀螺惯性导航系统的导航精度。

Description

激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试及磁致零偏温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种激光陀螺仪零偏磁场灵敏度的测试方法及激光陀螺仪的磁致零偏温度补偿方法，属惯性导航、制导及控制领域。

背景技术

激光陀螺仪是以萨格纳(Sagnac)效应为基础的由环形激光谐振腔构成的测量角速率及角度的装置。其突出优点包括：测量范围大，成本低，对振动冲击不敏感，启动快、可靠性高，功耗小等，目前已经广泛应用于航空航天、陆用车载及船舶潜艇等各个领域。在激光陀螺仪的误差源中，磁致零偏是一种由于机械加工、装配调试及材料自身属性而导致的综合性误差，特别是对于方形谐振腔的激光陀螺仪来说，闭合环形腔内的四个反射镜无法保证腔内运行的激光在一个平面内工作，如图1所示，闭合环形腔内相对的两个反射镜102，104与另外两个反射镜101，104分别构成两个平面：101-102-104和102-103-104，这两个平面的非共面角105会导致激光陀螺仪闭合环形腔内相向运行的两束激光的偏振态107发生变化，从而引起激光陀螺仪在周围磁场的作用下产生磁致零偏，对于应用在飞机、舰船、潜艇及陆用载体上的激光陀螺惯性系统来说，复杂的电磁环境对于激光陀螺仪的磁干扰会严重影响激光陀螺仪的性能，因此，为了最大限度地提高激光陀螺仪在磁场环境下的精度，就必须减小激光陀螺的磁致零偏。

文献1为中华人民共和国国家军用标准《GJB2427-95，激光陀螺仪测试方法》，该文献给出了激光陀螺仪零偏磁场灵敏度的定义和测试方法，但是该标准对于不同温度及不同磁感应强度条件下的激光陀螺仪零偏磁场灵敏度并没有给出具体的测试方法。因此本发明对该测试方法进行补充，提出新的激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试方法。

文献2为《物理学报》，2013年3月第62卷第5期，国防科技大学光电科学与工程学院汪之国等的“激光陀螺本征模偏振态与磁敏感特性的理论研究”，该文献指出：影响激光陀螺仪磁致零偏的因素除了激光陀螺仪闭合环形腔的非共面度以外，还包括增益介质在磁场作用下的塞曼效应、镜面反射、应力双折射及法拉第效应等，而这些因素在温度变化的情况下又会对激光陀螺仪磁致零偏产生新的影响，对于激光陀螺仪磁致零偏的调节一般是在常温完成的，但常温时的激光陀螺仪磁致零偏满足精度要求并不一定代表激光陀螺仪在高温或低温时的磁致零偏也满足精度要求。当激光陀螺仪安装到应用载体上时，其工作环境并不一定是在常温状态，例如飞机在飞行时，高空的环境温度常在-40℃至-50℃，而飞机机壳的温度则因高速飞行时摩擦产生的热量可以达到100℃以上，水下无人潜航器在深海航行时，水底温度也很低。因此为了满足激光陀螺仪在不同温度及不同电磁工作环境下的精度要求，需要对激光陀螺仪的磁致零偏进行温度补偿。

发明内容

本发明的目的是针对激光陀螺仪磁致零偏在温度变化情况下的特点，给出激光陀螺仪零偏磁场灵敏度在不同温度条件下的测试方法，并提出针对激光陀螺仪磁致零偏的温度补偿方法，以提高激光陀螺仪及其组成的捷联惯性导航系统在复杂温度及电磁工作环境下的精度。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试及磁致零偏温度补偿方法，包括以下步骤：

S1测量激光陀螺仪在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度，采用的测试设备包括：三维亥姆霍兹线圈、温度变化试验箱、激光陀螺仪零偏采集系统和测试工装组成，该方法包括以下步骤(注：本发明所述方法中关于激光陀螺仪轴的规定与《国军标GJB2427-95》中陀螺仪轴的规定相同)：

S1.1.将三维亥姆霍兹线圈装在温度变化试验箱内；

S1.2.将激光陀螺仪装在测试工装上，所述测试工装为铝材，铝材内含铁量应不超过1.5％，以降低对磁场的影响；

S1.3.将装在测试工装上的激光陀螺仪放在三维亥姆霍兹线圈中，设置激光陀螺仪敏感轴IA与三维亥姆霍兹线圈的X轴平行，激光陀螺仪另外两个轴NA和LA分别与三维亥姆霍兹线圈的另外两个轴：Y轴和Z轴平行；

