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激光陀螺仪误差分析与补偿技术

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陀螺仪误差分析、处理与选型

陀螺仪误差分析、处理与选型

陀螺仪误差分析、处理与选型imu误差的效果陀螺仪的偏移对于速度的影响是⼆次的，对于位置的影响是三次的。

对于收敛的并且设计很好的滤波器，估计和去除imu的误差，能够提⾼姿态的精度和长期稳定性常见误差项：⾸先介绍⼏个常见的概念：1.重复性假设所有的条件⼀样，对于相同的输⼊，传感器输出相同的值的能⼒（对于每次启动都相同）。

陀螺仪的零偏不具有重复性。

2.稳定性对于同样的输⼊，在同⼀次启动，输出值都是相同的。

3.漂移输出随着时间的变化（零漂是输⼊为0的时候的输出）确定性误差传感器⾮正交性（安装误差）：三轴加速度计和陀螺仪的三个轴不是完全的正交的，例如对于加速度计，理想情况下其中⼀个轴测量重⼒，其他两个轴不应该有输出。

传感器不正交会出现在安装和封装的时候。

⽣产和标定能够⼀定程度的解决这个问题，在系统运⾏的时候持续的估计和矫正也是⼀种解决⽅法。

尺度误差（scale）随机噪声《Notes on Stochastic Errors of Low Cost MEMS Inertial Units》陀螺仪的噪声分析不适⽤arma模型，应该使⽤allan variance。

因为arma模型假设所有的误差都是完全客观的，然⽽在实际中：传感器的输出受到噪声的影响，⽽且是不同的独⽴随机过程的和；⽬前的arma模型能够解决噪声的影响，但是不能够解决独⽴随机过程的系数问题。

误差中最主要的是：（1）零偏、温漂；（2）⾓速率噪声，也叫作随机游⾛所有噪声可以建模为：\begin{equation}y(t) = u(t) +e(t)+b(T) + N(a,\omega, T,t)\end{equation}allan variance 建模\(b(T)\)表⽰温漂，⼀般不考虑，可以通过温度补偿来做\(N(a,\omega, T,t)\)表⽰加速度，⾓速度，温度和时间等总的因素造成的影响（\(G\) 的依赖性（加速度影响），对于mems陀螺仪来说，有可能受到重⼒的影响，可以通过建模并采⽤⼀定的⽅法去除这个影响）\(e(t)=ARW(t)+F(t)+Q(t)+S(t)\)表⽰随机噪声陀螺仪的误差分类a。

舰用高精度激光陀螺惯导内杆臂误差分析及补偿方法研究

舰用高精度激光陀螺惯导内杆臂误差分析及补偿方法研究

舰用高精度激光陀螺惯导内杆臂误差分析及补偿方法研究周冉辉【摘要】For high-precision rotary laser gyro inertial navigation systems (RINS), inertial instruments errors are most able Inertial Measurement Unit (IMU) rotating modulation off, an error in the arm not only can't be modulated out, but because the error introduced into the IMU rotation system registration and navigation. Based on this, the internal lever arm error analysis and modeling, detailed pushed to the mathematical expression in the lever arm and the navigation error speed error between. Through analysis identified within the lever arm length and frequency of vibration are two factors that affect the inner lever arm error, and error compensation method is proposed based on internal lever arm length. Finally, within the experimental error of the lever arm model and compensation methods of this study were verified.%对于高精度激光陀螺旋转惯导系统，大部分惯性器件误差都能够通过惯性测量单元（ IMU）旋转而调制掉，内杆臂误差不仅不能够被调制掉，反而因为 IMU旋转将误差引入到系统对准和导航过程中。

