光纖陀螺性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1、光纖陀螺性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1 光纖陀螺主要性能評(píng)價(jià)參數(shù)11.1光纖陀螺輸出信號(hào)的特點(diǎn)11.2 零偏21.3 零漂22 光纖陀螺其他性能評(píng)價(jià)參數(shù)31 光纖陀螺主要性能評(píng)價(jià)參數(shù)1.1光纖陀螺輸出信號(hào)的特點(diǎn)光纖陀螺作為敏感角速度的傳感器，其輸出信號(hào)除了包括作用在光纖陀螺的外加角速度信息外，還包括地球自轉(zhuǎn)角速度信息和各種噪聲4。因此光纖陀螺在外加角速度的作用下，其輸出的數(shù)學(xué)模型為 (1)(1)式中，為陀螺輸出信號(hào)；為作用在光纖陀螺的外加角速度；為地球自轉(zhuǎn)角速度；、分別為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，光纖陀螺敏感軸與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角和敏感軸在水平面內(nèi)的投影與地理北向的夾角；為陀螺漂移。其中陀螺漂移主要由常值漂移和隨機(jī)漂移組成

2、。即 (2)(2)式巾，為常值漂移；為周期分量；為零均值的高斯白噪聲；為有色噪聲。常值漂移短時(shí)間內(nèi)可以用陀螺的零偏代替。所謂零偏，是指光纖陀螺的角速度輸入為零時(shí)陀螺的輸出量，單位為。隨機(jī)漂移項(xiàng)由周期分量、白噪聲和有色噪聲組成，整體在測(cè)量過(guò)程中由零漂體現(xiàn)。光纖陀螺的靜態(tài)特性中零漂是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)，直接反映了陀螺的精度高低。零漂是指陀螺輸出量同繞其均值的離散程度，以規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)應(yīng)的角速率表示，單位也為。1.2 零偏在輸入角速率為零時(shí)（即陀螺靜止，這種靜態(tài)情況下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)輸出是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程）陀螺儀的輸出量。以規(guī)定時(shí)間內(nèi)（較長(zhǎng)時(shí)間）測(cè)得的輸出量平均值相等的等效輸入角速率表示

3、。理想狀態(tài)下為地球自轉(zhuǎn)角速度分量。光纖陀螺的零偏計(jì)算公式可表示為： (3)式中： b0一零偏，0/h或0/s一光纖陀螺輸出量的平均值，0/h或0/sk一標(biāo)度因數(shù)1.3 零漂零漂也叫零偏穩(wěn)定性，是指靜態(tài)情況下光纖陀螺的輸出量圍繞其均值的離散程度，以規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的標(biāo)準(zhǔn)偏方差相應(yīng)的（標(biāo)準(zhǔn)方差除以標(biāo)度因數(shù)）等效輸入角速率表示。它可以分為長(zhǎng)期零漂和短期零漂，長(zhǎng)期零漂的測(cè)試時(shí)間一般以小時(shí)為單位，短期零漂在30分鐘以下。首先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行10s或100s平滑后，零偏穩(wěn)定性計(jì)算公式可表示為： (4)式中：bs一零偏穩(wěn)定性，0/h或0/sfi一第i次測(cè)試光纖陀螺的輸出量，0/h或0/sn一采樣次數(shù)。此方法即

4、在一組采樣間隔為1s的光纖陀螺測(cè)試樣本的基礎(chǔ)上，按照某個(gè)固定的時(shí)間步長(zhǎng)t(即10s或100s)將數(shù)據(jù)分為多個(gè)數(shù)據(jù)段，這些數(shù)據(jù)段的均值組成了一個(gè)新的樣本，該樣本的標(biāo)準(zhǔn)差反映了光纖陀螺的精度。此計(jì)算方法簡(jiǎn)單便捷，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)樣本分段求平均值的方式平滑了樣本中存在的短期噪聲(如白噪聲、量化噪聲等)，因此反映出了光纖陀螺漂移趨勢(shì)，也就是零偏穩(wěn)定性。零漂數(shù)據(jù)中包括角隨機(jī)游走、零偏不穩(wěn)定性、速率隨機(jī)游走、速率漂移斜坡、量化噪聲5個(gè)噪聲項(xiàng)，由于這5個(gè)噪聲源的形成機(jī)理各不相同，因此陀螺的5個(gè)噪聲源在統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立：角隨機(jī)游走(arwangle random walk)引起角隨機(jī)游走的噪聲源有：光源噪聲、光電探測(cè)器噪