S1.4.设置温度变化试验箱的温度为20℃，对激光陀螺仪进行通电预热，预热时间为10分钟以上；

S1.5.不加磁场，保持温度变化试验箱的温度1个小时，使激光陀螺仪内部达到热平衡状态；

S1.6.用激光陀螺仪零偏采集系统对激光陀螺仪的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；

S1.7.用三维亥姆霍兹线圈对激光陀螺仪施加X轴方向的磁场，磁感应强度为0.5mT；

S1.8.用激光陀螺仪零偏采集系统对激光陀螺仪的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；

S1.9.设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺仪施加X轴方向的磁场，令磁感应强度分别为1.0mT、1.5mT和2.0mT，重复S1.7；

S1.10.设置三维亥姆霍兹线圈电流，分别对激光陀螺仪施加Y方向和Z方向的磁场，重复S1.7、S1.8、S1.9后关闭三维亥姆霍兹线圈；

S1.11.激光陀螺仪继续通电工作，设置温度变化试验箱的温度后，重复S1.5、S1.6、S1.7、S1.8、S1.9和S1.10；

S2对激光陀螺仪的磁致零偏进行温度补偿，该方法包括以下步骤：

S2.1.对S1中采集到的激光陀螺仪数据进行处理，计算激光陀螺仪在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度：

其中：

为激光陀螺仪分别在第i(i＝1,2,3,......,n)个温度点沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时激光陀螺仪的零偏磁场灵敏度，(°/h/mT)；

为沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加到激光陀螺仪上的第j(j＝1,2,3,......,m)次磁感应强度，mT，本发明中，m＝4，4次磁感应强度分别取为0.5mT、1.0mT、1.5mT和2.0mT；

为激光陀螺仪分别在第i(i＝1,2,3,......,n)个温度点沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加第j(j＝1,2,3,......,m)次磁场时激光陀螺仪的零偏，(°/h)；

B₀(T_i)为激光陀螺仪分别在第i(i＝1,2,3,......,n)个温度点没有施加磁场时激光陀螺仪的零偏，(°/h)；

S2.2.对S2.1中计算得到的各个离散温度点的激光陀螺仪零偏磁场灵敏度 进行拟合从而得到在该温度点分别沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时激光陀螺仪零偏磁场灵敏度的连续函数

S2.3.对于实际使用中的激光陀螺仪，其零偏输出信号通过实时采集到的温度及磁感应强度信号利用S2.2拟合计算得到的激光陀螺仪在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度进行实时补偿，经过补偿后激光陀螺仪零偏为：

其中：B为激光陀螺仪经过补偿后的实时零偏输出，(°/h)；

B₀(T)为激光陀螺仪未加磁场时在该温度点的零偏输出，(°/h)；

分别为经过拟合后激光陀螺仪在该温度点分别沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时的零偏磁场灵敏度，(°/h/mT)；

H_L,H_N,H_I分别为在该温度点时沿激光陀螺仪的LA轴、NA轴和IA轴方向施加的磁感应强度，(mT)；

本发明具有以下技术效果：

1)本发明将不同温度条件下的激光陀螺仪磁敏感度进行了明确定义，并给出了测试方法，得到了激光陀螺仪在常温装配调试条件下由于激光陀螺仪谐振腔非共面度导致的磁敏感度的温度特性，该方法可以有效地评估激光陀螺仪在全温域下的磁敏感特性；

2)本发明在测试得到激光陀螺仪全温域下磁敏感特性的基础上，给出了激光陀螺仪零偏磁场灵敏度的温度补偿方法，对于应用在复杂电磁和环境温度条件下的激光陀螺仪惯性系统来说，可以有效地补偿因温度和磁场引起的激光陀螺仪零偏误差，提高激光陀螺仪惯性系统的精度。

附图说明

图1为文献1所述的激光陀螺仪谐振腔非共面角示意图；

图2为本发明的测试装置示意图；

图中：100.激光陀螺仪，200.三维亥姆霍兹线圈，300.测试工装，400.温度变化实验箱，500.激光陀螺仪零偏采集系统；

图3为本发明所述激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试的具体实施方案图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

以一个90型二频机抖激光陀螺仪的磁场灵敏度测试及磁致零偏温度补偿方法为例，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1.测量90型二频机抖激光陀螺仪100在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度：

S1.1.将三维亥姆霍兹线圈200装在温度变化试验箱400内；

S1.2.将90型二频机抖激光陀螺仪100装在测试工装300上；

S1.3.将装在测试工装300上的90型二频机抖激光陀螺仪100放在三维亥姆霍兹线圈200中，将90型二频机抖激光陀螺仪100的敏感轴IA与三维亥姆霍兹线圈200的X轴平行，90型二频机抖激光陀螺仪100另外两个轴NA和LA分别与三维亥姆霍兹线圈200的另外两个轴Y轴和Z轴平行；

S1.4.设置温度变化试验箱400的温度为20℃，对90型二频机抖激光陀螺仪100进行通电预热，预热时间为10分钟以上；

S1.5.不加磁场，保持温度变化试验箱400的温度1个小时，使90型二频机抖激光陀螺仪100内部达到热平衡状态；

S1.6.用激光陀螺仪零偏采集系统500对90型二频机抖激光陀螺仪100的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；

