光纖陀螺儀誤差分析與補償課件

光纖陀螺儀

誤差分析與補償娜茜泰3120120368導航制導與控制1、光纖陀螺儀基楚知識回顧2、光纖陀螺儀中的誤差分析3、光纖陀螺儀在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中的應用目錄分束器光纖線圈透鏡光探測器透鏡光源光纖陀螺也是基于Sagnac效應，用光導纖維環(huán)圈代替了由反射鏡片和光路組成的諧振腔；用光耦合器代替了透射鏡片和半反鏡片。由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了光導纖維環(huán)圈的角位移。1.1光纖陀螺儀的組成5探測器光源光纖環(huán)耦合器調制器光纖陀螺組成示意1.1光纖陀螺儀的組成6按原理與結構按相位解調方式按有無反饋信號干涉式光纖陀螺儀（I-FOG）諧振式光纖陀螺儀（R-FOG）受激布里淵光纖陀螺儀（B-IFOG）鎖模光纖陀螺儀法-珀光纖陀螺儀（Fabry-Perot）相位差偏置式光纖陀螺儀光外差式光纖陀螺儀延時調制式光纖陀螺儀開環(huán)式工作方式閉環(huán)式工作方式1.2光纖陀螺儀的分類干涉型光纖陀螺儀開環(huán)式I-FOG直接檢測干涉后的Sagnac相移，主要用作角速度傳感器。這種光纖陀螺結構簡單，價格便宜，但是線性度差，動態(tài)范圍小。1.2光纖陀螺儀的分類2.1光纖陀螺儀的主要性能指標（1）零偏當輸入角速度為零時，陀螺儀的輸出量，以規(guī)定時間內測得輸出量的平均值相應的等效輸入角速度表示，單位為（??h）。（2）標度因數(shù)陀螺儀輸出量與輸入量角速率的比值。（3）零漂又稱零偏穩(wěn)定性，它的大小值標志著觀測值圍繞零偏的離散程度，單位為（??h）。（4）隨機游走系數(shù)由白噪聲產生的隨時間積累的輸出誤差系數(shù)，其量綱為??√h，它反映了光學陀螺輸出隨機噪聲的強度。1）抑制光纖中的散射噪聲；2）改進半導體激光光源的噪聲特性；3）減小溫度引起的系統(tǒng)漂移；4）改善功能元件的性能；5）抑制光電檢測器及電路的噪聲；6）提高FOG的環(huán)境適應性；2.2光纖陀螺儀的誤差補償技術1）抑制光纖中的散射噪聲；光纖中的后向瑞利散射是由于光纖內部介質不均勻而產生的，還可以認為它是隨機分布的后向反射。當光纖中后向散射光和主光束相干疊加時，對主光束將產生相位影響。光纖中后向瑞利散射以及來自光界后面的后向散射是光纖陀螺儀的主要噪聲源。目前抑制這些噪聲的主要方法有：（1）采用超發(fā)光二極管等低相干光源；后向瑞利散射引起的相位噪聲大小主要依賴于光源的相干長度，短相干光源中，散射光對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響，后向瑞利散射噪聲得到抑制。（2）對后向散射光提供頻差并對光源進行脈沖調制；（3）采用光隔離器；（4）用寬帶激光器、跳頻激光器、相位調制器等作為光源，以破壞光源的時間相干性，使其后向散射光的干涉平均為零。2.2光纖陀螺儀的誤差補償技術2）改進半導體激光光源的噪聲特性；光源的波長變化、頻譜分布變化及光功率的波動，將直接影響干涉的效果。返回到光源的光直接干擾了它的發(fā)射狀態(tài)，引起二次激發(fā)，與信號光產生二次干涉，引起發(fā)光強度和波長的波動。目前的解決方法有：（1）對于光源波長變化的影響，通過數(shù)據(jù)處理方法解決；若波長變化是由溫度引起，則直接測量溫度，進行溫度補償；（2）對于返回光的影響，采用光隔離器，信號衰減器或選用超輻射發(fā)光二級管等低相干光源。2.2光纖陀螺儀的誤差補償技術3）減小溫度引起的系統(tǒng)漂移；一方面，環(huán)境溫度的變化將使纖芯的折射率及媒質(包括纖芯、包層和涂敷層)的熱膨脹系數(shù)以及光纖環(huán)的面積發(fā)生改變，從而影響光在媒質中的傳輸，直接影響到對轉動角速度檢測的標度因數(shù)的穩(wěn)定性；另一方面，熱輻射造成光纖環(huán)局部溫度梯度，引起左右旋光路光程不等，從而引起非互易相移，這個非互易的相位偏移將疊加在由Sagnac效應產生的非互易相移中，從而影響光纖陀螺的精度。