CN101109637A - 一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法。采样通道将来自光纤陀螺光学系统的光信号转变为电信号，并发送到中央处理器，中央处理器通过处理后通过通讯接口向外输出转动信号；在中央处理器和通讯接口之间加入补偿器，根据预先测试得到的零偏温度灵敏度模型，仅通过补偿器即可抑制温度造成的零偏变化，不需庞大复杂的温控设备和额外功耗，消除了温度造成的零偏变化，提高光纤陀螺零偏的温度灵敏度性能，使其能在更广的温度范围内得到使用，并且保持和恒温工作一样的静态性能，扩展了应用的场合。
Description
技术领域
本发明涉及的一种光纤陀螺传感器中信号处理的方法，尤其是涉及一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法。
背景技术
光纤陀螺是一种基于光学赛格奈克效应的角速度传感器，通过检测光纤干涉仪产生的赛格奈克光相位，以获得系统的角速度，即转速
由于制作光纤陀螺各器件性能非理想，其综合的效果使得光纤陀螺在零角速度输入时，输出信号非零，而是具有一定的偏置，这个偏置称为光纤陀螺的零偏，简称零偏。零偏是由多种不同的因素造成，在不同的应用环境中会随环境的变化而变化，其中零偏随温度变化而变化的性质称为系统的零偏温度敏感性，用零偏温度灵敏度指标表示，其定义是：相位于室温的零偏值，由温度变化引起的光纤陀螺零偏变化量与温度变化量之比。该指标是用于评价光纤陀螺静态温度性能的重要指标之一。
光纤陀螺的零偏温度敏感性会对系统的角速度测量引入额外误差，从而导致光纤陀螺性能的退化。因为系统并不能够区分光纤陀螺输出信号是由温度零偏造成的误差信号或者是实际的角速度输入，从而等效于光纤陀螺对角速度信号的分辨率和准确度的降低，相当于光纤陀螺在不同温度下性能的恶化。为了提高系统的性能，特别的是在不同温度中光纤陀螺的输出稳定性，需要对系统的零偏进行控制，抑制甚至消除光纤陀螺由温度引起的零偏变化，保证系统在不同的温度下可以保持恒定零偏，提高零偏温度灵敏度性能，获取准确的的角速度信号。
光纤陀螺的零偏温度灵敏度，恶化了光纤陀螺在宽温度范围应用时的静态指标，在其输出角速度信号上叠加了一个和温度有关的误差函数，限制了其应用场合，现有的技术是用附加温控系统光纤陀螺进行温控，使其工作在准恒温环境，但这种技术存在严重的缺陷，需要体积庞大、功耗巨大、结构复杂温控系统，在某些体积、重量、功耗要求高的系统中不能得到应用。
发明内容
针对目前光纤陀螺研究中，器件性能不理想性造成了光纤陀螺的零偏，且该零偏具有温度敏感度，从而降低了光纤陀螺静态性能，并限制了其应用场合的现状，本发明的目的在于提供一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法，利用预先建立的模型，在不明显增加功耗体积的前题下，在系统中引入一个补偿器，以消除光纤陀螺的零偏温度敏感性对系统性能的影响，提高器静态温度性能，以满足更广范围应用环境的使用。
发明原理：
光纤陀螺零偏来源于制作光纤陀螺各器件性能非理想性上，当各器件的性能随温度变化而变化时就产生了零偏的温度灵敏度。而具体的零偏和温度的关系是各种复杂因素所决定，对于不同制作工艺的光纤陀螺的表现形式都不同，但对于某一光纤陀螺为固定函数。可将零偏随温度变化的关系表示为一个隐函数：
Bfog＝Bfog(T) (1)
其中Bfog表示零偏，该函数为温度的连续缓变函数。根据泰勒原理，该缓变连续函数可用多项式近似表示如下，并且这种表示是收敛的，即：
Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn (2)其中B0、a、b、、、k对应于不同指数项的系数，n为表示式的最高次项次数，T为温度。这种多项式的近似精度和多项式最高次项次数有关，增加近似多项式的次数可以得到更精确的逼近，从而可以有更精确的多项式模型，但要求更加复杂的计算量，要求更强的计算能力，实际使用需在计算量和近似程度之间选取一个平衡点，在计算量可接受的范围那上尽可能增加多项式的次数，一般可选取二次，对于中低精度光纤陀螺可以取一次，对于高精度光纤陀螺取三次；B0为常数零偏，不影响零偏温度灵敏性指标，可以不加考虑；Bfog(T)的表达式即光纤陀螺的零偏温度模型，利用该模型可以补偿掉温度造成的灵敏性，提高光纤陀螺温度灵敏度性能。
在利用式(2)作为光纤陀螺零偏温度灵敏度模型时，其中各次项的系数需要预先测试所得，这可以通过温度控制设备，如温箱进行。将温度控制设备按照预先选定的温度点对光纤陀螺进行制冷或加热，在温度稳定时测试光纤陀螺的输出零偏，重复该过程得到对应于一系列温度点的一系列零偏值，利用最小二乘法对这两个序列进行数据拟和可以得到各个不同指数项的系数。
获得了各个指数项的系数相对于得到了零偏和温度之间隐函数的近似表达式，将表达式作为零偏温度灵敏度的模型。在光纤陀螺种加入补偿器，通过温度传感器测量温度，利用模型计算得到对应于该温度点的零偏，并从此时光纤陀螺输出数据中减去该值，将差作为补偿后的光纤陀螺输出数据，即可消除温度造成的零偏变化，从而提高温度灵敏度性能。
本发明所采用的技术方案的步骤如下：
