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机抖陀螺锁区补偿的角度随机游走改善分析

樊振方 罗晖 胡绍民 骆拓 廖志坤 谭中奇 丁浩珅 范金诚

樊振方, 罗晖, 胡绍民, 骆拓, 廖志坤, 谭中奇, 丁浩珅, 范金诚. 机抖陀螺锁区补偿的角度随机游走改善分析[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(11): 20230156. doi: 10.3788/IRLA20230156
引用本文: 樊振方, 罗晖, 胡绍民, 骆拓, 廖志坤, 谭中奇, 丁浩珅, 范金诚. 机抖陀螺锁区补偿的角度随机游走改善分析[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(11): 20230156. doi: 10.3788/IRLA20230156
Fan Zhenfang, Luo Hui, Hu Shaomin, Luo Tuo, Liao Zhikun, Tan Zhongqi, Ding Haoshen, Fan Jincheng. Angle random walk improvement analysis of body-dithered ring laser gyro based on lock-in error compensation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(11): 20230156. doi: 10.3788/IRLA20230156
Citation: Fan Zhenfang, Luo Hui, Hu Shaomin, Luo Tuo, Liao Zhikun, Tan Zhongqi, Ding Haoshen, Fan Jincheng. Angle random walk improvement analysis of body-dithered ring laser gyro based on lock-in error compensation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(11): 20230156. doi: 10.3788/IRLA20230156

机抖陀螺锁区补偿的角度随机游走改善分析

doi: 10.3788/IRLA20230156
基金项目: 国家自然科学基金项目(62375285)
详细信息
    作者简介:

    樊振方,男,副研究员,博士,主要从事光电检测与号处理方面的教学与科研工作

  • 中图分类号: TN29

Angle random walk improvement analysis of body-dithered ring laser gyro based on lock-in error compensation

Funds: National Natural Science Foundation of China (62375285)
  • 摘要: 二频机抖陀螺每个抖动周期要两次经过锁区,每次过锁区时的随机误差会使激光陀螺产生随机游走。在工程上实现了二频机抖陀螺的锁区补偿,并采用Allan方差方法分析了锁区补偿前后输出数据的角度随机游走,实验结果表明,锁区补偿后随机游走具有大幅度的改善。首次报道了机抖激光陀螺中锁区补偿对角度随机游走的改善。
  • 图  1  获取过锁误差的流程图

    Figure  1.  Flow chart of obtaining over-lock error

    图  2  未进行锁区补偿前的激光陀螺输出

    Figure  2.  Laser gyro output before lock compensation

    图  3  误差序列YZ

    Figure  3.  Error sequence Y and Z

    图  4  锁区补偿后的激光陀螺输出

    Figure  4.  Laser gyro output after lock compensation

    图  5  补偿前后的Allan方差曲线

    Figure  5.  Allan variance curve before and after compensation

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-20
  • 修回日期:  2023-06-07
  • 刊出日期:  2023-11-17

机抖陀螺锁区补偿的角度随机游走改善分析

doi: 10.3788/IRLA20230156
    作者简介:

    樊振方,男,副研究员,博士,主要从事光电检测与号处理方面的教学与科研工作

基金项目:  国家自然科学基金项目(62375285)
  • 中图分类号: TN29

摘要: 二频机抖陀螺每个抖动周期要两次经过锁区,每次过锁区时的随机误差会使激光陀螺产生随机游走。在工程上实现了二频机抖陀螺的锁区补偿,并采用Allan方差方法分析了锁区补偿前后输出数据的角度随机游走,实验结果表明,锁区补偿后随机游走具有大幅度的改善。首次报道了机抖激光陀螺中锁区补偿对角度随机游走的改善。

English Abstract

    • 激光陀螺的工作原理是Sagnac效应[1],它能够将相对于惯性空间的角运动转换为拍频输出,激光陀螺广泛应用于导航、定位定向及精密测角仪等领域[2-6]。由于镜片的背向散射和环路的非均匀性,激光陀螺存在“闭锁”现象[7-14],即当输入转速低于某一阈值时,陀螺中的正逆行光之间产生同步现象,不再感知外部角运动。为了减小锁区的影响,必须对激光陀螺进行偏频,其中机械抖动偏频是目前精度最高的偏频方式,应用也最为广泛[15-17]

      机抖偏频陀螺的缺点是一个周期需要两次经过锁区,每次过锁区会产生一定的信息丢失,抖动噪声注入能够将过锁时的信息丢失随机化,但不能消除这一误差,这就会在陀螺的输出信号中产生随机游走误差。锁区补偿能够得到过锁区的误差并进一步对这一误差进行补偿。

