第3章第3.3节光纤陀螺

光纤陀螺及军事应用摘要：本文主要介绍了光纤陀螺，光纤陀螺的发展历史及其现状；在光纤陀螺分类的基础上分析其原理；光纤陀螺的特点；分别于陆海空三个不同的方面讲述光纤陀螺的军事应用以及光纤陀螺未来发展趋势。

关键词：光纤陀螺；发展历史；原理；分类；特点；军事应用；发展趋势Fiber Gyroscope and Military ApplicationXu Rui(School of Economy and Administration, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: This paper mainly introduces the development history and present situation of fiber optic gyroscope, optical fiber gyroscope; analyze its principle based on the classification of the characteristics of fog; fog; military application and development trends in the future about the fiber optic gyroscope fog on three different aspects of armed respectivelyKeywords: Fiber gyroscope；History；principle；Classification；Characteristic；Military application；Development trend.1 前言现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性制导仪器，它的发展对一个国家的工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

光纤陀螺仪简介一、陀螺仪综述陀螺仪，是能够感知自身角运动的变化的仪器，又称角运动传感器。

陀螺仪广泛应用在惯性导航系统(INS,)中。

惯性导航系统，主要由角运动传感器（陀螺仪）、加速度传感器和运算电路三部分主要部件构成，不同于卫星导航系统（北斗导航、GPS导航），惯导系统不依赖外部信号的输入，仅通过测量自身运动的变化便可计算出自身的位臵信息。

如图1-1，INS导航与GPS导航共同组成的GPS/INS组合导航系统，是目前高精度导航仪的主要结构。

GPS/INS组合导航系统陀螺仪关键性能指标：1 零偏稳定性定义：当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。

以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。

2 角随机游走定义：表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分（角度）随时间积累的不确定性（角度随机误差）。

3 标度因数非线性度在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

物理意义：测量精度（二）陀螺仪主要种类比较1 机械式陀螺仪机械式陀螺仪发展经历了滚珠轴承式陀螺仪、气浮陀螺仪、液浮陀螺仪、磁浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪。

其共同点都是通过测量自由机械转子的运动获得转动参数，不同的是对转子的支撑方式或测量方式。

机械陀螺中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/h，甚至更高，能够满足惯性级的精度要求。

但是无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。

由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，转速才能达到稳定。

同时，高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。

机械陀螺共性是存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。

三轴机械式陀螺仪结构原理图美国80年代研制的MX（和平保卫者）导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，每小时仅偏离1.5*10-5度，使该导弹可以在完全不依赖外部信息的情况下在14000公里射程上偏差小于100米，然而设备成本也极为高昂。