光纤陀螺仪误差分析与补偿 共32页

光纤陀螺仪误差分析与补偿 共32页

2.2 光纤陀螺仪的误差补偿技术
2）改进半导体激光光源的噪声特性；
光源的波长变化、频谱分布变化及光功率的波动，将直 接影响干涉的效果。返回到光源的光直接干扰了它的发射状 态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，引起发光强度 和波长的波动。
目前的解决方法有： （1）对于光源波长变化的影响，通过数据处理方法解 决；若波长变化是由温度引起，则直接测量温度，进行温度 补偿； （2）对于返回光的影响，采用光隔离器，信号衰减器 或选用超辐射发光二级管等低相干光源。
光纤陀螺仪不仅具有激光陀螺仪的各种优点，而且 它无克服“自锁”用的机械抖动装置，也不用在石英块 精密加工出光路，降低了结构的复杂性和生产成本。而 且，利用不同规格的基本元件，可构成适合不同要求的 高、中、低级光纤陀螺仪，因此具有极大的设计灵活性， 得到了大力研究和发展。
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1.1 光纤陀螺仪的组成
光源
探测器 光纤环 调制器
耦合器
光纤陀螺组成示意
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1.2 光纤陀螺仪的分类
按原理与结构 按相位解调方式 按有无反馈信号
干涉式光纤陀螺仪（I-FOG） 谐振式光纤陀螺仪（R-FOG） 受激布里渊光纤陀螺仪（B-IFOG） 锁模光纤陀螺仪 法-珀光纤陀螺仪（Fabry-Perot） 相位差偏置式光纤陀螺仪 光外差式光纤陀螺仪 延时调制式光纤陀螺仪
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2.1 光纤陀螺仪的主要性能指标
（1）零偏 当输入角速度为零时，陀螺仪的输出量，以规定时间内测得输出量 的平均值相应的等效输入角速度表示，单位为（⁰⁄h）。 （2）标度因数 陀螺仪输出量与输入量角速率的比值。 （3）零漂 又称零偏稳定性，它的大小值标志着观测值围绕零偏的离散程度， 单位为（⁰⁄h）。 （4）随机游走系数 由白噪声产生的随时间积累的输出误差系数，其量纲为⁰⁄√h，它反 映了光学陀螺输出随机噪声的强度。

三轴激光陀螺温度误差动态建模及补偿技术-光学精密工程

三轴激光陀螺温度误差动态建模及补偿技术-光学精密工程
向的输出特性来评价该陀螺的性能 。
第１ ５卷
本文结合系 统 实 际 应 用 背 景 ， 对采用机械抖 动偏频技术的三轴整体式激光陀螺的温度特性进 行了深入研究 ， 利用带温箱的转台构建试验系统 提出了一种温度 进行了大量高低 温 重 复 性 试 验 ， 本文对 误差动态建 模 及 测 试 方 案 。 为 比 较 方 便 ， 静态温度模型与动态温度模型做了对比研究 。 结 果表明 ， 静态模型 对 大 变 温 率 或 大 范 围 温 变 环 境 下陀螺性能的改 善 不 显 著 ， 而动态模型补偿效果 且补偿后的 陀 螺 在 全 温 度 范 围 内 精 度 优 于 明显 ， ／ 与传统 的 静 态 模 型 相 比 ， 动态建 ０． ０ ５ʎ ｈ。 此外 ， 模方法具有测试 时 间 短 、 模型精度高及易于工程 实现等优点 。
（ １ ． ’∑ ˇ ∭∰ ˇ
∰ ˇ ∑∯ ∳∰
∰ ✕ ∰∳ ∰∑ ∳ ∰ ， ∑∳ ∰∰ ‟ ˇ ∳ ˇ ˋ ˇ ≏ ˋ ˇ∭ ˇ ∳
２． ∳ ∳ ∰ ∰ ‟ ˇ ∳ ˇ ˋ ˇ ∲
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］ ６ 实验 ［ 对系统参 数 加 以 补 偿 ， 从而有效地提高系
统性能 。 静态温度实验 测 试 方 法 的 实 现 过 程 ： 选定多 个温度点 ， 并分 别 在 各 温 度 点 下 对 该 陀 螺 进 行 恒 温测试 ， 利用各 温 度 点 下 测 试 数 据 对 激 光 陀 螺 的 温度误差基于最小二乘原理拟合建模 。 对激光陀 螺 ∳ 通道轴建立零偏温度模型为 ：
０ ３ ０ １
为当
螺的温度梯度为 沿 陀 螺 敏 感 轴 方 向 的 温 度 差 值 。 而对三轴整体式 激 光 陀 螺 而 言 ， 此方向的温度梯 度很难测试 。 故 通 过 相 关 性 分 析 ， 选择陀螺仪内 某点为基点 ， 定义该点与光学本体某通道轴间温