      文献[18]在总结了锁区补偿相关研究的基础上,得到了过锁误差的表示方法,并对锁区补偿的效果进行了数值仿真,仿真结果表明锁区补偿在各种转速条件下是可行的。在文献[18]的基础上,通过合理的工程设计,实现了激光陀螺的锁区补偿。文献[18]中的数值仿真中假设了锁区和偏移角是已知的,但在实际情况下这两个参数是未知的,采用了曲线拟合的方法得到了它们的值。首次实现了机抖陀螺的过锁误差补偿,并用Allan方差方法分析了锁区补偿的效果。实验结果表明:某陀螺的角度随机游走由$1.53 \times {10^{ - 3 }}{(^ \circ)} /\sqrt {\rm{h}} $ 改善到了 $3.14 \times {10^{ - 4}}{(^\circ)} /\sqrt {\rm{h}} $,锁区补偿达到了预期的效果。

    • 二频激光陀螺的拍频方程表示为:

      $$ \dot \psi = \varOmega + {\varOmega _L}\cos \left( \psi \right) $$ (1)

      式中:$ \psi $为激光陀螺拍频信号的瞬时相位;$ {\varOmega _L} $为激光陀螺的锁区;$ \varOmega $为外界输入角速率。抖动偏频下的拍频方程表示为:

      $$ \dot \psi = \varOmega + {\varOmega _d}\cos \left( {{\omega _d}t} \right) + {\varOmega _L}\cos (\psi ) $$ (2)

      式中:$ {\varOmega _d} $为抖动的峰值速率;$ {\omega _d} $为抖动频率。机抖陀螺中锁区引起的误差主要集中在过锁瞬间。过锁区的误差表示为[18]

      $$ \begin{gathered} \Delta {E^ + } = {\varOmega _L}\sqrt {\frac{{2\pi }}{{{{\ddot \psi }^ + }}}} \cos \left(\psi _0^ + - \frac{\pi }{4}\right) \\ \Delta {E^ - } = {\varOmega _L}\sqrt {\frac{{2\pi }}{{{{\ddot \psi }^ - }}}} \cos \left(\psi _0^ - + \frac{\pi }{4}\right) \\ \end{gathered} $$ (3)

      式中:$ \Delta {E^ + } $和$ \Delta {E^ - } $分别表示正向过锁区和负向过锁区的误差;$ \psi _0^ + $和$ \psi _0^ - $分别为正负向过锁区时零速率点的相位;$ \ddot \psi $为过锁区的相位加速度。每个周期的过锁误差表示为[18]

      $$ \Delta {E_c} = a{P_1} + b{P_2} $$ (4)

      式中:$ a $和$ b $为和锁区与偏移角相关的常量。$ {P_1} $和$ {P_2} $的表达式为[18]

      $$ \begin{gathered} {P_1} = \sqrt {\frac{{2\pi }}{{{{\ddot \psi }^ + }}}} \sin (\psi _{H1}^ + ) + \sqrt {\frac{{2\pi }}{{{{\ddot \psi }^ - }}}} \sin (\psi _{_{H2}}^ - ) \\ {P_2} = \sqrt {\frac{{2\pi }}{{{{\ddot \psi }^ + }}}} \sin (\psi _{_{H2}}^ + ) - \sqrt {\frac{{2\pi }}{{{{\ddot \psi }^ - }}}} \sin (\psi _{_{H1}}^ - ) \\ \end{gathered} $$ (5)

      式中:$ \psi _{_{H1}}^{} $和$ \psi _{_{H2}}^{} $分别为两个读出光电管的瞬时相位。通过和光棱镜可以将顺逆时针光在干涉面上形成干涉条纹,两个光电管在干涉面上互成正交放置。

    • 获取过锁区误差的流程图如图1所示。首先通过高速ADC获取读出光电管的瞬时的拍频信号$ \sin ({\psi _{H1}}) $和$ \sin ({\psi _{H2}}) $。对这两个信号进行滤波处理,就可以判断陀螺是否过锁区[19]。如果陀螺过锁区,就按照公式(5)计算过锁误差信息,并将过锁误差信息累积到acc1和acc2,它们即是$ {P_1} $和$ {P_2} $在所有抖动周期内的累积。

