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光纖陀螺溫度漂移誤差的模糊補(bǔ)償方案研究

第7期周琪，秦永元等：光纖陀螺溫度漂移誤差的模糊補(bǔ)償方案研究927

溫度漂移誤差的補(bǔ)償進(jìn)行的各項(xiàng)工作進(jìn)行了綜述，

其中包括光纖陀螺機(jī)理機(jī)構(gòu)的改善、硬件溫控措施等方面。

文獻(xiàn)［10］在結(jié)論中指出，對于中高精度光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償沒有放之四海而皆準(zhǔn)的方案，

應(yīng)視具體情況而定，做到有條件的適用性。因此，對于我們所研究的光纖陀螺，陀螺啟動(dòng)之初由于內(nèi)部元件發(fā)熱導(dǎo)致陀螺內(nèi)部溫度出現(xiàn)明顯變化造成嚴(yán)重的溫度漂移。測試表明所用的陀螺啟動(dòng)30min后的測量精度才能達(dá)到標(biāo)稱精度，如果在陀螺進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前使用其輸出進(jìn)行初始自對準(zhǔn)，勢必會影響對準(zhǔn)結(jié)果并影響導(dǎo)航結(jié)果。若等到陀螺穩(wěn)定后再進(jìn)行初始對準(zhǔn)，則失去了快速啟動(dòng)的優(yōu)勢。所以我們希望通過對陀螺啟動(dòng)漂移采用模糊模型進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)陀螺啟動(dòng)后慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能立即進(jìn)入對準(zhǔn)狀態(tài)。文中首先介紹了光纖陀螺溫度啟動(dòng)漂移的產(chǎn)生機(jī)理，并分析了所研究陀螺啟動(dòng)過程中的陀螺輸出與溫度場的關(guān)系。其次設(shè)計(jì)溫度試驗(yàn)方案，利用全溫范圍（－25℃～45℃）內(nèi)陀螺啟動(dòng)過程輸出數(shù)據(jù)建立光纖陀螺啟動(dòng)漂移的模糊推理系統(tǒng)。再次，采

集六組常溫?cái)?shù)據(jù)，

利用建立的模糊補(bǔ)償模型進(jìn)行啟動(dòng)漂移補(bǔ)償以驗(yàn)證模型的合理性和適用性。最后對

光纖陀螺啟動(dòng)漂移的模糊補(bǔ)償方案進(jìn)行了總結(jié)。

1溫度漂移誤差機(jī)理

光纖陀螺啟動(dòng)前處于熱平衡狀態(tài)，啟動(dòng)后由于

光纖環(huán)圈內(nèi)部的光學(xué)元件、電子元件的發(fā)熱而破壞了熱平衡。由于構(gòu)成光纖陀螺的主要器件如光纖線圈、集成光學(xué)器件、光源、耦合器等對溫度較為敏感，這樣在新的熱平衡建立前，光纖陀螺輸出信號中將產(chǎn)生非互易相位誤差。

ShupeD．M．指出與時(shí)間有關(guān)的光纖環(huán)上的溫度變化引起的非互易性會給光纖陀螺帶來不可忽視的漂移并限制其應(yīng)用，并推導(dǎo)出當(dāng)兩束干涉光分別沿著順時(shí)針和逆時(shí)針方向傳輸長度為L、折射率為n的光纖環(huán)時(shí)，光纖環(huán)溫度變化產(chǎn)生的熱致非互易相位誤差為：

Δ（t）=n

β0L

cn（z，t）（L－2z）dz（1）0∫

式中，β0=2π/λ為光在真空中的傳播常數(shù)，λ為波

長，

c為真空中光速n

0為光纖折射率溫度系數(shù)，



（z，t）為沿光纖分布的溫度隨時(shí)間的變化率，z為光纖的層坐標(biāo)。

本文所研究的光纖陀螺啟動(dòng)過程中陀螺殼體外

的環(huán)境溫度變化很小，可以認(rèn)為陀螺處于恒溫環(huán)境

中。光纖環(huán)圈內(nèi)部的發(fā)熱元件可視為功率恒定的熱源向外輻射熱量，這樣經(jīng)過一段時(shí)間的熱交換后光纖環(huán)圈處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)，光纖陀螺輸出穩(wěn)定，光纖陀螺進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖（1）所示為所研究陀螺在常溫條件下從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作的陀螺輸出以及對應(yīng)的陀螺內(nèi)部溫度和溫度變化率曲線（數(shù)據(jù)10s均值）。

從圖（1）可以看出，光纖陀螺的輸出與陀螺內(nèi)

部溫度及變化率具有默契的配合關(guān)系，

溫度及溫度變化率曲線間接說明了關(guān)于恒溫環(huán)境和恒定熱功率

假設(shè)的合理性。圖（1）顯示光纖陀螺的啟動(dòng)漂移為0．1°/h，遠(yuǎn)高于常溫下陀螺的標(biāo)稱指標(biāo)0．019°/h，另外陀螺啟動(dòng)時(shí)間約為30min，與傳統(tǒng)陀螺相比已無快速啟動(dòng)的優(yōu)勢，因此必須進(jìn)行光纖陀螺的啟動(dòng)漂移補(bǔ)償

。

圖1

常溫下陀螺輸出、溫度及變化率輸出曲線

2溫度漂移誤差的模糊補(bǔ)償模型

式（1）表明，熱致非互易相位誤差不僅與光纖

敏感環(huán)的參數(shù)及繞制方法有關(guān)，

而且還與光纖線圈上的溫度的分布及其變化狀況有關(guān)。因此，對于陀

螺使用者來說，希望通過式（1）直接實(shí)現(xiàn)對光纖陀螺的溫度漂移的補(bǔ)償是非常困難的，因?yàn)楣饫w陀螺的工藝參數(shù)往往不可得。即使對于生產(chǎn)者來講，由于光纖線圈的非理想狀態(tài)，殘余熱致非互易相位誤差也是很難消除的。進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纖陀螺在不同溫度點(diǎn)啟動(dòng)其啟動(dòng)漂移不一樣，但在同一啟動(dòng)溫度點(diǎn)，啟動(dòng)漂移具有較好的重復(fù)性。

基于式（1）和圖（1）及上述論述，采用二輸入一

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