5、聲、電子噪聲以及數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。零偏不穩(wěn)定性(bibias instability)引起零偏不穩(wěn)定性的噪聲源有：光纖陀螺中的放電組件、電路噪聲、環(huán)境噪聲以及其他可能產(chǎn)生隨機(jī)閃爍的器件。速率隨機(jī)游走(rrwrate random walk)引起速率隨機(jī)游走的噪聲源尚有待研究。速率漂移斜坡(rrrate ramp)速率斜坡本質(zhì)上是一種確定性誤差、而不是隨機(jī)過(guò)程。它在陀螺儀零漂數(shù)據(jù)中出現(xiàn)?？赡苁怯捎诠饫w陀螺的光強(qiáng)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有非常傲慢而單調(diào)的變化，也可能由于平臺(tái)保持非常小的加速度，進(jìn)而表現(xiàn)為光纖陀螺的真實(shí)輸入。量化噪聲(qnquantiztion noise) 量化噪聲是由傳感器輸出信號(hào)的離散化或

6、量化性質(zhì)造成的，量化噪聲代表了傳感器的最低分辨率水平。2 光纖陀螺其他性能評(píng)價(jià)參數(shù)光纖陀螺的性能評(píng)價(jià)參數(shù)還包括以下幾個(gè)：最大輸入角速率（maximum input angular rate） 對(duì)大可測(cè)量角速率和靈敏度閾值反映了光纖陀螺的測(cè)量范圍，兩者相除的結(jié)果是光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍。光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍和信號(hào)檢測(cè)方法是緊密相關(guān)的。對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，位相檢測(cè)一般為；對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，位相檢測(cè)科大于。溫度效應(yīng)（temperature effect） 溫度效應(yīng)包括零偏溫度靈敏度、零偏溫度速率靈敏度等。實(shí)用的光纖陀螺需要承擔(dān)比較惡劣的環(huán)境條件，其中溫度是最關(guān)鍵的環(huán)境因素之一，也是制約光纖陀螺應(yīng)用的主要因素。溫度對(duì)光

7、纖陀螺系統(tǒng)的影響是多方面的，從光纖、調(diào)制器到光源、探測(cè)器，無(wú)一不受其影響。在中、高精度的光纖陀螺系統(tǒng)中，要檢測(cè)的位相變化在量級(jí)；弱溫度影響控制不好，所產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲的位相變化遠(yuǎn)大于該量級(jí)。目前，已有一系列的方法來(lái)消除和補(bǔ)償溫度的影響，使光纖陀螺的工作溫度范圍在。靈敏度，閾值（sensitivity, threshold） 靈敏度也就是閾值，反映了光纖陀螺能敏感的最小角速率。一般對(duì)于中、高精度光纖陀螺，其靈敏度在左右，比地球自轉(zhuǎn)角速率低兩個(gè)量級(jí)（地球自轉(zhuǎn)速率為）。零偏重復(fù)性（bias repeatability）零偏重復(fù)性是指在同樣條件下及規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)測(cè)量陀螺零偏之間的一致程度，以各

8、次測(cè)試得到的零偏的標(biāo)準(zhǔn)方差表示。標(biāo)度因素(scale factor) 標(biāo)度因素是輸入量與輸入角速率的比值，是反映陀螺靈敏度的量，它是用某一特定直線的斜率表示的。該直線是根據(jù)整個(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測(cè)得的輸入輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。設(shè)標(biāo)度因數(shù)為k，有y=k+0, 其中 y 為輸出信號(hào),為輸入角速度, 0/k 就是零偏。標(biāo)度因素=（陀螺輸出-零偏）/被測(cè)角速率標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性（scale factor repeatability） 標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性是指在同樣條件下及規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)測(cè)量陀螺標(biāo)度因數(shù)之間的一致程度，以各次測(cè)試得到的標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差表示。標(biāo)度因數(shù)非線性度（scale factor nonlinearity） 標(biāo)度因數(shù)非線性度（或稱(chēng)刻度因子誤差）是指在輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺輸出量相對(duì)于最小二乘法