      图  1  获取过锁误差的流程图

      Figure 1.  Flow chart of obtaining over-lock error

      对激光陀螺的读出信号进行正交解调,通过可逆计数器就可以得到陀螺的输出脉冲数。由于机抖陀螺中含有抖动偏频成分,要得到真实的外界角速度输入,必须对可逆计数器进行采样,并采用低通滤波器将抖动成分滤除[20]。低通滤波器必然会引入时间延迟,会造成脉冲输出和上述采集到的误差信息的不同步。为了解决这个问题,将误差累积信号也同样经历了输出脉冲的采样、低通滤波等处理流程,以使得输出脉冲和误差累积量是同步的。

      经过上述同步滤波处理,可以得到每一秒钟之内的脉冲输出序列X,还可以得到acc1和acc2每一秒钟的累积序列YZ,根据公式(4)可以得到经过补偿之后的输出序列为:

      $$ {{G}} = {{ X }} - {{aY}} - {{bZ}} $$ (6)

      公式(6)即为锁区补偿的表达式,然而$ a $和$ b $的值是未知的。但是$ a $和$ b $可以通过公式(7)来估计[21]

      $$ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} a \\ b \end{array}} \right) = C{(Y,Z)^{ - 1}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{cov} (X,Y)} \\ {{cov} (X,Z)} \end{array}} \right) $$ (7)

      式中:$ {cov} \left( {X,Y} \right) $为$ X $和$ Y $的协方差。$ C(Y,Z) $的表达式为:

      $$ C(Y,Z) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{cov} (Y,Y)}&{{cov} (Y,Z)} \\ {{cov} (Y,Z)}&{{cov} (Z,Z)} \end{array}} \right) $$ (8)

      为了使得$ a $和$ b $的估计具有足够的精度,数据采集时间一般需要10 min~1 h。

    • 在以上锁区补偿工程实现的基础上开展锁区补偿实验,被测陀螺的光学程长为0.28 m,陀螺的抖频为359 Hz,和频值为150 kHz。将激光陀螺水平放置,以地球自转为被测量,将抖动噪声加至正常水平以使得过锁区的误差充分随机化。通过数据采集得到激光陀螺的输出如图2所示,从图中可以看到由于陀螺过锁区时引起的误差,陀螺的输出具有较大的波动。在得到激光陀螺输出的同时还能够得到激光陀螺的误差序列$Y$和$Z$如图3所示,由于加噪较为充分,可以看出误差序列$Y$和$Z$是接近白噪声的。

      图  2  未进行锁区补偿前的激光陀螺输出

      Figure 2.  Laser gyro output before lock compensation

      图  3  误差序列YZ

      Figure 3.  Error sequence Y and Z

      公式(7)可得到$ a $和$ b $的值,再根据公式(6)进行锁区补偿,可以得到补偿后的激光陀螺输出如图4所示。也可以得到陀螺的锁区为$109{(^\circ)} /{\rm{h}}$。对比图4图2可知,补偿后的激光陀螺输出比补偿前的波动小了很多。

      图  4  锁区补偿后的激光陀螺输出

      Figure 4.  Laser gyro output after lock compensation

      为了分析锁区补偿的效果,分别求图2图4中的数据进行Allan方差,得到的结果如图5所示,可以看到,补偿后数据的Allan方差比补偿前数据的Allan方差下移很多。分别对两条曲线进行数据拟合,可以得到锁区补偿前的随机游走为$1.53 \times {10^{ - 3}}{(^\circ)} /\sqrt {\rm{h}} $,锁区补偿后的随机游走为$3.14 \times {10^{ - 4}}{(^\circ)} /\sqrt {\rm{h}} $,仅为补偿前的1/5,可见锁区补偿确实能够降低二频机抖陀螺的随机游走。

      图  5  补偿前后的Allan方差曲线

      Figure 5.  Allan variance curve before and after compensation

    • 机抖陀螺每次过锁区的随机误差会使输出产生角度随机游走误差,在频域上,角度随机游走误差可延伸至有用信号频带范围内,很难通过滤波的方法滤除,因此随机游走决定了导航系统的极限精度。若过锁误差能够得到补偿,便可进一步降低激光陀螺的随机游走。在文献[18]理论分析的基础上,首次在工程上实现了机抖陀螺的锁区补偿。采用Allan方差方法对锁区补偿的效果进行了分析,对某陀螺实验结果表明锁区补偿后的角度随机游走降低为原来的1/5。需要注意的是锁区补偿的适用范围是输入角速率不能超过偏频量,当输入转速过大时,陀螺不经过锁区,也就不存在过锁区误差。

参考文献 (21)

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