專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種慣性技術(shù)領(lǐng)域中光纖陀螺，特別涉及一種干涉式光纖陀螺的溫度 漂移誤差建模方法，適用于各種光纖陀螺儀。
背景技術(shù)：
平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差的高精度實(shí)時(shí)估計(jì)是抑制并補(bǔ)償遙感圖像退化的前提?；趹T性敏 感器件的誤差估計(jì)理論與方法是解決該問(wèn)題的有效途徑。深入研究慣性敏感器誤差形成機(jī) 理、建模與標(biāo)定方法將從測(cè)量系統(tǒng)的誤差來(lái)源前端傳感器件角度保證測(cè)量系統(tǒng)精度。
光纖陀螺是目前應(yīng)用較為廣泛的一種慣性敏感器件，因此對(duì)光纖陀螺的誤差形成機(jī) 理、建模與標(biāo)定方法的研究具有重要意義。光纖陀螺的基本工作原理是^gnac效應(yīng)，即在 一閉合回路中從同一光源發(fā)出的兩束沿相反方向傳播的特征相同的光，在同一探測(cè)點(diǎn)匯合 后產(chǎn)生干涉。若存在繞垂直于閉合光路所在平面的軸線(xiàn)相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，則兩 束傳播方向相反的光會(huì)產(chǎn)生光程差，該差值與角速度成正比，因此通過(guò)光程差與相應(yīng)的相 位差的關(guān)系即可檢測(cè)出相位差，從而計(jì)算出角速度。與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，它具有以下 顯著特點(diǎn)一、全固態(tài)無(wú)活動(dòng)部件，抗振動(dòng)耐沖擊；二、動(dòng)態(tài)范圍寬，直接輸出數(shù)字信號(hào)穩(wěn)定 可靠；三、啟動(dòng)時(shí)間短，工作壽命長(zhǎng)；四、檢測(cè)靈敏度和分辨率高；五、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少， 易于集成，體積小，重量輕；六、靈活性好，易通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)和相應(yīng)參數(shù)改變陀螺性能。由于實(shí)用性的陀螺往往具有較寬的工作溫度范圍，而構(gòu)成光纖陀螺的核心部件中 光學(xué)原件較多，對(duì)于周?chē)h(huán)境溫度變化十分敏感，陀螺的性能參數(shù)在很大程度上會(huì)受到溫 度變化的影響，從而導(dǎo)致陀螺輸出中產(chǎn)生溫度漂移誤差。它嚴(yán)重影響了光纖陀螺的輸出精 度，也制約了光纖陀螺在工程上的進(jìn)一步應(yīng)用。隨著光纖陀螺在工程上的普及和推廣，摸清 其溫度特性，削弱光纖陀螺的溫度漂移已經(jīng)成為工程上迫切需要解決的問(wèn)題。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖陀螺溫度漂移特性做了很多研究工作，主要有以下兩個(gè) 方向一是光纖陀螺內(nèi)部溫度控制；二是光纖陀螺溫度漂移的補(bǔ)償。第一種方法從光學(xué)機(jī) 理方面出發(fā)，通過(guò)溫度控制技術(shù)來(lái)保證光纖陀螺線(xiàn)圈、光源和光學(xué)器件在一個(gè)穩(wěn)定的溫度 場(chǎng)內(nèi)，從而提高陀螺的輸出精度。第二種方法從陀螺輸出信號(hào)的溫度特性角度出發(fā)，通過(guò)建 立溫度漂移模型來(lái)補(bǔ)償溫度帶來(lái)的漂移，提高陀螺的精度。溫度控制的方法從根本上保證 了光纖陀螺工作環(huán)境溫度的穩(wěn)定，因此是一種較為理想的方法，但是由于該技術(shù)需要在陀 螺內(nèi)部增加溫控設(shè)施，對(duì)于體積較小的中高精度陀螺來(lái)說(shuō)，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度比較大。 而溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ且环N純數(shù)學(xué)方法，僅通過(guò)建立陀螺溫度特性的誤差模型進(jìn)行軟件補(bǔ)償 就可以保證光纖陀螺輸出信號(hào)的精度，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)便，而且不需要增加任何額外設(shè)備 和設(shè)施。對(duì)于各種精度的光纖陀螺來(lái)說(shuō)，溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǘ急容^適用。然而，傳統(tǒng)的軟件方法大多是在某一靜態(tài)溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺的建模，建模精 度只能在某一較小適用溫度范圍內(nèi)保持較高水準(zhǔn)，沒(méi)有充分考慮環(huán)境溫度對(duì)光纖陀螺輸出 信號(hào)的影響，沒(méi)有將溫度、溫度變化速率和溫度梯度等因素充分考慮進(jìn)去，建模系統(tǒng)的適用 性較低，泛化能力較差。為了全面分析溫度、溫度梯度和溫度變化速率對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)的影響，就必須建立全面的高次、高階、多參數(shù)的高精度誤差模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出了一種基于最小二乘擬合算法的光 纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，該方法從機(jī)理上對(duì)光纖陀螺溫度漂移建立了基于溫 度梯度的數(shù)學(xué)模型，并將溫度變化速率引入到數(shù)學(xué)模型中，實(shí)現(xiàn)了光纖陀螺溫度漂移的高 次、高階、多參數(shù)的高精度建模，對(duì)不同溫度變化速率下的光纖陀螺信號(hào)均可得到較高的建 模精度，極大的提高了模型的泛化能力、拓展了模型的應(yīng)用范圍，且易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法包括如下步驟
(1)獲取學(xué)習(xí)樣本并對(duì)樣本進(jìn)行去噪處理
以不同溫度變化速率下的光纖陀螺原始輸出信號(hào)為樣本，并使用提升小波濾波方法對(duì) 光纖陀螺原始輸出信號(hào)進(jìn)行去噪處理；
(2)建立基于溫度梯度的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型