光纤陀螺技术参数选型1.光纤陀螺工作原理光纤陀螺是一种利用回波光纤中光信号相位差变化来测量转动角速度的设备。

其基本原理是通过光纤传输光信号的相位差变化来实现转动角速度的测量。

2.光纤陀螺技术参数光纤陀螺的技术参数包括测量范围、分辨率、精度、稳定性等。

2.1测量范围光纤陀螺的测量范围是指其能够测量的转动角速度的上下限。

根据具体应用的需求，需要选用合适的测量范围，以保证光纤陀螺可以满足实际测量需要。

2.2分辨率光纤陀螺的分辨率是指其能够测量的最小角速度变化，也可以理解为陀螺仪的感知能力。

分辨率越高，表示光纤陀螺对微小的角速度变化更加敏感。

2.3精度光纤陀螺的精度是指其输出值与实际值之间的误差。

精度越高，表示光纤陀螺的测量结果与实际值之间的偏差越小。

2.4稳定性光纤陀螺的稳定性是指其在长期工作过程中输出值的稳定性能。

稳定性越好，表示光纤陀螺的测量结果在不同环境条件下的波动较小。

3.光纤陀螺技术参数选型方法在确定光纤陀螺的技术参数时，需要综合考虑实际应用需求、成本和技术可行性等因素。

以下是一些常用的光纤陀螺技术参数选型方法：3.1根据应用需求确定测量范围根据实际测量需求，确定光纤陀螺的测量范围。

需要考虑转动角速度的最大值和最小值，以保证光纤陀螺能够满足实际测量需求。

3.2根据应用场景确定分辨率根据应用场景的需求，确定光纤陀螺的分辨率。

一般来说，对于需要测量微小角速度变化的应用，需要选择具有高分辨率的光纤陀螺。

3.3根据应用精度确定精度要求根据应用的精度要求，确定光纤陀螺的精度。

对于需要高精度测量的应用，需要选择具有高精度的光纤陀螺。

3.4根据应用稳定性确定稳定性要求根据应用的稳定性要求，确定光纤陀螺的稳定性。

对于需要长期稳定工作的应用，需要选择具有良好稳定性的光纤陀螺。

4.光纤陀螺技术参数选型的注意事项在进行光纤陀螺技术参数选型时，需要注意以下几个方面：4.1应用需求的准确把握需要充分了解实际应用需求，使技术参数选型更加准确。

1.1国内外光纤陀螺研究现状1.1.1国外光纤陀螺的研究现状Pircher和Hepner在1967年提出光纤陀螺，后由美国Utah大学Vali和orthill 于1976年经过实验演示，从此光纤陀螺(Fiber optic gyroscope)以其态结构所具有的优势，引起科技界的瞩目。

截止到20世纪90年代，全世界研制光纤陀螺及其系统的单位已经有几十家，精度范围已经覆盖了从战术级到惯性级、精密级的各种应用。

霍尼韦尔公司(Honeywell)是航空和军事领域光学陀螺产品的最主要研制单位，该公司从1991年开始批量生产光纤陀螺及其系统。

其研制的AHZ-800型光纤陀螺(0.5/h)姿态航向基准系统1995年被Dornier 328-100和Dornier 328-110系列飞机认可，目前已交付了上万套光纤陀螺姿态/航向基准系统(AHRS)，作为标准配置广泛应用于许多商业的和定期的飞机(包括Embraer145支持客机、Dornier 328支线客机、波音777、Cessna Excel商业喷气飞机和史密斯公司Learjet 45商业喷气飞机)上。

Honeywell公司在美国空军的支持下，还研制一种战术武器惯导系统用的光纤陀螺惯性测量单元(IMU)，精度为(0.1/h)每月大约生产100套。

在可行性论证阶段，Honeywell公司研制的精密级光纤陀螺已经达到偏置稳定性为0.0003/h，角随机游走为0.0001°/h，标度因数稳定性小于1ppm。

Honeywell公司的精密级光纤陀螺已经应用在高精度飞船导航、飞船定位和稳定(“哈勃”望远镜)及战略导弹中。

格鲁曼(Northrop Grumman）公司在2001年兼并了利顿(Litton)工业公司，2002年从Audax集团接收了光纤传感技术公司，是美国最有影响的光纤陀螺及其系统产品的生产企业。