陀螺仪论文-陀螺经纬仪定向的误差分析及导线平差

陀螺仪论文-陀螺经纬仪定向的误差分析及导线平差

陀螺经纬仪定向的误差分析及导线平差摘 要：井下经纬仪导线通常是由井底车场开始的向井田边界推进的，根据误差累计原理，导线点位的误差离井底车场越远误差越大。

利用陀螺经纬仪定向时，对其进行误差分析及平差，能有效地控制误差，并提供最优定向法！关键词：陀螺经纬仪；定向误差；导线平差1 陀螺经纬仪定向的精度平定陀螺经纬仪的定向精度主要以陀螺方位角一次测定中误差m T 和一次定向中误差m α表示。

1.1 陀螺方位角一次测定中误差在待定边进行陀螺定向前，陀螺仪需在地面已知坐标方位角边上 测定仪器常数△。

按《煤矿测量规程》规定，前后共需测4~6次，这样就可按白赛尔公式求算陀螺方位角一次测定中误差，即仪器常数一次测定中误差（简称一次测定中误差）为：[]1vv n ±∆- 式中 v i —仪器常数的平均值与各次仪器常数的差值；n △—测定仪器常数的次数。

则测定仪器常数平均值的中误差为：m △平= m T 平=mT n ±∆1.2 一次定向中误差一次定向中误差可按下式计算：式中 —仪器常数平均中误差； —待定边陀螺方位角平均值中误差；m α= 222·m m T m λ∆±平+平+—确定子午线收敛角的中误差。

因确定子午线收敛角的误差m γ较小，可以忽略不计，故上式可写为：m α= 22·m T m ∆±平+平 2 陀螺经纬仪一次测定方位角的中误差分析如前所述，陀螺经纬仪的测量精度，以陀螺方位角一次测定中误差表示。

不同的定向方法，其误差来源也有差异。

目前国内最常用的是跟踪逆转点法和中天法，其中所用的一些数据是根据具体的仪器试验分析所得，有一定得局限性，但对掌握误差分析方法而言，却是无关紧要的。

2.1 跟踪逆转点法定向时的误差分析以JT 15型陀螺经纬仪为例进行探讨。

按跟踪逆转点法进行陀螺定向时，主要误差来源有：①经纬仪测定方向的误差；②上架式陀螺仪与经纬仪的连接误差；③悬挂带零位变动误差；④灵敏部摆动平衡位置的变动误差；⑤外界条件，如风流、气温及震动等因素的影响。

激光陀螺仪误差分析与补偿技术课件

激光陀螺仪误差分析与补偿技术课件
法称为动态自动补偿。
激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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《激光陀螺随机漂移的数字滤波方法研究》 激光陀螺的随机漂移噪声类似于白噪声，它是影响激光陀螺精度 的重要因素，采用数字滤波的方法可以减小随机漂移对激光陀螺 精度的影响。常见‘AR（2）模型’、‘卡尔曼滤波’、‘小波分析’和‘小 波包分析’这四种数字滤波方法，可以利用功率谱和Allan方差的分 析方法对这几种滤波效果进行比较。结果表明，对于激光陀螺的 随机漂移的滤除，基于AR模型的卡尔曼滤波法的效果最好，基本 上消除了陀螺的随机误差，而小波分析法和小波包分析法只能在
激光陀螺的主要误差 一些论文中激光陀螺的补偿方法
激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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激光陀螺仪的工作机理与刚体转子 陀螺仪有着根本区别，因此二者的 误差源亦完全不同。激光陀螺仪不 存在与线运动及角运动有关的误差，
这是一个突出的优点。
激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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激光陀螺的主要误差源
闭锁效应： 原因：
由于激光介质的色散、模式牵引和反射镜等光学元件对光束的后向散射等 原因，有源环形腔内正、反向行波的频率接近到一定程度时，将突然变成完全一 样，即存在一个可能达到的最小频差X，一旦频差小于X，就将变为0.因此当输入 转速小到一定程度时，有源环形腔内正、反向行波模对的频率将趋于完全相同。 上述现象即为激光陀螺进入锁区，此区域内输入转速不被敏感。缩小锁区、消除
航系中有规律的变化。
激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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激光陀螺仪误差分析与补偿技术
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3.神经网络拟合方法
多项式拟合和多元逐步线性回归的补偿方法都必 须建立在某个准确的数学模型之上，但实际上， 这种准确的数学模型是很难建立的，上面所用到 的简化模型仅仅是实际问题的一个最优近似。神 经网络不依赖任何确定的数学模型，且理论上已 证明，至少含有一个S型隐层再加上一个线性输 出层的BP神经网络，能够通过自学习逐步逼近任 意有理函数，所以，建立温度零偏误差的BP神经 网络模型是进一步提高补偿精度的重要手段。