建立以溫度梯度為自變量，當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻光纖陀螺原始輸出信號(hào)之差為因變量 的二階數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)不同溫度變化速率下采集的光纖陀螺輸出信號(hào)樣本進(jìn)行擬合來(lái)確 定不同溫度變化速率下的二階數(shù)學(xué)模型的參數(shù)；
(3)建立基于溫度變化速率的參數(shù)公式以確定溫度變化速率與光纖陀螺溫度漂移誤差 補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系
在步驟(1)得到的學(xué)習(xí)樣本和步驟(2)得到的不同溫度變化速率下的二階數(shù)學(xué)模型的 參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立以溫度變化速率為自變量，上述模型中各項(xiàng)參數(shù)為因變量的高階數(shù)學(xué) 公式；
(4)對(duì)光纖陀螺原始輸出信號(hào)進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償
在測(cè)得當(dāng)前溫度變化速率之后，將溫度變化速率輸入到步驟(3 )得到的數(shù)學(xué)公式中，計(jì) 算得出光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)，即利用光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模 型來(lái)求出溫度漂移差值，以對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償。步驟(1)中所述不同溫度變化速率分別為1°C /m，5°C /m，8°C /m, 10°C /m，在以上 特征溫度變化率的情況下采集光纖陀螺的原始輸出數(shù)據(jù)。步驟(2)中所述的建立基于溫度梯度的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型，是以前 一時(shí)刻光纖陀螺殼體溫度與前一時(shí)刻外部環(huán)境溫度之差即溫度梯度為自變量，以當(dāng)前時(shí)刻 與前一時(shí)刻光纖陀螺原始輸出信號(hào)之差為因變量而建立的二階數(shù)學(xué)模型。步驟(3)中所述建立基于溫度變化速率的參數(shù)公式以確定溫度變化速率與光纖陀 螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，是以溫度變化速率為自變量，以步驟(2)中所 述光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)為因變量而建立的高階數(shù)學(xué)模型。步驟(4)中所述的對(duì)光纖陀螺原始輸出信號(hào)進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償是以溫度變化速率 為自變量，以光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型中各項(xiàng)參數(shù)為因變量的高階數(shù)學(xué)公式。在利 用光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型求得溫度漂移差值之后，將求得的溫度漂移差值與前一 時(shí)刻光纖陀螺輸出信號(hào)相加，得到光纖陀螺溫度漂移的補(bǔ)償值，然后再用當(dāng)前時(shí)刻的光纖 陀螺輸出信號(hào)減去得到的光纖陀螺溫度漂移的補(bǔ)償值，即對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。
4
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)本發(fā)明在不同溫度變化速率(1°C/m，5°C /m，8°C /m, 10°C /m)下分別采集了光纖陀 螺的原始輸出信號(hào)、溫度和溫度梯度，采集方式更先進(jìn)，考慮因素更全面，有利于從溫度、溫 度梯度和溫度變化速率三方面全面分析研究環(huán)境溫度變化對(duì)光纖陀螺溫度漂移的影響
(2)建立了以溫度梯度為自變量光纖陀螺溫度漂移補(bǔ)償模型，從溫度梯度對(duì)光纖陀螺 輸出信號(hào)影響的機(jī)理上進(jìn)行了建模。(3)在優(yōu)點(diǎn)(2)所述的模型中，是以當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻光纖陀螺原始輸出信號(hào)之 差為因變量建立的二階數(shù)學(xué)模型，在以溫度梯度為自變量進(jìn)行建模的同時(shí)，也充分考慮前 一時(shí)刻光纖陀螺輸出信號(hào)對(duì)后一時(shí)刻光纖陀螺輸出信號(hào)的影響，保證了建模的精確性。(4)建立了基于溫度變化速率的參數(shù)公式以確定溫度變化速率與光纖陀螺溫度漂 移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，將溫度變化速率對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)的影響引入到光 纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型的參數(shù)擬合中來(lái)，只要在測(cè)得當(dāng)前溫度變化速率的情況下， 即可利用所建立的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使建模過(guò)程更加簡(jiǎn)便，提 高了工程實(shí)用性。


圖1為光纖陀螺溫度漂移建模方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的示意圖； 圖2為提升小波濾波原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明光纖陀螺溫度漂移建模方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示，主要包括以下四個(gè)步 驟
(1)獲取學(xué)習(xí)樣本并對(duì)學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行去噪處理
選取學(xué)習(xí)樣本集，本實(shí)例獲取的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)是通過(guò)帶溫控箱的單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的首先把陀螺通過(guò)夾具固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后在光纖陀螺正常工作溫度 范圍內(nèi)采集多組特征溫度變化速率(l°c /m，5°C /m，8°C /m,10°C /m)下的輸出信號(hào)以及外 部環(huán)境溫度和光纖陀螺殼體內(nèi)部工作溫度。在得到光纖陀螺原始輸出信號(hào)后，用提升小波 對(duì)原始輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理(如圖2所示)，濾波后的數(shù)據(jù)用作學(xué)習(xí)樣本。(2)建立基于溫度梯度的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型