常用的抑制方法主要有：（1）對光纖線圈進行恒溫處理，鋁箱屏蔽隔離并進行適當?shù)臏囟妊a償；（2）采用溫度系數(shù)小的光纖和被覆材料；（3）采用四極對稱方法來繞制光纖環(huán)并在工藝和狀態(tài)控制上提出嚴格要求，以減少溫度引起的溫度漂移。2.2光纖陀螺儀的誤差補償技術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)、相位調制器以及光電檢測器等。在光纖陀螺中，偏振器的不理想、光纖線圈的偏振干擾以及其它器件的偏振波動效應等對光纖陀螺的偏置穩(wěn)定性影響很大。此外，器件性能不佳導致引入后與光纖的對接所帶來光軸不對準，接點缺陷等引起的附加損耗和缺陷，產生破壞互易性的新因素。減少這些器件噪聲的主要方法：（1）采用保偏光纖，提高偏振器消光比；（2）采用偏振面補償裝置及退偏振鏡；（3）提高器件和光路組裝工藝水平，以獲得高性能的器件和光路。2.2光纖陀螺儀的誤差補償技術5）抑制光電檢測器及電路的噪聲；除探測器靈敏度之外，調制頻率噪聲、前置放大器噪聲和散粒噪聲（與光探測過程相關聯(lián)的基本噪聲）都是影響光纖陀螺儀性能的噪聲源。目前的解決方法有：（1）優(yōu)選調制頻率來減少噪聲分量，用電子學方法來減少放大器噪聲；（2）盡量選擇大的光源功率和低損耗的光纖通路，來加大光信號，提高抑制比，以相對減少散粒噪聲的影響。2.2光纖陀螺儀的誤差補償技術國外主要光纖陀螺開發(fā)商正在開發(fā)4種不同等級的光纖陀螺，這些光纖陀螺幾乎覆蓋了陀螺的所有應用領域。這4種類型包括用作低性能速率傳感器的速率級陀螺；用于戰(zhàn)術導彈、航天飛機、火車、自主制導運載體的方向信息基準和船用陀螺等平臺的戰(zhàn)術級陀螺；用在飛機、許多陸地導航、導彈等慣性導航系統(tǒng)中的慣性級陀螺；以及應用于精密宇宙飛船、潛艇導航以及航天飛行器的瞄準和穩(wěn)定的戰(zhàn)略級陀螺。光纖陀螺應用級別劃分級別零偏穩(wěn)定性(度/小時)標度因數(shù)穩(wěn)定性速率級10~10000.1~1%戰(zhàn)術級0.1~1010~1000ppm慣性級0.01<5ppm戰(zhàn)略級0.001<1ppm3.光纖陀螺儀在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中的應用3.光纖陀螺儀在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中的應用美國的AIM一120B／C型中距空空導彈，AGM一142空地導彈都采用LN200光纖陀螺慣性測量組件。LN一200采用的光纖陀螺，它與微硅加速度計一起構成的整個慣性測量組合。2004年1月26日，美國的“勇氣”號和“機遇”號探測車經過7個月飛行后成功登陸火星，所用的導航系統(tǒng)為諾斯羅普·格魯門公司生產的光纖陀螺導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了飛船飛行中姿態(tài)測量所需的線加速度和角加速度信息；確定了飛船進入火星大氣層緩慢降落和著陸傘最佳打開時機；提供了火星探測車在火星陸地表面運動過程中姿態(tài)、速度信息和探測車上高增益天線的定位。[9]GEORGEA.PAVLATH.Fiber-OpticGyros:TheVisionRealized.NorthropGrumman.[10]VOLKC,

LINCOLNJ,TAZARTESD.NorthropGrumman'sfamilyoffiber-opticbasedinertialnavigationsystems[J/OL].NorthropGrumman，2006.[11]SANDERSSJ,STRANDJORDLK,MEADD.Fiberopticgyrotechnologytrends-aHoneywellperspective[C].Optica