CN110146109A - 一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法 - Google Patents

一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法，包括以下步骤：A.在光纤陀螺的光纤环的上、下表面各贴附至少一个温度传感器；B.在光纤陀螺的光纤环侧面贴附两个磁场传感器，两个磁场传感器的磁敏感轴与光纤环侧面正交且经过光纤环中心轴；C.实验得出光纤陀螺磁温交联耦合误差与磁场分布、温度分布之间关系的误差模型Y＝B·T(Y是光纤陀螺磁温交联耦合误差，B是磁场分布，T是温度分布)；D.使用误差模型二维补偿光纤陀螺磁温交联耦合误差。本发明旨在通过实时检测光纤陀螺所处环境的径向磁场和温度对光纤陀螺磁温交联耦合误差进行补偿，有效降低磁场、温度场共同作用下光纤陀螺产生的非互易误差，最终提高光纤陀螺的环境适应性和应用精度。

Description

一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法
技术领域
本发明涉及光纤惯性技术领域，具体涉及一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法。
背景技术
干涉式光纤陀螺基于Sagnac效应测量载体相对于惯性空间的角速率，光纤陀螺的一系列固有优点使其已广泛应用于当前的惯性导航系统。实际应用中的磁场、温度、振动等复杂物理场严重降低了光纤陀螺的使用精度，限制了其应用领域。
惯性测量系统导航精度的提升，需要更高精度的光纤陀螺，要求其具有对复杂环境的适应性。实验表明，在单独磁场或单独温度场条件下零偏稳定性优良的高精度光纤陀螺处于磁温双场环境时，输出会有明显的振荡。温度场和磁场共同作用时产生的输出误差，在导航过程中随时间推移逐渐积累，导致陀螺测量精度下降。因此，对高精度光纤陀螺零偏稳定性的补偿不应该局限于单独的磁场或温度场，磁温交联耦合误差的补偿同样不容忽视。
磁温交联耦合误差是在磁场、温度场两个物理场共同作用下产生的，温度变化在光纤环上引起热应力，从而在单模光纤上产生热应力双折射，热应力双折射和磁光法拉第园双折射是磁场、温度场发生交联耦合作用的主要原因。因此为了减小磁温交联耦合误差，可以从两方面入手。一是将两个物理场隔离开，主动减小磁温耦合误差，如设计合理的磁屏蔽减小磁场，设计合理的光纤骨架或进行温控，但这种方法只能将误差控制在一定范围内，提高效果具有一定的技术难度；二是利用二维软件补偿被动减小磁温交联耦合误差，这种方法简单易行且效果明显。
发明内容
本发明的目的在于针对目前对光纤陀螺进行单独的磁场或温度场补偿存在的局限性，提供一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿技术，通过实时测量光纤陀螺光纤环上的径向磁场和温度，对光纤陀螺非互易误差进行补偿，有效提高了光纤陀螺的精度。
本发明提出以下技术方案：
一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿技术，其特征在于，包括以下步骤：
A.在光纤陀螺的光纤环上表面贴附数量大于或等于1的温度传感器，在下表面贴附数量大于或等于1的温度传感器；
B.在光纤陀螺的光纤环侧面贴附两个磁场传感器，两个磁场传感器的磁敏感轴与光纤环侧面正交，同时经过光纤环的中心轴，两个磁场传感器的磁敏感轴相互正交；
C.对光纤陀螺进行磁场、温度实验；
D.开启光纤陀螺电源，实时采集光纤陀螺数值、上下表面的温度传感器数值、两个磁场传感器数值；
E.开启磁场，磁场方向平行于光纤环面；
F.开启温度控制箱；
G.保存光纤陀螺数值、上下表面的温度传感器数值、两个磁场传感器数值；
H.光纤陀螺磁温交联耦合误差模型Y＝B·T，其中
B＝k·(B1·cosα1+B2·cosα2)+t，