P08激光陀螺误差、光纤陀螺

P08激光陀螺误差、光纤陀螺

激光陀螺 自锁原因及对策
产生原因： 产生原因：反射镜反向散射 克服自锁的途径： 克服自锁的途径： 正面：尽力减小自锁区（ 正面：尽力减小自锁区（提高 光学元件质量和气体纯度） 光学元件质量和气体纯度） 间接途径： 间接途径：偏频
顺时光束 A 的反向散射 A’ A’ 和逆时光束 B 耦合 牵引（B 与 A’ 频率趋同） 牵引（ 频率趋同） 类似， 类似，A 与 B’ 也频率趋同 A与B频率趋同，无频差输出 与 频率趋同 频率趋同， 加偏置ω 加偏置ω0，工作点移出自锁区
光纤陀螺 闭环干涉型
闭环测量原理： 闭环测量原理： 检测器 D 的输出经 PSD 解调 解调信号经 SF 放大 驱动相位变换器 PT 相位变换器 PT 产生相移 产生相移∆θ ∆θ和ω产生的相移 抵消 和 产生的相移 产生的相移∆φ抵消 解调器输出被控制在零位附近 PT 产生的相移 作为光纤陀 产生的相移∆θ作为光纤陀 螺的输出 引入伺服放大器 SF 和相位 变换器PT， 变换器 ，构成闭环系统 特点： 特点 ： 陀螺仪的工作点一直保 持在线性度、灵敏度最高的位置。 持在线性度、灵敏度最高的位置。
激光陀螺 标度因数与自锁误差
标度因数误差 激光陀螺频差输出公式 4A ∆V = Kω K = Lλ K值不稳定，也引起误差 值不稳定， 值不稳定 K值大小的影响因素： 值大小的影响因素： 值大小的影响因素 谐振腔周长 谐振腔形状 激光波长(0.6328 / 1.15 / 3.39 ) 激光波长 K值稳定性控制途径： 值稳定性控制途径： 值稳定性控制途径 激光波长 自锁区： 自锁区： -ωL～ωL 典型值： 典型值：3600/h 谐振腔周长 280mm ～ 0.010/h ～ 5×10-6 × 120mm ～ 0.10/h ～ 3×10-4 × 自锁(Lock in)误差 自锁 误差

光纤陀螺仪误差分析与补偿

光纤陀螺仪误差分析与补偿

美国的AIM一120B／C型中距空空导弹，AGM一142空地导 弹都采用LN200光纤陀螺惯性测量组件。LN一200采用的 光纤陀螺，它与微硅加速度计一起构成的整个惯性测量 组合。
2004 年1月26日，美国的“勇气”号和“机遇”号探测 车经过7个月飞行后成功登陆火星，所用的导航系统为诺斯罗 普·格鲁门公司生产的光纤陀螺导航系统。该系统提供了飞船 飞行中姿态测量所需的线加速度和角加速度信息；确定了飞船 进入火星大气层缓慢降落和着陆伞最佳打开时机；提供了火星 探测车在火星陆地表面运动过程中姿态、速度信息和探测车上 高增益天线的定位。
光 纤 捷 联 惯 性 导 航 系 统
参考文献
[1]邓志红，付梦印，张继伟，肖烜. 2012. 惯性器件与惯性导航系统[M]. 北京：科学出版社. [2]Herve C．Lefevre．光纤陀螺仪[M]．张桂才，王巍，译． 北京： 国 防工业出版社，2002 [3]吉云飞，黄继勋. 光纤陀螺仪预滤波技术研究及应用[J]. 导航与控制. 2011.10(2):34-38. [4]董庆亮，杨建宇. 光纤陀螺仪及其在海洋重力仪中的应用[J].测绘时空. 2011.2 . [5]王巍，杨清生，王学锋. 光纤陀螺的空间应用及其关键技术[J]. 红外 与激光工程. 2006. Vol.35. No.5: 510-512. [6]杨亭鹏，刘星桥，陈家斌. 光纤陀螺仪(FOG)技术及发展应用[J]. 火 力与指挥控制. 2004 .29(2):76-79. [7]顾宏. 高精度光纤陀螺仪及其关键技术研究. 南开大学博士学位论文. 2008. [8]毛奔，林玉荣. 惯性器件测试与建模[M]. 哈尔滨工程大学出版社. 2009.
5）抑制光电检测器及电路的噪声 ；
6）提高FOG的环境适应性 ；