目前，格鲁曼公司为许多重要的军事应用和商业应用生产光纤陀螺和惯性测量单元，陀螺漂移在1.0/h～0.001/h之间。

第三章光纤陀螺温漂抵偿3.1 光纤陀螺机能指标光纤陀螺是FOGSS的症结性元件.它的精度最终决议了体系能做到的最好机能.是以,对光纤陀螺仪作过细的误差处理是很有须要的.FOG在静止状况下,其输出可以看作是一个噪声旌旗灯号和一个迟缓变更的均值（零漂）旌旗灯号的叠加,并且受温度和初始启动前提的影响极大.但是光纤陀螺的温度特征不是没有纪律的,经由过程必定的抵偿算法,可以大大进步其机能,从而达到运用请求.其他机能指标有：标度因子的线性度和稳固性.这两个指标在捷联稳固装配中会影响FOG的测量时的精度,一般来说,对于中低精度的光纤陀螺,这两项指标是很难进步的,所以稳固装配中较经常运用的稳固设置装备摆设方法照样平台式稳固.对于平台式稳固,它对陀螺的根本请求就是在陀螺零转速旌旗灯号的工作特征好,对标度因子没有什么刻薄的请求.剖析光纤陀螺机能的重要对象是谱密度办法和Allan方差法[14][15][16].以下是光纤陀螺重要指标的简单描写,为后面温漂抵偿前后陀螺机能供给一个比较的根据.1．零偏0B零偏指的是在温度恒定.陀螺相对惯性系静止情形下,陀螺残存旌旗灯号中的直流分量.现实上,零偏不是恒定的,它还受温度和其他身分（如强磁场）的影响.因为情形温度的随机变更,使得零偏也是一个慢变的随机进程,反响的是陀螺长期的漂移特征,单位h /︒.其盘算近似可以暗示为nS F B =（3－1）式中 F ：陀螺静止时输出量的平均值.n S ：陀螺的标度因子bit/°/h.由反响零偏变更所派生出来的指标有a)零偏稳固性(bias stability)s B 这一项指标反响的是陀螺静止时输出的摇动幅度.2/112)(111⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=∑=n i i s F F n KB（3－2）n 为采样次数,i F 为陀螺静止时的输出量.b) 零着反复性(bias repeatability)r B ：°/h2/12100)(11⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=∑=Q i i r B B Q B （3－3）式中 Q ：反复测试的次数;i B 0：第i 次测试的零偏;0B ：零偏平均值.c) 零偏温度敏锐度(bias temperaturesensitivity)t B ：°/h/℃)max(00mi mi t T T B B B --=（3－4）式中i B 0：第i 个测试温度点陀螺的零偏;i T ：第i 个测试温度点的温度值;2．角随机游走（ARW ）为光纤陀螺的带限白噪声.一般来说,光纤陀螺的输出旌旗灯号中,这种噪声的功率谱密度在陀螺工作带宽内可以以为是常值.角随机游走可以用单位带宽输出角速度的方差的平方根（单位带宽的噪声方差的平方根）来权衡,单位为Hz h //︒或h /︒.即 WRMS ARW =（3－5）个中,ARW 与RMS 分离为角随机游走系数和陀螺输出带限白噪声旌旗灯号均方差,W 为陀螺带宽.该项噪声的时光平均值与积分时光的平方根成反比,而按时光积分造成的角度漂移为t RMS ⨯=2δθ（3－6）随机游走系数可以如许盘算：在初始样本序列基本上,依次成倍加长采样时光距离如下式所示：1ττk =,1τ初始采样时光距离,τ采样时光距离,k=1,2,…由相邻两个采样时光内的样本均值再构成新的样本序列,并求响应新序列的陀螺零偏稳固性)(τs B .用最小二乘法拟合,2210)1()1()(τττa a a B s ++= （3－7）求出模子系数,随机游走系数2/11a RW C =.3.2 输出误差模子剖析光纤陀螺的模子可以用下图简单的暗示[14].图3-1 光纤陀螺输出模子 Figure 3-1 output model ofFOG个中F ：输出脉冲速度（bit/s ）I ：惯性角速度输入in ω;n S ：标称标度因子;k ε：标度因子非线性误差项,与温度有关;E ：情形影响项,其大小为E ＝dtT d D dt dT DT D TTT •∇∇++••Δ;T D T Δ：与温度变更有关的情形迟钝项;dtdT D T•：与温度变更速度有关的情形迟钝项;dtTd D T•∇∇•：与情形温度梯度变更速度有关的情形迟钝项; D ：与初始启动有关的随机漂移项,其大小为D=Q R F D D D ++;F D ：零偏; R D ：随机游走项;Q D ：量化噪声.从图3-1中可以看到,影响光纤陀螺测量精度的重要身分有：1)情形温度.温度变更.温度变更速度.温度梯度变更速度对陀螺漂移都有影响.2) 与不合初始启动前提有关的随机漂移. 3)量化噪声.可见,很多方面的身分影响陀螺的输出.单单情形温度对陀螺的影响也是多方面的.这就使得抵偿算法庞杂化,并且因为试验前提得限制,一些测试前提是豪华或不准确的.但是现实体系总有必定工作前提的,经由过程假设,提出一些合理限制,就可以简化抵偿算法.根据体系运行的现实情形,可以假定1）体系在正常运行之前已经预热.2）情形温度的变更是迟缓的,温度变更速度和温度梯度变更速度很小,可以疏忽.在以上两个假设之下,下面将斟酌经由过程试验的办法来处理情形温度对陀螺机能的影响.3.3 温漂抵偿1. 试验前提因为陀螺漂移是比较迟缓的,是以试验的采样频率可以比较低.现实采取的采样频率为1Hz.收集的速度数据是陀螺以100Hz的输出频率输出的速度数据在1秒钟的时光距离规模内乞降.2. 实测数据预处理图3-2 光纤陀螺的输出角速度-温度曲线图Figure 3-2 output of the FOG vs. temperature图3-2显示了抵偿前陀螺静止时的输出曲线.