專利名稱：光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法
技術領域：
本發(fā)明屬于慣性測量技術領域，涉及對光纖陀螺儀動態(tài)特性測試與評估，適用于光纖陀螺儀動態(tài)范圍及標度因數特性的快速測試與標定，為一種光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法。
背景技術：
光纖陀螺是光纖傳感領域中重要的一員，它是建立在^gnac效應基礎上的光學干涉儀，即在閉合光路中從同一光源發(fā)出兩束特征相同的光，沿相反的方向傳播，并匯合至同一探測點而產生干涉；若閉合光路相對慣性空間存在閉合光路法向軸線方向的角速度， 則沿正、反方向傳播的光束產生光程差，該光程差對應的相位差與角速度成正比，光纖陀螺的信號處理系統(tǒng)通過對光波相位差進行調制解調，得到載體的轉動角速度。光纖陀螺儀具有全固態(tài)設計、結構簡單、抗沖擊、頻帶寬、平均無故障時間長、功耗低等優(yōu)點，光纖陀螺儀在捷聯慣導系統(tǒng)中的應用使捷聯技術的優(yōu)勢更加突出，在航空、航天、航海、兵器等導航控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)以及相關領域中，有著廣闊的應用前景。目前，光纖陀螺技術趨于成熟，已經進入中等精度實用階段，正在向高精度方向發(fā)展。目前，國內外對光纖陀螺的靜態(tài)特性測試已經形成了統(tǒng)一的方法，而對光纖陀螺的動態(tài)特性的研究并不是很多，然而，光纖陀螺的動態(tài)特性是表征其可靠性和環(huán)境適應性的重要性能指標，它的好壞直接決定了陀螺的應用范圍，光纖陀螺的測試方法在一定程度上制約著光纖陀螺精度的提高。高精度的光纖陀螺必須具備良好的動態(tài)特性。當光纖陀螺作為捷聯慣性導航器件直接固聯在飛機、導彈或艦船等運動載體上時，在惡劣的動力學環(huán)境下工作，其載體的角運動引起的動態(tài)誤差是光纖陀螺的主要誤差源之一，也是衡量光纖陀螺動態(tài)特性的主要指標，因此，測試分析光纖陀螺的動態(tài)特性是確定光纖陀螺可靠性的重要依據。目前，光纖陀螺儀的動態(tài)特性測試標定過程是在精密三軸轉臺上面完成，測試標定過程中，由于測試過程中存在轉臺間隙及安裝誤差問題，另外轉臺存在標定轉速范圍等技術指標限制，導致光纖陀螺動態(tài)特性測試結果的準確性較差、測試過程繁瑣、效率低等方面的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題是目前對光纖陀螺的動態(tài)特性的研究并不是很多，現有測試方法存在準確性較差、測試過程繁瑣、效率低等方面的問題。本發(fā)明的技術方案為光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法，在光纖陀螺數字閉環(huán)信號處理過程中引入附加調制相位，來模擬外部載體轉動引起的光學非互易性 &ignaC相位，得到電壓調制相位測試系統(tǒng)，在此基礎上建立電壓與外部角速率的分析模型， 分段調制相位電壓，模擬外部載體不等的運動角速率，測試光纖陀螺的最大量程，依據光纖陀螺的最小分辨率及最大量程，得出動態(tài)范圍，并計算標度因數，得到光纖陀螺標度因數的非線性度、不對稱性和重復性，完成光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定。本發(fā)明包括以下步驟1)建立光纖陀螺動態(tài)特性系統(tǒng)，系統(tǒng)由調制相位電壓控制器、三套被測光纖陀螺、 數據錄取設備及數據分析系統(tǒng)組成，三套被測光纖陀螺置于固定平臺，光纖陀螺輸出數據按照串行數據格式輸出至數據錄取單元，然后由數據錄取單元將不同調制電壓對應的轉速數據傳至數據分析系統(tǒng)，各光纖陀螺的電光調制信號線分別引出，連接至調制相位電壓控制器，測試標定前對光纖陀螺充分預熱，進入步驟2)；2)設置調制相位電壓控制器輸出電壓為零值，分別記錄三套光纖陀螺輸出數值