速率偏频激光陀螺惯导系统航向敏感误差分析与补偿

速率偏频激光陀螺惯导系统航向敏感误差分析与补偿

速率偏频激光陀螺惯导系统航向敏感误差分析与补偿江一夫;李四海;徐兵华;严恭敏【摘要】为了有针对性的消除激光陀螺速率偏频惯导系统的可补偿寻北误差,进一步提高航向精度,从速率偏频斜装惯性仪表的数学模型出发,对陀螺和加速度计的各项误差进行了寻北误差分析,基于捷联惯导对准误差公式给出了惯性仪表各误差源的影响量级.明确了引起倾斜状态航向敏感误差的主要因素,提出了以调整激光陀螺旋转轴方向陀螺零偏抵消激光陀螺标度因数不对称性误差或者速率偏频状态陀螺零位偏移的航向敏感误差补偿措施.经转台试验验证,该措施简单可靠,有效消除了倾斜状态航向敏感误差,速率偏频系统的全方位寻北精度能够从86″(3σ)提高到优于40″(3σ).【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】6页(P561-566)【关键词】寻北;航向敏感误差;激光陀螺;速率偏频【作者】江一夫;李四海;徐兵华;严恭敏【作者单位】西北工业大学自动化学院,西安 710029;西安航天精密机电研究所,西安 710100;西北工业大学自动化学院,西安 710029;西北工业大学自动化学院,西安710029;西安航天精密机电研究所,西安 710100;西北工业大学自动化学院,西安710029【正文语种】中文【中图分类】U666.1与机抖偏频一样，速率偏频技术是解决激光陀螺锁区问题的另外一种方式。

速率偏频要求激光陀螺敏感到持续的旋转角速度，因此可以与旋转调制技术复合利用同一转位机构，既可以避免机抖偏频频繁过死区产生的额外随机游走误差又实现了随机常值零偏的自补偿[1-3]，既可以发掘出激光陀螺的极限性能又没有额外增加硬件成本，是实现高精度自对准的绝佳途径。

惯性导航领域中将方位相关的寻北误差，归结为航向敏感误差（Heading-Sensitive Error, HSE）。

航向敏感误差主要与多位置系统参数不一致，磁场、温度场不均匀等因素有关，在平台惯导系统中一般采用最小二乘模型参数拟合和分段插值补偿的方法[4]。

激光陀螺捷联惯导中陀螺比例因子误差补偿技术

激光陀螺捷联惯导中陀螺比例因子误差补偿技术

激光陀螺捷联惯导中陀螺比例因子误差补偿技术冯鸿奎;钟德安;战德军;邹春华;刘扬【摘要】为了提高激光陀螺捷联惯性导航系统的导航精度，对激光陀螺的原理进行了分析和说明，重点对影响陀螺比例因子误差因素进行分析，在此基础上建立了误差补偿的精确数学模型，并针对某型激光陀螺进行了误差分析。