B1、B2分别为两个磁场传感器测得的磁场值，α1、α2分别为两个磁场传感器测得的径向磁场方向与光纤陀螺径向敏感轴正向之间的夹角；0°≤α1≤180°、0°≤α2≤180°，k、t为系数，T1、T2分别为上表面和下表面温度传感器测得的温度平均值，a1～a6为各温度项对应的系数；
将实验测得的光纤陀螺数值、上下表面的温度传感器数值、两个磁场传感器数值、α1和α2代入模型得到误差模型中的各项系数；
I.根据误差模型对光纤陀螺磁温交联耦合误差进行二维补偿。
优选的，所述的两个磁场传感器均布置在光纤陀螺的光纤环内侧面。
优选的，两个磁场传感器的磁敏感轴相互正交于一个点上。
根据理论计算、仿真分析和实验验证，发现在温度场和磁场的共同作用下，光纤陀螺的输出会产生明显的非互易误差，主要原因在于磁场作用下，光纤陀螺非互易误差与光纤双折射以及传输光的偏振态密切相关，当同时存在时变温度场时，光纤环将通过热应力产生不同大小及分布的线双折射，最终产生较为明显的非互易误差。该误差与光纤环敏感轴方向的磁场强度大致线性相关，随温度振荡。在此基础上，本发明利用两个敏感方向与光纤环侧面正交且经过光纤环中心轴的磁场传感器测量光纤环所处环境的实时径向磁场，计算该径向磁场沿光纤环敏感轴方向的强度，利用分别位于光纤环上、下表面的温度传感器测量光纤环所处环境的实时温度，建立误差模型并进行软件补偿。
本发明考虑到了光纤陀螺的多物理场耦合问题，首次提出对光纤陀螺进行磁温交联耦合误差的二维补偿，该技术的应用可以有效提高光纤陀螺零偏稳定性，增强光纤陀螺的精度和环境适应性。
附图说明
图1为磁场传感器和温度传感器的一种布置方式示意图。
图2径向磁致非互易误差与磁场方向关系图。
图3径向磁致非互易误差与磁场大小关系图。
图4实验中径向磁致非互易误差与磁场方向的关系图。
图5实验中径向磁致非互易误差与磁场大小的关系图。
图6仿真得到的磁温交联耦合误差图。
图7实验测得的磁温交联耦合误差图。
图8两组实验中的温度变化图。
图9两组实验中的磁温交联耦合误差图。
其中1为光纤环，2、4为温度传感器，3为磁场传感器。O点为光纤环中心点，B0沿光纤环径向磁敏感轴方向，B1、B2分别沿两个磁场传感器的径向敏感方向，α1、α2分别为B1和B2方向与B0方向的夹角。
具体实施方式
本发明通过贴附于光纤环上的温度传感器和磁场传感器实时检测光纤环所处环境的磁场和温度场信息，建立磁温交联耦合误差模型，并根据该模型对光纤陀螺进行磁温交联耦合误差的二维补偿。
下面结合附图对本发明的光纤陀螺磁温交联耦合误差二维补偿技术作具体说明，如图1所示，分为以下步骤。
A.在光纤陀螺的光纤环1的上表面贴附一个温度传感器2，在下表面贴附一个温度传感器4；
B.在光纤陀螺的光纤环侧面贴附两个磁场传感器3，两个磁场传感器的磁敏感轴与光纤环侧面正交，同时经过光纤环的中心轴，两个磁场传感器的磁敏感轴相互正交(夹角90°)；
C.放置光纤陀螺于磁场、温度综合实验平台中；
D.开启光纤陀螺电源，实时采集光纤陀螺数值、两个温度传感器数值、两个磁场传感器数值；
E.开启磁场，磁场方向平行于光纤环面；
F.开启温度控制箱；
G.保存光纤陀螺数值、两个温度传感器数值、两个磁场传感器数值；
H.光纤陀螺磁温交联耦合误差模型Y＝B·T，其中
B＝k·(B1·cosα1+B2·cosα2)+t，
B1、B2分别为两个磁场传感器测得的磁场值，α1、α2分别为两个磁场传感器测得的径向磁场方向与光纤陀螺径向敏感轴B0正向之间的夹角(0°≤α1≤180°、0°≤α2≤180°)，k、t为系数，T1、T2分别为两个温度传感器测得的温度值，a1～a6为各温度项对应的系数，k、t、a1～a6的值均由回归分析的方法确定。
I.根据误差模型对光纤陀螺磁温交联耦合误差进行二维补偿。
