[发明专利]消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术中光纤传感技术，特别是涉及一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种新型的角速度测量仪，其工作原理是基于光学赛格奈克效应的光纤干涉仪，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差，通过检测该相位差，即可得到环形干涉仪所在系统的角速度。由于光纤陀螺具有全固态、带宽大及具有多种协议数字输出的优点，被广泛的用于导航和姿态控制等应用系统中。

光纤陀螺输出的数字信号的大小和输入角速度的比例系数称为光纤陀螺的标度因数，简称为标度因数；标度因数由光纤陀螺所用光纤圆环的截面积、光纤长度和光源波长等决定，理想情况下为常数；但由于所用光源波长变化、结构变化及信号处理方案的不同，该比例系数不是常数，而是在不同环境下有一定的偏差，常用标度因数非线性度来描述这个偏差的大小。

很多应用场合中测量参数为角度，需要将光纤陀螺输出的角速度信息对时间进行积分以获得旋转角，从而要求光纤陀螺在相当宽的范围内都具有很高的精度，因为任何过去的误差都会削弱未来的信息，从而要求有高的标度因数性能，而且越高精度的应用系统对标度因数的精度要求越高，需要保证标度因数在不同运动状态下的误差均小于某一数值，否则最终会导致应用系统将会误差过大而动态性能下降。

当前光纤陀螺研究主要集中在其静态性能上，如零偏的温度性能或标度因数的温度性能等，这些参数都为静态性能，和光纤陀螺实际应用环境有区别。实际应用中，系统主要处于运动状态中，必然存在加减速，静态性能指标并不能完全描述光纤陀螺在这种环境下的实际工作性能状态，若要更准确全面地评价光纤陀螺的指标，需要进一步考虑其动态性能。

影响动态性能中的一个重要因素是标度因数的加速度效应：垂直于光纤陀螺敏感轴平面内的加速度引起光纤圆环截面积的变化，导致标度因数随加速度变化的现象。静止运动时系统速度不变，标度因数的加速度效应为零；而实际应用中系统更多的是处于运动状态，此时必然存在的加减速过程将导致光纤陀螺输出信号的标度因数随系统加速度的变化而变化，影响了加速度信号的正确解算，削弱了应用系统的动态性能。需要这样一种技术，能够消除光纤陀螺标度因数的加速度效应，使光纤陀螺在动态加减速过程中，标度因数能够保持足够稳定的性能指标，以配合系统的应用要求，提高动态性能指标。

发明内容

针对目前光纤陀螺研究中，动态性能逐渐成为评价光纤陀螺的重要指标，而标度因数加速度效应降低限制了该指标的现状，本发明的目的在于提供一种消除光纤陀螺标度因数加速度效应的方法，以保证标度因数在动态加减速过程中保持和静态一致的性能，以配合应用系统要求，提高动态性能。

发明原理：

光纤陀螺标度因数为光纤陀螺的输出和输入之间的关系，标度因数K可表示如下式，其中L、D分别为光纤陀螺所用光纤圆环的光纤长度和环半径，LD表示了光纤圆环的有效截面积，λ为光纤陀螺的光源波长，c为真空中光速：

K=2πLDλc---(1)]]>

从式(1)可以知道，标度因数反比于光源波长λ、正比于光纤圆环的光纤长度和环直径的乘积，在理想状态下，L、D和λ不变化，标度因数是一个常数。但实际上，光纤圆环不是理想的刚体，在受垂直其轴向(也即光纤陀螺的敏感轴)平面内力的作用下截面形状会产生畸变，如从原来的圆变为椭圆，其等效截面积LD也会发生变化；若系统在垂直其轴向平面内进行加减速运动，则在光纤圆环内产生相同方向的加速力，改变了等效截面积LD，并导致了标度因数是加速度的函数，此即为光纤陀螺标度因数的加速度效应。而沿光纤圆环轴向的力不会影响光纤陀螺的等效截面积LD，不会造成标度因数的变化。

标度因数加速度效应的具体形式决定于光纤圆环的结构刚性，光纤圆环的刚性越好，该函数关系越弱，但实际设计过程中兼顾到重量等其他原因，不能完全消除这个关系；且此关系函数为一个非线性函数，其变量为垂直光纤圆环轴向平面内的加速度的幅度大小，和该加速度在该平面内的具体方向无关。