分析结果表明，惯导系统激光陀螺的比例因子与材料介质、温度、腔长等相关，除了采用稳频技术，还需要采用旋转调制技术提高测量数据精度。

转台仿真和实际测试结果证明，该比例因子修正的方法方便、可靠，姿态精度可提高约8.7"，对提高惯导测量精度具有重要意义。

%To improve the navigation precision of laser gyro strapdown inertial navigation system ( SINS ) , this paper emphasizes the factor analysis of laser gyro scale factor,and builds the exact mathematical mod-els. Scale factor of a laser gyro is correlated with its material,temperature and field length. Analysis shows that the performance of frequency stabilization and reciprocator rotation is optimal. Table simulations and sailing experiments show that this technology is convenient,and the attitude precison can be improved by a-bout 8. 7". It is meaningful for improving the measurement precison of SINS.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2013(000)012【总页数】4页(P1559-1562)【关键词】捷联惯性导航系统;激光陀螺;比例因子;误差补偿;单轴旋转【作者】冯鸿奎;钟德安;战德军;邹春华;刘扬【作者单位】中国卫星海上测控部，江苏江阴214431;中国卫星海上测控部，江苏江阴214431;中国卫星海上测控部，江苏江阴214431; 国防科技大学光电科学与工程学院，长沙410073;中国卫星海上测控部，江苏江阴214431;中国卫星海上测控部，江苏江阴214431【正文语种】中文【中图分类】TN965;V249.32近年来,随着惯性器件的发展,激光陀螺的优势越来越明显。

光纤陀螺的误差分析

光纤陀螺的误差分析

光纤陀螺仪的误差分析目前光纤陀螺的研究和应用中还存在着一些关键技术需要作进一步的深入研究。

最突出的问题就是存在许多难以解决的误差源。

一、光纤陀螺仪的分类光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类：1、干涉式光纤陀螺（IFOG）2、谐振式光纤头陀螺（RFOG）3、受激布里渊散射式光纤陀螺（BFOG）其中干涉式光纤陀螺技术已完全成熟并产业化，而谐振式光纤陀螺和受激式布里渊散射式光纤陀螺还处于基础研究阶段，尚有许多问题需要进一步探索。

所以这里主要探讨干涉式光纤陀螺的误差分析。

二、干涉式光纤陀螺原理干涉式光纤陀螺的主体是一个萨格奈克（Sagnac）干涉仪，由宽带光源（如超发光二极管或光纤光源）、光纤耦合器、光探测器、Y分支多功能集成光学芯片和光纤线圈组成，其原理基于萨格奈克效应：当陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针和逆时针方向传播的两束广波之间产生一个与旋转角速率成正比的相位差：式中：R为光纤线圈的半径；L为光纤长度；为光源平均波长；c为真空中的光速。

图1 干涉式光纤陀螺的机构组成三、光纤陀螺的噪声来源由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源的影响，光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。

为了减少光纤陀螺的误差并提高其精度，需要对其进行性能评价，辨识出影响其精度的主要误差源，以便进一步采取措施消除相关的随机误差。

在实际系统中，萨格纳克效应非常微弱，构成光纤陀螺的每个元件都可能是噪声源，而且存在各种各样的寄生效应，它们都将引起陀螺输出漂移和标度因数的不稳定性，从而影响光纤陀螺的性能。

主要误差源1.光源噪声光源是干涉仪的关键组件，光源的波长变化、频谱分布变化、输出光功率的波动、返回光的干扰，都将直接影响干涉的效果。

另外，返回到光源的光直接干扰了它的发射状态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，并引起发光强度和波长的波动。

(1)光源的波长变化的影响可通过信号处理的方法加以解决。

若波长变化是由温度变化引起，则可直接测量温度而校正波长，否则，必须测量波长进行校正。

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

光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究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。

标签：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]。

光纤陀螺的误差分析

光纤陀螺的误差分析

光纤陀螺仪的误差分析目前光纤陀螺的研究和应用中还存在着一些关键技术需要作进一步的深入研究。

最突出的问题就是存在许多难以解决的误差源。

一、光纤陀螺仪的分类光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类：1、干涉式光纤陀螺（IFOG）2、谐振式光纤头陀螺（RFOG）3、受激布里渊散射式光纤陀螺（BFOG）其中干涉式光纤陀螺技术已完全成熟并产业化，而谐振式光纤陀螺和受激式布里渊散射式光纤陀螺还处于基础研究阶段，尚有许多问题需要进一步探索。

所以这里主要探讨干涉式光纤陀螺的误差分析。

二、干涉式光纤陀螺原理干涉式光纤陀螺的主体是一个萨格奈克（Sagnac）干涉仪，由宽带光源（如超发光二极管或光纤光源）、光纤耦合器、光探测器、Y分支多功能集成光学芯片和光纤线圈组成，其原理基于萨格奈克效应：当陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针和逆时针方向传播的两束广波之间产生一个与旋转角速率成正比的相位差：式中：R为光纤线圈的半径；L为光纤长度；为光源平均波长；c为真空中的光速。