建立以溫度梯度為自變量，當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻光纖陀螺原始輸出信號(hào)之差為因變量 的二階數(shù)學(xué)模型
權(quán)利要求
1.一種光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，其特征在于包括如下步驟(1)獲取學(xué)習(xí)樣本并對(duì)樣本進(jìn)行去噪處理以不同溫度變化速率下的光纖陀螺原始輸出信號(hào)為樣本，并使用提升小波濾波方法對(duì) 光纖陀螺原始輸出信號(hào)進(jìn)行去噪處理；(2)建立基于溫度梯度的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型建立以溫度梯度為自變量，當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻光纖陀螺原始輸出信號(hào)之差為因變量 的二階數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)不同溫度變化速率下采集的光纖陀螺輸出信號(hào)樣本進(jìn)行擬合來(lái)確 定不同溫度變化速率下的二階數(shù)學(xué)模型的參數(shù)；(3)建立基于溫度變化速率的參數(shù)公式以確定溫度變化速率與光纖陀螺溫度漂移誤差 補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系在步驟(1)得到的學(xué)習(xí)樣本和步驟(2)得到的不同溫度變化速率下的二階數(shù)學(xué)模型的 參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立以溫度變化速率為自變量，上述模型中各項(xiàng)參數(shù)為因變量的高階數(shù)學(xué) 公式；(4)對(duì)光纖陀螺原始輸出信號(hào)進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償在測(cè)得當(dāng)前溫度變化速率之后，將溫度變化速率輸入到步驟(3 )得到的數(shù)學(xué)公式中，計(jì) 算得出光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)，即利用光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模 型來(lái)求出溫度漂移差值，以對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟(1)中所述不同溫度變化速率分別為1°C/m，5°C /m，8°C /m, 10°C /m，在以上特征溫度變化 率的情況下采集光纖陀螺的原始輸出數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟(2)中所述的建立基于溫度梯度的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型，是以前一時(shí)刻光纖陀 螺殼體溫度與前一時(shí)刻外部環(huán)境溫度之差即溫度梯度為自變量，以當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻光 纖陀螺原始輸出信號(hào)之差為因變量而建立的二階數(shù)學(xué)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟(3)中所述建立基于溫度變化速率的參數(shù)公式以確定溫度變化速率與光纖陀螺溫度漂移誤 差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，是以溫度變化速率為自變量，以步驟(2)中所述光纖陀螺溫 度漂移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)為因變量而建立的高階數(shù)學(xué)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟(4)中所述的對(duì)光纖陀螺原始輸出信號(hào)進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償是以溫度變化速率為自變量，以 光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型中各項(xiàng)參數(shù)為因變量的高階數(shù)學(xué)公式；在利用光纖陀螺溫 度漂移誤差補(bǔ)償模型求得溫度漂移差值之后，將求得的溫度漂移差值與前一時(shí)刻光纖陀螺 輸出信號(hào)相加，得到光纖陀螺溫度漂移的補(bǔ)償值，然后再用當(dāng)前時(shí)刻的光纖陀螺輸出信號(hào) 減去得到的光纖陀螺溫度漂移的補(bǔ)償值，即對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種光纖陀螺溫度漂移建模及誤差補(bǔ)償方法，包括以下幾個(gè)步驟獲取學(xué)習(xí)樣本并對(duì)樣本進(jìn)行去噪處理；建立基于溫度梯度的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型；建立基于溫度變化速率的參數(shù)公式以確定溫度變化速率與光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型的各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系；將光纖陀螺儀的實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)減去利用所述的光纖陀螺溫度漂移誤差補(bǔ)償模型所得到的溫度漂移補(bǔ)償值,即對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)了從機(jī)理上對(duì)光纖陀螺溫度漂移進(jìn)行建模的同時(shí)，還大大提高了建模的簡(jiǎn)便性和準(zhǔn)確性，對(duì)光纖陀螺儀在溫度環(huán)境不斷變化條件下的性能研究與改善具有重要意義。
文檔編號(hào)G01C19/64GK102095419SQ20101056799
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者申沖, 陳熙源 申請(qǐng)人:東南大學(xué)