FlO，^20' ^30 ；3)設置調制相位電壓控制器輸出電壓，逐步增大輸出電壓，電壓增大量具有等間隔，直至超過光纖陀螺的集成光學芯片的半波電壓，共輸出η個電壓值，分別記錄三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值為Fn，F12，... Fln ；F21, F22，. . . F2n ；F31, F32，. . . F3n ；4)對光纖陀螺斷電十分鐘，再重新上電，預熱之后，設置調制相位電壓控制器輸出電壓為零值，分別記錄三套光纖陀螺輸出數值為NFltl，NF20, NF3tl，設置調制相位電壓控制器輸出電壓為步驟3)中輸出電壓值的反向電壓，共η個電壓值，輸入電壓按從小到大的順序變化，分別記錄三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值為NF11, NF12, . . . NFln ；NF21, NF22, · · · NF2n ； NF31, NF32, · · · NF3n ；5)依據步驟幻和步驟4)所記錄的三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值確定出光纖陀螺的量程，按照標度因數計算公式得出光纖陀螺的標度因數；6)依據光纖陀螺的最小分辨率及最大量程，得出動態(tài)范圍，分析標度因數計算結果，評估光纖陀螺的標度因數非線性度、不對稱性和重復性。步驟幻中記錄的三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值扣除光纖陀螺啟動之前的初始數據Fltl，F20, F3tl，再求出不同電壓輸入下三套光纖陀螺儀輸出的平均值；步驟4)中記錄三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值后扣除初始數據 NF10, NF20, NF3tl，再求出不同反轉輸入電壓下三套光纖陀螺儀輸出的平均值。標度因數計算方法為設乃為第j個輸入電壓時光纖陀螺儀輸出數據的平均值，Fjt為光纖陀螺儀在第j 個輸入電壓時的第t個輸出值；^ot為測試開始時，光纖陀螺儀輸出的平均值；N為數據采樣個數，標度因數計算方法見公式(1) (11)
_8] I=W⑴Fj=Fj-Fzero(2)建立光纖陀螺儀輸入輸出關系的線性模型Fj = K · Vij^F0+ Δ j(3)其中，K為標度因數；Ftl為擬合零位;Λ」為擬合誤差；采用第i個光纖陀螺在η組不同電壓Vu下的數值~用最小二乘法求K、F0 〔0024〕
權利要求
1.光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法，其特征是在光纖陀螺數字閉環(huán)信號處理過程中引入附加調制相位，來模擬外部載體轉動引起的光學非互易性^gnac相位，得到電壓調制相位測試系統(tǒng)，在此基礎上建立電壓與外部角速率的分析模型，分段調制相位電壓， 模擬外部載體不等的運動角速率，測試光纖陀螺的最大量程，依據光纖陀螺的最小分辨率及最大量程，得出動態(tài)范圍，并計算標度因數，得到光纖陀螺標度因數的非線性度、不對稱性和重復性，完成光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定。
2.根據權利要求1所述的光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法，其特征是包括以下步驟1)建立光纖陀螺動態(tài)特性系統(tǒng)，系統(tǒng)由調制相位電壓控制器、三套被測光纖陀螺、數據錄取設備及數據分析系統(tǒng)組成，三套被測光纖陀螺置于固定平臺，光纖陀螺輸出數據按照串行數據格式輸出至數據錄取單元，然后由數據錄取單元將不同調制電壓對應的轉速數據傳至數據分析系統(tǒng)，各光纖陀螺的電光調制信號線分別引出，連接至調制相位電壓控制器， 測試標定前對光纖陀螺充分預熱，進入步驟2)；2)設置調制相位電壓控制器輸出電壓為零值，分別記錄三套光纖陀螺輸出數值=Fltl，F20, F30 ；3)設置調制相位電壓控制器輸出電壓，輸出電量逐步增大，電壓增大量具有等間隔，直至超過光纖陀螺的集成光學芯片的半波電壓，共輸出η個電壓值，分別記錄三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值為Fn，F12，... Fln ；F21, F22，. . . F2n ；F31, F32，. . . F3n ；4)對光纖陀螺斷電十分鐘，再重新上電，預熱之后，設置調制相位電壓控制器輸出電壓為零值，分別記錄三套光纖陀螺輸出數值為NFltl，NF20, NF3tl，設置調制相位電壓控制器輸出電壓為步驟3)中輸出電壓值的反向電壓，共η個電壓值，輸入電壓按從小到大的順序變化，分別記錄三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值為NF11, NF12, . . . NFln ；NF21, NF22, · · · NF2n ； NF31, NF32, · · · NF3n ；5)依據步驟幻和步驟4)所記錄的三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值確定出光纖陀螺的量程，按照標度因數計算公式得出光纖陀螺的標度因數；6)依據光纖陀螺的最小分辨率及最大量程，得出動態(tài)范圍，分析標度因數計算結果，評估光纖陀螺的標度因數非線性度、不對稱性和重復性。
3.根據權利要求2所述的光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法，其特征是步驟3) 中記錄的三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值扣除光纖陀螺啟動之前的初始數據F1O, F20, F3tl，再求出不同電壓輸入下三套光纖陀螺儀輸出的平均值；步驟4)中記錄三套光纖陀螺對應不同電壓量值時的輸出數值后扣除初始數據NFltl，NF20, NF3tl，再求出不同反轉輸入電壓下三套光纖陀螺儀輸出的平均值。
4.根據權利要求3所述的光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法，其特征是標度因數計算方法為設足為第j個輸入電壓時光纖陀螺儀輸出數據的平均值，為光纖陀螺儀在第j個輸入電壓時的第t個輸出值；為測試開始時，光纖陀螺儀輸出的平均值；N為數據采樣個數，標度因數計算方法見公式(1) (11)F^Fj-Fzero(2)建立光纖陀螺儀輸入輸出關系的線性模型Fj = K · V^.+Fo+Aj(3)其中，K為標度因數；Ftl為擬合零位 為擬合誤差；采用第i個光纖陀螺在η組不同電壓Vu下的數值Fp用最小二乘法求K、F0 ;K = ^-^——^―(4)ηι ηv yMn J=Iι nτ^· η(5)"7^ n μ標度因數非線性度計算為用擬合直線表示光纖陀螺儀輸入輸出關系，如下Fj=K-Wl^F0(6)其中，^為第j個輸入電壓、所對應擬合直線上計算的光纖陀螺儀輸出值； 按公式(7)計算光纖陀螺儀輸出特性的逐點非線性偏差 F -FY 甘( )其中，Fm為光纖陀螺儀輸出的單邊幅值； 按公式(8)計算標度因數非線性度 Kn = max I α」|(8)標度因數不對稱性計算方法分別求出正電壓、反轉電壓范圍內光纖陀螺儀標度因數及其平均值，計算標度因數不對稱性Jw)丨Ka = 1 “ - “1(9)K =(10)其中，Kw為正電壓輸入范圍內光纖陀螺儀標度因數；Κ(_)為反電壓輸入范圍內光纖陀螺儀標度因數；Κα為標度因數不對稱性；玄為標度因數平均值； 標度因數重復性計算方法重復6次以上測試光纖陀螺儀標度因數，兩次測試之間光纖陀螺儀關機冷卻至室溫； 按公式(11)計算標度因數重復性K".1 Q-^-Y(Ki-K)2(e-i)tr其中，Q為重復測試次數。.11-(Π)
全文摘要
光纖陀螺儀的動態(tài)特性快速測試標定方法，在光纖陀螺數字閉環(huán)信號處理過程中引入附加調制相位，來模擬外部載體轉動引起的光學非互易性Sagnac相位，采用分段調制相位的辦法，對光纖陀螺輸出數據進行分段處理，來標定光纖陀螺的標度因數，并分析光纖陀螺標度因數的非線性度、不對稱性及重復性。本發(fā)明從光纖陀螺數字閉環(huán)信號處理方法入手，以一種全新的方法從整體上來評估光纖陀螺的動態(tài)特性，解決在現有的標定過程中，由于測試方法及標定設備技術指標限制導致測試結果的準確性較差以及測試精度較低的問題，具有測試過程簡捷、標定精度高的特點，并且可以單次完成多套光纖陀螺的測試標定。
文檔編號G01C25/00GK102538822SQ20111043106
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2011年12月20日
發(fā)明者劉錫祥, 張濤, 徐曉蘇, 王立輝, 閆捷 申請人:東南大學