光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究摘要：温度效应误差是目前制约光纤陀螺高精度应用的瓶颈之一。

文中分析了光纤陀螺温度效应的成因及影响机理，介绍了温度效应误差补偿技术的研究现状，重点阐述了一种基于误差建模的软件补偿方法。

该方法建立了以温度、温度变化率和温度梯度为变量的误差模型，使用温循实验数据进行模型参数拟合，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的补偿。

仿真试验结果表明，使用该方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级。

关键词：光纤陀螺；温度效应误差；误差建模经过几十年发展，光纤陀螺加工工艺逐渐成熟，潜在优势日益显现，已经成为新一代惯性导航系统中的理想器件[1]。

目前，光纤陀螺面临着高精度的发展要求。

而温度效应在很大程度上增大了光纤陀螺的输出漂移，是制约其高精度工程应用的瓶颈。

文章通过对光纤陀螺温度效应误差成因与机理的分析，结合国内外温度误差补偿技术的研究现状，提出了一种基于误差建模的软件补偿方法。

仿真试验表明，该方法能有效抑制温度效应对光纤陀螺精度的影响。

1 光纤陀螺温度效应误差分析温度效应是光纤陀螺的重要误差源之一，主要是指温度条件变化导致光纤陀螺输出漂移的现象。

引发温度效应的热量来源主要有两个：一是工作时陀螺各个元器件的自身产热；二是外界温度环境的影响[2]。

光纤陀螺内部（核心器件是光纤环）的温度是这两个热源综合作用的结果。

开机后的一段时间内，光纤陀螺自身产热导致的升温效应较为显著，器件内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量基本相当，形成动态平衡。

之后，外部温度环境的影响占主导作用。

在实际的工作环境中，陀螺外部的温度环境始终在变化，陀螺内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。

光纤陀螺内部受温度影响的元器件较多，温度效应可以看成多种相关因素共同作用的结果[3]。

光纤陀螺系统由光路与电路两部分组成：光路部分包括光纤环、光源、Y波导、耦合器和光电探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号处理电路[4]。

其中，光路部分的光学器件（尤其是光纤环），对于环境温度的变化更为敏感。

这些器件敏感温度变化的机理不尽相同，这导致温度效应误差的成因较为复杂。

如果逐一进行试验分析，工作量较大，且无法排除系统内的误差耦合。

在IEEE光纤陀螺标准[5]给出的单轴光纤陀螺输入输出模型方程中，只考虑了不同温度特征量与陀螺零偏漂移的相关关系，用环境灵敏项E表示：（1）其中，？驻T为当前温度与基准温度的差值，dT/dt为温度变化率，d？荦T/dt为温度空间梯度的变化率，DT、D与分别为上述3个变量的相关敏感系数。

根据上述分析并结合式（1），可得：光纤陀螺温度效应的成因主要与绝对温度、温度变化率和温度梯度变化率这3个特征量有关，可以分别从这3个角度进行误差分析。

首先，绝对温度在理论上不会对光纤陀螺输出误差产生。

然而，在工程实际与模拟试验中，即使温度场趋于稳定，光纤陀螺的输出也会在不同的绝对温度下发生不同的漂移[6]。

因此，建模分析其相关关系，对误差补偿是必要的。

其次，温度变化率对光纤陀螺输出的影响较为突出，这主要是由于光弹效应[6]。

光弹效应是指由于应力作用而引起介质折射率改变的现象。

当工作温度变化时，陀螺内部的光纤环会膨胀或收缩，从而产生应力，引起折射率变化，造成光纤陀螺的输出漂移。

折射率n0、半径R、长度L的光纤环由光弹效应所造成的测量误差？赘e可表示为[7]：（2）可见，光弹效应误差与陀螺内部的温度变化率在一定范围内成正相关。

最后，温度空间梯度对光纤陀螺输出的影响主要是指热致非互异性误差，即舒普（Shupe）效应[8]。

其具体机理如下：在匝数N、面积A、总长度L、折射率n0、热膨胀系数？琢的光纤环中取一小段dx，它对相反方向传播的两束光都产生一个相位延迟，如果沿光纤方向的温度梯度随时间发生变化，就会造成角速度误差：（3）其中，T（0，x）和T（t1，x）为0时刻和t1时刻距离光纤端点x处的温度。

针对此误差，国内外在绕环方法、结构设计等方面进行了改进，尤其是光纤环四极对称绕法[9]在很大程度上抵消了舒普效应的影响。

目前，可以认为温度梯度变化对光纤陀螺输出误差的影响远小于其他因素。

2 温度效应误差补偿技术抑制光纤陀螺温度效应的经典方法是从工艺角度进行改进，包括材料选取、热结构设计、绕环方法改进等方面，几十年内取得了大量的进展，但短期还不能彻底解决温度效应问题。

在当前光纤陀螺的工艺基础上，抑制温度效应误差的方法主要有两种：温度控制与温度误差软件补偿。

温度控制方法（简称“温控”）主要通过温控电路在工作中不断监测并修正光纤陀螺的温度，使陀螺工作于一个较稳定的温度环境[10]，从而有效地抑制了温度效应，提高了光纤陀螺的测量精度。

