Анализ проблем температурного дрейфа волоконно-оптических гироскопов и методов компенсации

В статье рассматривается влияние температурного дрейфа на волоконно-оптические гироскопы, эффективные методы компенсации и результаты экспериментов. Показано, как модель на основе полинома третьего порядка позволяет значительно повысить точность и сократить ошибку примерно на 75%.

Волоконно-оптические гироскопы как новый тип высокоточного прибора для измерения угловой скорости благодаря компактности, высокой надежности и большому сроку службы широко применяются в военной, коммерческой и гражданской сферах и демонстрируют хорошие перспективы развития. Но при изменении температуры окружающей среды их выходной сигнал начинает дрейфовать, что заметно ухудшает точность измерения и ограничивает область применения. Поэтому исследование закономерностей дрейфа и реализация компенсации ошибок стали одной из ключевых задач для повышения адаптивности FOG в переменной температурной среде.

Механизмы влияния температуры на волоконно-оптические гироскопы

FOG является оптическим гироскопом на основе эффекта Саньяка и состоит из источника света, фотодетектора, делителя луча и волоконной катушки. Температура влияет на точность гироскопа через изменение характеристик внутренних компонентов.

Волоконная катушка: как основной узел, именно она формирует эффект Саньяка при вращении относительно инерциального пространства. Температурные возмущения нарушают структурную взаимность FOG и вызывают ошибки фазовой разности.

Фотодетектор: колебания температуры среды приводят к заметному шуму в детекторе и создают температурозависимый темновой ток. Сопротивление нагрузки детектора также зависит от температуры.

Источник света: его температурные характеристики напрямую связаны с точностью фазы Саньяка. Изменения выходной мощности, средней длины волны и спектральной ширины при разных температурах дополнительно влияют на выходной сигнал гироскопа.

Существующие методы компенсации температурного дрейфа

Сейчас для ослабления температурного дрейфа обычно используют три основных подхода.

Аппаратные средства термостабилизации: локальные системы термоконтроля можно встроить в FOG и в реальном времени компенсировать температурную ошибку. Недостаток в том, что это увеличивает объем и массу, что противоречит тренду на миниатюризацию.

Изменение механической конструкции: например, квадрупольная намотка обеспечивает симметричное воздействие температуры на волоконную катушку и уменьшает невзаимные помехи. Но остаточный дрейф все равно влияет на детектирование угловой скорости.

Программная модельная компенсация: построение температурной модели для компенсации позволяет экономить место и снижать стоимость, поэтому именно этот путь стал основным в инженерной практике.

Температурные испытания и анализ моделирования

Экспериментальная схема

Испытания проводились в трех температурных диапазонах:

от 0 до 20 град C
-40 до -20 град C
40 до 60 град C

Начальная температура термокамеры задавалась заранее, выдерживалась 4 часа, после чего изменялась со скоростью 5 град C в час. Во время испытаний регистрировались выходные данные гироскопа. Испытательная система показана на рисунке 1; интервал дискретизации составлял 1 секунду, а данные сглаживались на окне 100 секунд.

Основные наблюдения

Анализ выходных кривых показал следующее:

Выход гироскопа демонстрировал заметные колебания при изменении температуры.

Кривая выхода повторяла те же восходящие или нисходящие тенденции, что и кривая скорости изменения температуры.

Температурный дрейф тесно связан с внутренней температурой и скоростью ее изменения.

Компенсационная модель

Для компенсации была разработана модель на основе полинома третьего порядка, включающая следующие факторы:

Температурная модель:

Lout = L0 + Σ ai (T - T0)^i + Σ bj T^j

После компенсации по этой модели стабильность смещения нуля достигла 0,0200 град/ч.

Модель по скорости изменения температуры:
введение члена скорости изменения температуры позволило улучшить стабильность смещения нуля до 0,0163 град/ч.

Комплексная модель:
одновременный учет температуры и скорости ее изменения повысил стабильность смещения нуля до 0,0055 град/ч, то есть дал снижение ошибки примерно на 77%.

Результаты сегментированной компенсации

Для каждого температурного диапазона использовались свои параметры компенсации. Результаты следующие.

После компенсации амплитуда колебаний выходных кривых была заметно подавлена, а сами кривые стали более стабильными. Среднее снижение ошибки в трех температурных диапазонах составило примерно 75%.

Заключение и перспективы

Предложенная модель температурной компенсации смещения нуля третьего порядка, учитывающая текущую температуру, отклонение от начальной температуры и скорость изменения температуры, экспериментально доказала свою эффективность в улучшении выходного сигнала гироскопа и заметном повышении точности. Этот метод может применяться к моделям FOG Micro-Magic, таким как U-F3X80, U-F3X90, U-F3X100, U-F100A и U-F300.

При этом текущее исследование все еще имеет ограничения, включая разрывы в температурной истории и недостаточное покрытие выборки. В дальнейшем работу следует сосредоточить на создании методов компенсации температурного дрейфа во всем температурном диапазоне. Для инженерной практики программная модельная компенсация уже показывает высокий потенциал как экономически эффективное решение, позволяющее совместить точность и практичность.