图1 干涉式光纤陀螺的机构组成三、光纤陀螺的噪声来源由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源的影响，光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。

为了减少光纤陀螺的误差并提高其精度，需要对其进行性能评价，辨识出影响其精度的主要误差源，以便进一步采取措施消除相关的随机误差。

在实际系统中，萨格纳克效应非常微弱，构成光纤陀螺的每个元件都可能是噪声源，而且存在各种各样的寄生效应，它们都将引起陀螺输出漂移和标度因数的不稳定性，从而影响光纤陀螺的性能。

主要误差源1.光源噪声光源是干涉仪的关键组件，光源的波长变化、频谱分布变化、输出光功率的波动、返回光的干扰，都将直接影响干涉的效果。

另外，返回到光源的光直接干扰了它的发射状态，引起二次激发，与信号光产生二次干涉，并引起发光强度和波长的波动。

(1)光源的波长变化的影响可通过信号处理的方法加以解决。

若波长变化是由温度变化引起，则可直接测量温度而校正波长，否则，必须测量波长进行校正。

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• 闭锁效应： 原因： 由于激光介质的色散、模式牵引和反射镜等光学 元件对光束的后向散射等原因，有源环形腔内正、反 向行波的频率接近到一定程度时，将突然变成完全一 样，即存在一个可能达到的最小频差X，一旦频差小 于X，就将变为0.因此当输入转速小到一定程度时，有 源环形腔内正、反向行波模对的频率将趋于完全相同。 上述现象即为激光陀螺进入锁区，此区域内输入转速 不被敏感。缩小锁区、消除锁区及采用各种偏频方法 克服锁区的影响是激光陀螺最为关键的技术。
参考文献：
《惯导系统陀螺仪理论》 郭秀中 《高精度导航系统》 章燕申 《激光捷联惯导寻北技术研究》 党建军 《激光陀螺温度误差补偿方法》 刘明庸 周良荣等
《船用激光陀螺捷联惯导系统中激光陀螺误差自动 补偿的方法研究》 凌明祥 张树侠等 《惯性器件》 陆元九 《单轴旋转调制技术对激光陀螺慢变漂移的抑制》 张伦东 刘伟等
• 《单轴旋转调制技术对激光陀螺慢变漂移的抑 制》 惯性导航系统的精度主要受器件误差的影响， 由惯性器件误差造成的系统误差随时间积累，因 此在长时间高精度的应用场合，必须降低惯性器 件误差对导航精度的影响。采用旋转调制技术， 可以在导航系统中将惯性器件误差调制成周期性 变化的信号，从而抵消器件误差对导航精度的影 响，提高惯导系统长时间导航精度。此外，采用 旋转调制技术还可提高系统的初始对准精度。国 内，袁保伦对光学陀螺旋转调制技术的原理和比 例因子误差效应进行了研究，指出光学陀螺惯导 系统更适合采用系统级旋转方式。翁海娜对旋转 调制方案进行了研究，研究结果表明，旋转调制
激光陀螺根据克服闭锁的措施不同可分为：机械 抖动偏频激光陀螺、磁镜偏频激光陀螺、恒速偏 频激光陀螺、四频差动激光陀螺等。 1. 机械抖动偏频激光陀螺是目前获得广泛应用 的一种陀螺。它利用交变的机械抖动使陀螺 大部分时间从锁区偏置出来，从而大大减小 闭锁误差。主要缺点为制造和抛光激光腔体 的表面很困难，发射镜的生产需要很高的技 术，陀螺仪的价格很高。 2. 磁镜偏频激光陀螺也是利用交变的抖动使陀 螺从锁区偏置出来。它是利用等效转动的磁 光效应进行交变偏频的，其精度比机抖陀螺 差。
