[发明专利]光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种惯性技术领域中光纤陀螺，特别涉及一种干涉式光纤陀螺的温度漂移误差建模方法，适用于各种光纤陀螺仪。

背景技术

平台运动误差的高精度实时估计是抑制并补偿遥感图像退化的前提。基于惯性敏感器件的误差估计理论与方法是解决该问题的有效途径。深入研究惯性敏感器误差形成机理、建模与标定方法将从测量系统的误差来源前端传感器件角度保证测量系统精度。  

光纤陀螺是目前应用较为广泛的一种惯性敏感器件，因此对光纤陀螺的误差形成机理、建模与标定方法的研究具有重要意义。光纤陀螺的基本工作原理是Sagnac效应，即在一闭合回路中从同一光源发出的两束沿相反方向传播的特征相同的光，在同一探测点汇合后产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度，则两束传播方向相反的光会产生光程差，该差值与角速度成正比，因此通过光程差与相应的相位差的关系即可检测出相位差，从而计算出角速度。与传统的机械陀螺仪相比，它具有以下显著特点：一、全固态无活动部件，抗振动耐冲击；二、动态范围宽，直接输出数字信号稳定可靠；三、启动时间短，工作寿命长；四、检测灵敏度和分辨率高；五、结构简单，零部件少，易于集成，体积小，重量轻；六、灵活性好，易通过调整结构和相应参数改变陀螺性能。

由于实用性的陀螺往往具有较宽的工作温度范围，而构成光纤陀螺的核心部件中光学原件较多，对于周围环境温度变化十分敏感，陀螺的性能参数在很大程度上会受到温度变化的影响，从而导致陀螺输出中产生温度漂移误差。它严重影响了光纤陀螺的输出精度，也制约了光纤陀螺在工程上的进一步应用。随着光纤陀螺在工程上的普及和推广，摸清其温度特性，削弱光纤陀螺的温度漂移已经成为工程上迫切需要解决的问题。

近几年来，国内外对光纤陀螺温度漂移特性做了很多研究工作，主要有以下两个方向：一是光纤陀螺内部温度控制；二是光纤陀螺温度漂移的补偿。第一种方法从光学机理方面出发，通过温度控制技术来保证光纤陀螺线圈、光源和光学器件在一个稳定的温度场内，从而提高陀螺的输出精度。第二种方法从陀螺输出信号的温度特性角度出发，通过建立温度漂移模型来补偿温度带来的漂移，提高陀螺的精度。温度控制的方法从根本上保证了光纤陀螺工作环境温度的稳定，因此是一种较为理想的方法，但是由于该技术需要在陀螺内部增加温控设施，对于体积较小的中高精度陀螺来说，这种方法实现起来难度比较大。而温度补偿的方法是一种纯数学方法，仅通过建立陀螺温度特性的误差模型进行软件补偿就可以保证光纤陀螺输出信号的精度，实现起来较为简便，而且不需要增加任何额外设备和设施。对于各种精度的光纤陀螺来说，温度补偿的方法都比较适用。

然而，传统的软件方法大多是在某一静态温度下实现对光纤陀螺的建模，建模精度只能在某一较小适用温度范围内保持较高水准，没有充分考虑环境温度对光纤陀螺输出信号的影响，没有将温度、温度变化速率和温度梯度等因素充分考虑进去，建模系统的适用性较低，泛化能力较差。为了全面分析温度、温度梯度和温度变化速率对光纤陀螺输出信号的影响，就必须建立全面的高次、高阶、多参数的高精度误差模型。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提出了一种基于最小二乘拟合算法的光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法，该方法从机理上对光纤陀螺温度漂移建立了基于温度梯度的数学模型，并将温度变化速率引入到数学模型中，实现了光纤陀螺温度漂移的高次、高阶、多参数的高精度建模，对不同温度变化速率下的光纤陀螺信号均可得到较高的建模精度，极大的提高了模型的泛化能力、拓展了模型的应用范围，且易于实现。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法包括如下步骤：

（1）获取学习样本并对样本进行去噪处理

以不同温度变化速率下的光纤陀螺原始输出信号为样本，并使用提升小波滤波方法对光纤陀螺原始输出信号进行去噪处理；

（2）建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型

建立以温度梯度为自变量，当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量的二阶数学模型，通过对不同温度变化速率下采集的光纤陀螺输出信号样本进行拟合来确定不同温度变化速率下的二阶数学模型的参数；

（3）建立基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系

在步骤（1）得到的学习样本和步骤（2）得到的不同温度变化速率下的二阶数学模型的参数的基础上，建立以温度变化速率为自变量，上述模型中各项参数为因变量的高阶数学公式；