S1.7.用三维亥姆霍兹线圈200对90型二频机抖激光陀螺仪100施加X轴方向的磁场，磁感应强度为0.5mT；

S1.8.用激光陀螺仪零偏采集系统500对90型二频机抖激光陀螺仪100的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；

S1.9.设置三维亥姆霍兹线圈200的电流，对90型二频机抖激光陀螺仪100施加X轴方向的磁场，令磁感应强度分别为1.0mT、1.5mT和2.0mT，重复S1.7；

S1.10.设置三维亥姆霍兹线圈200不同方向的电流，分别对90型二频机抖激光陀螺仪100施加Y方向和Z方向的磁场，重复S1.7、S1.8、S1.9后关闭三维亥姆霍兹线圈200；

S1.11.90型二频机抖激光陀螺仪100继续通电工作，分别设置温度变化试验箱400的温度为60℃，50℃，40℃，30℃，20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃，-30℃，-40℃共11个温度点(如图3所示)，分别重复S1.5、S1.6、S1.7、S1.8、S1.9和S1.10；

图3为本发明所述激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试的具体实施方案图，横坐标轴代表测试时间，纵坐标轴分上下两个部分，下半部分代表温度实验箱的设置温度，从20℃预热2小时后升到60℃，开始测试激光陀螺零偏磁场灵敏度随温度的变化，每个温度点保持1小时后开始加磁场，磁感应强度的大小及时间如图中纵坐标的上半部分所示，在本实施方案中，加0.5mT，1.0mT，1.5mT和2.0mT的磁场各5分钟。

步骤2.对90型二频机抖激光陀螺仪100的磁致零偏进行温度补偿，该方法包括以下步骤：

S2.1、对S1中采集到的90型二频机抖激光陀螺仪数据进行处理，计算90型二频机抖激光陀螺仪100在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度：

其中：为90型二频机抖激光陀螺仪100分别在第i(i＝1,2,3,......,11)个温度点沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加第j(j＝1,2,3,4)次磁场时90型二频机抖激光陀螺仪100的零偏磁场灵敏度，(°/h/mT)，本具体实施方式中，11个温度点分别为60℃，50℃，40℃，30℃，20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃，-30℃，-40℃，如图3所示；

为沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加到90型二频机抖激光陀螺仪100上的第j(j＝1,2,3,4)次磁感应强度，mT，本发明中，4次磁感应强度分别取为0.5mT、1.0mT、1.5mT和2.0mT；

为90型二频机抖激光陀螺仪100分别在第i(i＝1,2,3,......,11)个温度点沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加第j(j＝1,2,3,4)次磁场时90型二频机抖激光陀螺仪100的零偏，(°/h)；

B₀(T_i)为90型二频机抖激光陀螺仪100分别在第i(i＝1,2,3,......,11)个温度点没有施加磁场时90型二频机抖激光陀螺仪100的零偏，(°/h)；

S2.2.对S2.1中计算得到的各个离散温度点的90型二频机抖激光陀螺仪零偏磁场灵敏度进行拟合从而得到90型二频机抖激光陀螺仪零偏磁场灵敏度关于温度和磁感应强度的连续函数

S2.3.对于本实施例中的90型二频机抖激光陀螺仪100，其零偏输出信号通过实时采集到的温度及磁感应强度信号利用S2.2计算得到的90型二频机抖激光陀螺仪100在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度进行实时补偿，经过补偿后激光陀螺仪零偏为：

其中：B为激光陀螺仪经过补偿后的实时零偏输出，(°/h)；

B₀(T)为90型二频机抖激光陀螺仪100未加磁场时在该温度点的零偏输出，(°/h)；

分别为经过拟合后90型二频机抖激光陀螺仪100在该温度点分别沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时90型二频机抖激光陀螺仪100的零偏磁场灵敏度，(°/h/mT)；

H_L,H_N,H_I分别为在该温度点时沿90型二频机抖激光陀螺仪100的LA轴、NA轴和IA轴方向施加的磁感应强度，(mT)；

本发明将原有的激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试方法进行了完善和补充，使其可以反映激光陀螺仪零偏在不同磁感应强度和不同温度条件下的磁场灵敏度特性，从而全面地评估激光陀螺仪的磁致零偏性能，基于该测试方法，本发明提出一种激光陀螺仪的磁致零偏温度补偿方法，利用已经测得的激光陀螺仪零偏在不同磁感应强度和不同温度条件下的磁场灵敏度特性，对激光陀螺仪的磁致零偏进行补偿，从而满足激光陀螺仪在不同温度及不同电磁工作环境下的性能要求，提高激光陀螺惯性导航系统的导航精度。

Claims (2)