• 零点漂移 陀螺曲线不过零点，即当输入角速率为零时， 陀螺输出却不为零。零漂主要有朗缪尔流动零漂、 磁场引起的零漂、多模耦合效应零漂、差分模推 斥零漂、非激活介质的流动和电泳引起的零漂、 锁区不稳定和顺逆不相等带来的零漂等。 • 标度因数误差 标度因数误差是指标度因数的实际值相对标 称值的变化。在同一角速度输入之下，如果标度 因数变化，将引起输出频差的变化，从而导致激 光陀螺仪的测量误差。
谢谢！
激光陀螺仪的误差分析与补偿 技术
自动化学院 中激光陀螺的补偿方法
激光陀螺仪的工作机理与刚体转子 陀螺仪有着根本区别，因此二者的 误差源亦完全不同。激光陀螺仪不 存在与线运动及角运动有关的误差， 这是一个突出的优点。
激光陀螺的主要误差源
3.神经网络拟合方法 多项式拟合和多元逐步线性回归的补偿方法都必 须建立在某个准确的数学模型之上，但实际上， 这种准确的数学模型是很难建立的，上面所用到 的简化模型仅仅是实际问题的一个最优近似。神 经网络不依赖任何确定的数学模型，且理论上已 证明，至少含有一个S型隐层再加上一个线性输 出层的BP神经网络，能够通过自学习逐步逼近任 意有理函数，所以，建立温度零偏误差的BP神经 网络模型是进一步提高补偿精度的重要手段。
• 《激光陀螺随机漂移的数字滤波方法研究》 激光陀螺的随机漂移噪声类似于白噪声，它是影 响激光陀螺精度的重要因素，采用数字滤波的方 法可以减小随机漂移对激光陀螺精度的影响。常 见‘AR（2）模型’、‘卡尔曼滤波’、‘小波 分析’和‘小波包分析’这四种数字滤波方法， 可以利用功率谱和Allan方差的分析方法对这几种 滤波效果进行比较。结果表明，对于激光陀螺的 随机漂移的滤除，基于AR模型的卡尔曼滤波法 的效果最好，基本上消除了陀螺的随机误差，而 小波分析法和小波包分析法只能在一定程度上消 除高频段的漂移。
3. 恒 速 偏 频 激 光 陀 螺 是 近 年 发 展 起 来 的 一 种 偏频方案，它利用速度恒定度非常高的机械 转动来实现偏频，其精度比机抖陀螺高，但 其体积大，而且输入速率范围低。 4. 四频差动激光陀螺的腔体中运行着两队顺、 逆方向的激光，分别构成两个单陀螺，对它 们施加相同的法拉第效应偏频，使之远离锁 区。再把二者的拍频相减，就得到陀螺的输 入角速率。这种陀螺结构复杂，成本高，技 术难度大。
方案应采用正反交替旋转，否则会引入新的误差。
旋转调制技术的本质就是改变陀螺敏感轴方 向，使依附于陀螺敏感轴上的误差方向在导航系 中改变，使不同方向上的等效器件引起的系统导 航误差相互抵消，从而提高导航精度。 旋转调制技术必须具有以下几个基本条件才 能提高系统精度：1）旋转或者翻转不能增加惯 性器件误差；2）惯性器件的敏感轴方向在导航 系中有规律的变化。
• 《船用激光陀螺捷联惯导系统中激光陀螺误差 自动补偿的方法研究》 激光陀螺误差自动补偿的一般方法是采用激光陀 螺测量轴换向法。例如，测量轴相互正交的三个 激光陀螺绕测量轴XYZ中的一个轴（例如Z轴）稳 定的旋转可以减少另外2个轴（例如X轴和Y轴） 的激光陀螺的常值漂移，但并不能减少沿Z轴激 光陀螺的漂移。理论和实践表明：陀螺组件绕不 与测量轴相重合的一般轴旋转是可行的。这种方 法称为动态自动补偿。
闭锁效应的消除方法： 机械抖动偏频，是绕激光陀螺仪的输入轴人 为地加上一个大的恒定角速度，该角速度远大于 闭锁阈值，使得在输入角速度为零时激光陀螺仪 总有一个恒定的频差输出，这个频差称为偏频。 （二频机抖、四频差动）或磁镜偏置，是利用横 向克尔磁光效应做成的一种反射镜，由于磁镜的 作用，使两束激光之间出现光程差而产生频差输 出，这个频差就是偏频。法拉第效应偏频等。使 得在大部分抖动周期内敏感的角速率超过闭锁角 速率。