但是，此方法不但增加了系统复杂性、功耗和体积，同时延长了光纤惯导系统的启动时间。

因此，在一些工程应用场合不适合采用温控方案。

温度误差软件补偿方法（简称“温补”）是指通过对实际光纤陀螺系统进行温度试验测试，辨识出其在各种温度条件变化时的误差模型，进而在电路芯片中编入程序，实现对温度效应误差的实时补偿。

相比于温控，温补是一种基于数学建模的方法，额外增加的硬件较少，对系统启动时间的影响较小，是提高光纤陀螺使用精度的重要途径。

3 温补建模方法光纤陀螺温度效应误差的高精度建模是温补技术的主要技术难点。

建模方法一般可分为两大类：一类是机理分析法；另一类是系统辨识法。

机理分析法是根据对象的相关特性，分析变量的因果关系，总结出反映其内部机理的规律，建立具有明确物理意义的数学模型。

上文中的式（2）与式（3）即是由此方法分析得到的模型公式。

但是，由于目前对于光纤陀螺温度效应的相关研究并未彻底成熟（如绝对温度变化引发温度效应误差的机理尚未完全明确），使用系统辨识法很难完全建立出温度效应误差模型。

系统辨识法将研究对象看作一个“黑箱”系统，不探究其内部机理，只运用统计分析算法处理系统的输入、输出数据，最后按照一定准则选取与数据拟合得最好的模型。

在光纤陀螺温度效应误差的模型辨识过程中，可以应用智能算法来提高拟合精度，如小波理论、马尔科夫链、模糊逻辑、BP神经网络、RBF神经网络等。

但这些系统辨识的“黑箱”方法并未分析误差机理与构成，缺乏实际物理意义，适应性相对较差，距离工程应用还需做大量工作。

文章将这两种方法结合起来，把光纤陀螺的温度效应误差看成是一个“灰盒”模型。

在建模过程中，通过机理分析确定一种合适的模型，再按照某种参数估计方法进行具体的辨识，使模型能够最优的描述光纤陀螺温度漂移的本质。

参数估计方法使用基于最小二乘法的多项式拟合。

该方法具有无偏性、最优性等特点，计算量较小，模型直观明了，同时兼顾个别点与整体误差问题。

模型建立流程如图1所示。

结合第1章的光纤陀螺温度效应误差分析与温循实验数据特征，选取了绝对温度、温度变化率和温度梯度变化率这三个量为自变量，建立二次误差模型，按照温度导数的特征进行数据分类，对每类数据分别进行参数拟合得到多套模型参数，确定最终的误差模型。

4 温补技术的实现搭建系统，采用DSP与FPGA技术，实现对光纤陀螺温度效应误差的在线补偿。

4.1 测温方案设计根据光纤惯导系统组成与各单元结构布局，分析热源分布特征，得到系统内部温度场按空间分布和随时间变化的大致关系，进而确定测温传感器的合理布局，使测得的温度能够实时反映温度场的变化，为温度效应误差建模提供有效的温度场数据。

4.2 温补程序编写在温箱中反复进行温循实验，获得多种温度条件下光纤陀螺与测温传感器的输出数据。

使用第3章中的方法，建立温度效应误差模型，根据模型编写相关程序并写入DSP中。

4.3 温补电路设计温补电路主要构成及原理如图2所示。

系统先将铂电阻测温电桥输出的模拟量转换成数字信号，再将温度数字信号和光纤陀螺输出信号在FPGA中进行处理，锁存后发给DSP进行温补计算，将计算结果返回FPGA 进行D/F转换，最后通过光电耦合器得到补偿后的陀螺输出量。

4.4 实验验证适当更改温度条件，多次重复试验，验证温补方法的效果。

某型光纤陀螺在补偿前后的精度分别为0.0445°/h和0.0065°/h，精度提高了约7倍。

5 结束语在分析光纤陀螺温度效应误差成因的基础上，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的在线补偿。

仿真试验结果表明，使用该温补方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级，且具有较好的实用性与适应性。

参考文献[1]金杰，王玉琴.光纤陀螺研究综述[J].光纤与电缆及其应用技术，2003（6）：4-7.[2]王巍，张桂才，骆玉玲.光纤陀螺误差分析及其抑制措施[J].导弹与航天运载技术，1994，2：29-35.[3]David H. Titterton and John L. Weston. Strapdown Inertial Navigation Technology （2nd Edition）[M].the Institution of Electrical Engineers，2004：134-136.[4]孙英杰.光纤陀螺温度漂移误差建模及补偿技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.[5]IEEE Std 952-1997. IEEE standard specification format guide and test procedure for single-axis interferometric fiber optic gyros [S].IEEE Aerospace and Electronic Systems Society，1997.[6]Mohr F，Schadt F. Error signal formation in FOGs through thermal and elastooptical environmental influences on the sensing coil [J].Inertial Seneors and Systems，2011：3-9.[7]Lefevre H C. The fiber-optic gyroscope [M].Second Edition. USA：Artech House.1993：99-100.[8]Shupe D M. Thermally induced non reciprocity in the fiber optic interferometer [J].Appl. Opt，1980，19（5）：654-655.[9]Frigo N J. Compensation of linear sources of nonreciprocity in Sagnac interferometers [J].Fiber Optic and Laser Sensor I，1983，V412：268-271.[10]刘繁明，赵亚凤.一种新型的基于TEC的精密温控器设计[J].中国惯性技术学报，2004，12（6）：61-64.。