当磁场单独作用于光纤陀螺时，取光纤长度1000m，光纤环平均半径0.05m，光纤中的法拉第旋转为0.0001rad/m，光纤上的扭转率为0.1rad/m，两个消偏器的熔接角误差分别为0.01rad、0.02rad，光纤上的残余线双折射为20rad/m，光纤环上的微元长度取1mm。磁场方向的扫描范围为0°～360°，磁场大小为10G，温度场恒定。通过仿真得到当磁场大小固定时，磁致非互易误差随磁场方向的变化如图2所示。磁场方向固定时，磁致非互易误差随磁场大小的变化如图3所示。搭建实验系统对上述仿真结果进行验证，实验结果如图4、图5所示。可见，磁致非互易误差随磁场方向呈余弦变化，且有一个磁致非互易误差最大的方向，即径向磁敏感方向。磁致非互易相位差随磁场大小线性变化，磁场越大非互易误差越大。据此提出了误差模型中T的建立方法。
当磁场和温度场同时作用于光纤陀螺时，固定磁场大小为10G，温度以0.01℃/s的变化率从10℃加热到60℃，仿真结果如图6所示。搭建实验系统对仿真结果进行验证，实验结果如图7所示。可见，在磁场大小固定的情况下，光纤陀螺磁温交联耦合误差随温度振荡。
对光纤陀螺磁温交联耦合误差进行两组重复性测试，实验过程中的磁场固定为10G，温度变化如图8所示，得到结果如图9所示。可见，两组实验温变过程近似，光纤陀螺的磁-温交联耦合误差变化趋势大体相同，两次测量磁-温交联耦合误差的最大差值不超过峰峰值的20％，具有较好的重复性。
综上所述，根据理论计算、仿真分析和实验验证，发现在温度场和磁场的共同作用下，光纤陀螺的输出会产生明显的非互易误差，主要原因在于磁场作用下，光纤陀螺非互易误差与光纤双折射以及传输光的偏振态密切相关，当同时存在时变温度场时，光纤环将通过热应力产生不同大小及分布的线双折射，最终产生较为明显的非互易误差。该误差与光纤环敏感轴方向的磁场强度大致线性相关，随温度振荡，且重复性良好。因此，光纤陀螺的磁温交联耦合误差可以通过本发明的方法进行实时补偿。本发明所提出的补偿方法建立在仿真和实验的基础上，具有良好的补偿效果。
以上所述，仅是本发明的一较佳实例，本发明所主张的权利范围并不局限于此。本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.在光纤陀螺的光纤环上表面贴附数量大于或等于1的温度传感器，在下表面贴附数量大于或等于1的温度传感器；
B.在光纤陀螺的光纤环侧面贴附两个磁场传感器，两个磁场传感器的磁敏感轴与光纤环侧面正交，同时经过光纤环的中心轴，两个磁场传感器的磁敏感轴相互正交；
C.对光纤陀螺进行磁场、温度实验；
D.开启光纤陀螺电源，实时采集光纤陀螺数值、上下表面的温度传感器数值、两个磁场传感器数值；
E.开启磁场，磁场方向平行于光纤环面；
F.开启温度控制箱；
G.保存光纤陀螺数值、上下表面的温度传感器数值、两个磁场传感器数值；
H.光纤陀螺磁温交联耦合误差模型Y＝B·T，其中
B＝k·(B1·cosα1+B2·cosα2)+t，
B1、B2分别为两个磁场传感器测得的磁场值，α1、α2分别为两个磁场传感器测得的径向磁场方向与光纤陀螺径向敏感轴正向之间的夹角；0°≤α1≤180°、0°≤α2≤180°，k、t为系数，T1、T2分别为上表面和下表面温度传感器测得的温度平均值，a1～a6为各温度项对应的系数；
将实验测得的光纤陀螺数值、上下表面的温度传感器数值、两个磁场传感器数值、α1和α2代入模型得到误差模型中的各项系数；
I.根据误差模型对光纤陀螺磁温交联耦合误差进行二维补偿。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法，其特征在于所述的两个磁场传感器均布置在光纤陀螺的光纤环内侧面。
3.根据权利要求1或2所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的二维补偿方法，其特征在于两个磁场传感器的磁敏感轴相互正交于一个点上。
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