经盘算得出,抵偿前陀螺的机能为1） 零偏：当温度在C C 4214-之间迟缓变更时,零偏变更的峰峰值)/144(/04.0h s2） 零偏温度敏锐度：)//2.3(//00089.0C h C s图3-3为陀螺静止时输出数据的频谱图,采样频率10Hz.因为陀螺温度漂移变更迟缓,由实测数据频谱可知,低频分量在阁下即已截止,是以温度漂移抵偿每5秒进行一次即可.为减轻盘算累赘,取5秒内的时光平均值作为采样值,并运用一阶惯性环节（带宽）对采样速度旌旗灯号滤波.该滤波器的数学模子为313)1(5)(-+=z z z G ,采样周期5秒.图3-3 光纤陀螺输出角速度频谱图Figure3-3 the spectrum of the FOG output3. 陀螺温漂抵偿1) 抵偿的目标温度抵偿的目标是减小零偏中的肯定性分量.零偏温度敏锐度.陀螺的其它指标如在温度恒定情形下的零偏稳固性.零着反复性.随机游走系数,由它们的盘算公式可知,是无法经由过程抵偿进行改良的.别的,当采取平台式稳固设置装备摆设时,因为陀螺在运用中只工作在零点邻近,标度因子非线性和对称性也无需抵偿. 2) 抵偿办法抵偿分为两步,起首要清除由陀螺逐次启动初始前提造成的不衰减的常值偏移,然落后行温度抵偿,减小温度变更对零偏的影响. 3) 抵偿算法由图3-1可以看出,陀螺温漂本身的反复性比较好,是以可以用较为简单的抵偿模子进行抵偿.在这里,采取分段折线进行拟合,⎪⎩⎪⎨⎧≤+⨯<<+⨯≥+⨯=ll lh l mm h h h c T T RT K T T T R T K T T R T K R 000（3－8）将陀螺工作的温度区间分为低于25℃,高于30℃和25～30℃之间.用最小二乘办法分段进行数据拟合,公式如下所示：211211111⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅-⋅=∑∑∑∑∑=====xxxxx M j j xM j j M j M j jM j j x jj x T M T RT M R T K （3－9）∑∑==-=xxM j j xM j j x xT M K R M R 1101 （3－10）根据上式,运用测得的温度－速度数据,求出hK .hR 0.mK .mR 0.lK .lR 0：82.40=h K .bit R h 2.11490-=.45.10=m K .bit R m 33.2000-=.86.33=l K .bit R l 29.7320-=℃和30℃.斟酌到试验所用的数据是1秒内采样数据的和,陀螺现实输出频率为100Hz,做速度抵偿时陀螺输出是Figure1纵坐标单位的0.01倍.由此可以肯定抵偿用的折线模子为：⎪⎩⎪⎨⎧︒≤-⨯︒<<︒-⨯︒≥-⨯=C T T C T C T C T T bit R c 6.23323.73386.0306.23003.21045.030492.114082.0)(（3－11）抵偿后的残差曲线：图3-4 抵偿后的光纤陀螺输出角速度-温度曲线图Figure 3-4 FOG output vs. temperature aftercompensation上图为采取折线抵偿后的陀螺输出.图3-4 的纵坐标单位是陀螺输出数据单位的100倍,横坐标为温度,单位摄氏度.由图可以看出,抵偿后陀螺输出数据的漂移在)/0076.0(5.2s bit ±±的规模内.且该漂移跟着温度的升高的变更比抵偿前（图3-2）小的多.当温度在15到42摄氏度之间变更时,陀螺输出变更的峰峰值已由抵偿前的s /04.0 降为s /00163.0 ,减小了96％.陀螺零偏的温度敏锐度也有相当大的改良,由式（3-4）式盘算可知,抵偿后由本来的C s //00089.0降为C s //000107.0.图3-5 是抵偿后陀螺漂移率随时光的变更曲线.与抵偿前的陀螺漂移速度曲线（图3-6）比拟也有显著的改良.漂移率由本来的大约s /02.0 降为s /008.0 .图3-5 抵偿后陀螺漂移角速度曲线Figure 3-5 curve of drift angle rate aftercompensation图3-6 抵偿前的陀螺漂移角速度曲线Figure 3-6 curve of drift angle rate beforecompensation将此漂移角速度数据积分,即可得到陀螺漂移角度随时光的变更曲线,分离如图3-7,图3-8所示.由图可知,无论长期漂移（5小时）照样短期漂移（>1小时）都有显著改良.图3-7 抵偿后的角度漂移曲线图Figure 3-7 drift angle after compensation图3-8 抵偿前的漂移角度曲线图Figure 3-8 drift angle before compensation4）抵偿后陀螺机能：● 零偏：当温度在C C 4214 之间迟缓变更时,零偏变更的峰峰值为：)/87.5(/00163.0h s● 零偏温度敏锐度：)//385.0(//000107.0C h C s与陀螺敏锐.零偏稳固性等机能指标比拟,并联合本项目标精度请求可知,经折线抵偿后的陀螺长期特征已经可以知足请求.3.5 本章小结光纤陀螺的重要机能指标都受情形温度的影响.在现实工作前提下,一般来说,情形温度变更是一个迟缓的旌旗灯号,是以温度变更速度.温度梯度变更速度现实上是异常小的,是以抵偿时只斟酌温度变更的影响,采取分段折线的办法来抵偿温度的影响.该抵偿算法现实上是一种准稳态的抵偿算法.所以现实体系运行时,应当斟酌体系的工作前提.在运用时,最好是将全部体系预热一段时光,使体系达到稳固,然落后入正常抵偿工作状况.抵偿后,陀螺的输出是输入惯性角速度旌旗灯号和输出白噪声旌旗灯号的叠加.白噪声旌旗灯号和输入旌旗灯号的频谱是重叠的,无法用频谱分隔的处理办法将之去除,此时,应采纳时域办法,运用统计旌旗灯号处理办法（如卡尔曼滤波或广义卡尔曼滤波）,将有效旌旗灯号估量出来[15].。