1.一种激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试及磁致零偏温度补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1测量激光陀螺仪在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度，采用的测试设备包括：三维亥姆霍兹线圈、温度变化试验箱、激光陀螺仪零偏采集系统和测试工装组成，该方法包括以下步骤：

S1.1将三维亥姆霍兹线圈装在温度变化试验箱内；

S1.2将激光陀螺仪装在测试工装上，所述测试工装为铝材，铝材内含铁量应不超过1.5％，以降低对磁场的影响；

S1.3将装在测试工装上的激光陀螺仪放在三维亥姆霍兹线圈中，设置激光陀螺仪敏感轴IA与三维亥姆霍兹线圈的X轴平行，激光陀螺仪另外两个轴NA和LA分别与三维亥姆霍兹线圈的另外两个轴：Y轴和Z轴平行；

S1.4设置温度变化试验箱的温度为20℃，对激光陀螺仪进行通电预热，预热时间为10分钟以上；

S1.5不加磁场，保持温度变化试验箱的温度1个小时，使激光陀螺仪内部达到热平衡状态；

S1.6用激光陀螺仪零偏采集系统对激光陀螺仪的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；

S1.7用三维亥姆霍兹线圈对激光陀螺仪施加X轴方向的磁场，磁感应强度为0.5mT；

S1.8用激光陀螺仪零偏采集系统对激光陀螺仪的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；

S1.9设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺仪施加X轴方向的磁场，令磁感应强度分别为1.0mT、1.5mT和2.0mT，重复S1.7；

S1.10设置三维亥姆霍兹线圈电流，分别对激光陀螺仪施加Y方向和Z方向的磁场，重复S1.7、S1.8、S1.9后关闭三维亥姆霍兹线圈；

S1.11激光陀螺仪继续通电工作，设置温度变化试验箱的温度后，重复S1.5、S1.6、S1.7、S1.8、S1.9和S1.10；

S2对激光陀螺仪的磁致零偏进行温度补偿，该方法包括以下步骤：

S2.1对S1中采集到的激光陀螺仪数据进行处理，计算激光陀螺仪在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度：

$B_{hij}^L\left(T_i\right)=\frac{B_{0h}^L\left(T_i\right)-B_0\left(T_i\right)}{H_j^L}$

$B_{hij}^N\left(T_i\right)=\frac{B_{0h}^N\left(T_i\right)-B_0\left(T_i\right)}{H_j^N}$

$B_{hij}^I\left(T_i\right)=\frac{B_{0h}^I\left(T_i\right)-B_0\left(T_i\right)}{H_j^I}$

其中：

为激光陀螺仪分别在第i(i＝1,2,3,......,n)个温度点沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时激光陀螺仪的零偏磁场灵敏度，(°/h/mT)；

为沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加到激光陀螺仪上的第j(j＝1,2,3,......,m)次磁感应强度，mT，本发明中，m＝4，4次磁感应强度分别取为0.5mT、1.0mT、1.5mT和2.0mT；

为激光陀螺仪分别在第i(i＝1,2,3,......,n)个温度点沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加第j(j＝1,2,3,......,m)次磁场时激光陀螺仪的零偏，(°/h)；

B₀(T_i)为激光陀螺仪分别在第i(i＝1,2,3,......,n)个温度点没有施加磁场时激光陀螺仪的零偏，(°/h)；

S2.2对S2.1中计算得到的各个离散温度点的激光陀螺仪零偏磁场灵敏度 进行拟合从而得到在该温度点分别沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时激光陀螺仪零偏磁场灵敏度的连续函数

S2.3对于实际使用中的激光陀螺仪，其零偏输出信号通过实时采集到的温度及磁感应强度信号利用S2.2拟合计算得到的激光陀螺仪在不同温度条件下的零偏磁场灵敏度进行实时补偿，经过补偿后激光陀螺仪零偏为：

$B=B_0\left(T\right)+B_h^L\left(T\right)\·H_L+B_h^N\left(T\right)\·H_N+B_h^I\left(T\right)\·H_I$

其中：B为激光陀螺仪经过补偿后的实时零偏输出，(°/h)；

B₀(T)为激光陀螺仪未加磁场时在该温度点的零偏输出，(°/h)；

分别为经过拟合后激光陀螺仪在该温度点分别沿LA轴、NA轴和IA轴方向施加磁场时的零偏磁场灵敏度，(°/h/mT)；

H_L,H_N,H_I分别为在该温度点时沿激光陀螺仪的LA轴、NA轴和IA轴方向施加的磁感应强度，(mT)。

2.根据权利要求1所述激光陀螺仪零偏磁场灵敏度测试及磁致零偏温度补偿方法，其特征在于：步骤S1.11中温度变化试验箱的温度被设置为60℃，50℃，40℃，30℃，20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃，-30℃，-40℃共11个温度点。