欧阳德创编 2021.03.07第三章光纤陀螺温漂补偿3.1 光纤陀螺性能指标光纤陀螺是FOGSS的关键性元件。

它的精度最终决定了系统能做到的最好性能。

因此，对光纤陀螺仪作细致的误差处理是很有必要的。

FOG在静止状态下，其输出可以看作是一个噪声信号和一个缓慢变化的均值（零漂）信号的叠加，并且受温度和初始启动条件的影响极大。

但是光纤陀螺的温度特性不是没有规律的，通过一定的补偿算法，可以大大提高其性能，从而达到应用要求。

其他性能指标有：标度因子的线性度和稳定性。

这两个指标在捷联稳定装置中会影响FOG的测量时的精度，一般来说，对于中低精度的光纤陀螺，这两项指标是很难提高的，所以稳定装置中较常用的稳定配置方式欧阳德创编 2021.03.07欧阳德创编 2021.03.07欧阳德创编 2021.03.07还是平台式稳定。

对于平台式稳定，它对陀螺的基本要求就是在陀螺零转速信号的工作特性好，对标度因子没有什么苛刻的要求。

分析光纤陀螺性能的主要工具是谱密度方法和Allan 方差法[14][15][16]。

以下是光纤陀螺主要指标的简单描述，为后面温漂补偿前后陀螺性能提供一个比较的依据。

1． 零偏0B零偏指的是在温度恒定、陀螺相对惯性系静止情况下，陀螺残余信号中的直流分量。

实际上，零偏不是恒定的，它还受温度和其他因素（如强磁场）的影响。

由于环境温度的随机变化，使得零偏也是一个慢变的随机过程，反应的是陀螺长期的漂移特性，单位h /︒。

其计算近似可以表示为n S FB =0（3－1） 式中 F ：陀螺静止时输出量的平均值。

n S ：陀螺的标度因子bit/°/h 。

欧阳德创编 2021.03.07欧阳德创编 2021.03.07由反应零偏变化所派生出来的指标有a) 零偏稳定性(bias stability)s B 这一项指标反应的是陀螺静止时输出的波动幅度。

2/112)(111⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=∑=n i i s F F n K B（3－2）n 为采样次数，i F 为陀螺静止时的输出量。