采样通道将来自光纤陀螺光学系统的光信号转变为电信号，并发送到中央处理器，中央处理器通过处理后通过通讯接口向外输出转动信号；其特征在于：在中央处理器和通讯接口之间加入补偿器，补偿器按照预先得到的零偏温度模型，计算补偿温度造成的零偏变化，以提高光纤陀螺温度灵敏度性能。
补偿器由温度计、附属计算单元以及减法器组成，利用温度计实时获取光纤陀螺环境温度，发送到附属计算单元，附属计算单元根据温度计发送的温度，按照预先得到的零偏温度模型，计算得到对应于该温度的零偏值，并送到减法器的一个输入端作为减数，而中央处理器发送的光纤陀螺数据发送到减法器的另一输入端作为被减数，将减法器的输出作为新的光纤陀螺输出。
所述的预先得到零偏温度模型的步骤如下：
a、在所需要补偿的温度范围[Tmin，Tmax]内，按选定的温度步长Tstep，选取温度点组成温度序列T(n)；其中Tmin和Tmax分别对应于需要补偿温度范围的下限和上限，由光纤陀螺的应用环境决定；温度步长Tstep由目标补偿精度决定，取Tstep为1～10摄氏度；
b、利用温箱按照温度序列T(n)中的温度点的次序对不加补偿器的光纤陀螺加热，在每个温度点上测量陀螺相应的零偏值，得到对应于温度序列T(n)的零偏序列B(n)；
c、根据泰勒展开定理，将光纤陀螺零偏随温度的关系Bfog(T)表示如下：
Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn
其中T为温度，B0、a、b、、、k对应于不同指数项的系数，n为表示式中最高次项次数，由光纤陀螺的目标补偿精度和计算能力决定，n越大补偿精度越高，相应要求附属计算单元的计算能力越高，n取1～3；B0为常数零偏，不影响零偏温度灵敏性；Bfog(T)的表达式即光纤陀螺的零偏温度模型；
d、根据步骤a中的温度序列T(n)和步骤b中得到的对应的零偏序列B(n)，利用最小二乘法进行拟和得到不同指数项的系数B0、a、b、、、k，代入Bfog(T)即得到光纤陀螺的零偏温度模型。
所述的计算补偿温度造成的零偏变化，是将Bfog(T)的各指数项的系数存放在附属计算单元中，附属单元接收温度计的温度值T作为输入，按照零偏温度模型：Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn，计算得到相应的零偏值，并送到减法器的一端作为减数，实现对温度造成的零偏变化进行补偿，以提高系统的零偏温度灵敏度性能。
本发明具有的有益效果是：根据预先测试得到的零偏温度灵敏度模型，在光纤陀螺中只需加入补偿器即可对抑制温度造成的零偏变化，不需庞大复杂的温控设备和额外功耗，在原有技术基础即可实现，从而消除了温度造成的零偏变化，提高了光纤陀螺零偏的温度灵敏度性能，使其能够在更广的温度范围内得到使用，并且保持和恒温工作一样的静态性能，扩展了其应用的场合。
附图说明
图1是未加补偿器时光纤陀螺信号处理部分结构图。
图2是加入补偿器后光纤陀螺信号处理部分结构图。
图3是补偿器的结构图。
图中：1、采样通道，2、中央处理器，3、通讯接口，4、补偿器，4.1、温度传感器，4.2、附属计算单元，4.3、减法器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为未加补偿器时光纤陀螺信号处理部分结构，其中包括三部分：采样通道1、中央处理器2及通讯接口3，其中采样通道1实现了将来自光纤陀螺光学系统的光信号转变为电信号，并发送到中央处理器2，中央处理器2在接收到采样通道1的信号后进行解调、滤波等运算，得到光纤陀螺所在系统的转速，并将转速发送到通讯接口3，通过通讯接口3上传到上位机。
图2为加入补偿器后光纤陀螺信号处理部分结构，他包括了四部分：采样通道1、中央处理器2、通讯接口3及补偿器4，相比图1在中央处理器2和通讯接口3中间增加了补偿器4，通过补偿器4抑制系统的零偏温度灵敏度：在中央处理器2发送出转速信号时，先将该转速信号输入补偿器4，在补偿器4中减去温度造成的零偏值得到一个新的输出，这个新的输出就是经过补偿后的零偏。
图3为补偿器4的结构，补偿器4由几个部分组成：温度传感器4.1，附属计算单元4.2，减法器4.3：温度传感器用于检测光纤陀螺所在环境的温度，并将温度信息发送到附属计算单元4.2，附属计算单元4.2根据温度值，利用预先得到的零偏温度灵敏度的模型计算得到温度造成的零偏变化后，将这个温度变化发送到减法器4.3的一端作为减数，而从中央处理器2发送的转速信号则输入到减法器4.3的另外一端作为被减数，减法器4.3输出两者的差为补偿后的转速信号，将这个信号作为光纤陀螺的新输出发送到通讯接口3，通过通讯接口3上传到上位机。
所述的预先得到的零偏温度模型的步骤如下：
a、在所需要补偿的温度范围[Tmin，Tmax]内，按选定的温度步长Tstep，选取温度点组成温度序列T(n)；其中Tmin和Tmax分别对应于需要补偿温度范围的下限和上限，由光纤陀螺的应用环境决定；温度步长Tstep由目标补偿精度决定，一般取Tstep为1～10摄氏度，低精度陀螺可取Tstep＝10摄氏度，高精度陀螺可取Tstep＝1摄氏度，具体的数值根据光纤陀螺的静态精度决定；
b、利用温箱按照温度序列T(n)中的温度点的次序对不加补偿器的光纤陀螺加热，在每个温度点上测量陀螺相应的零偏值，得到对应于温度序列T(n)的零偏序列B(n)；
c、根据泰勒展开定理，将光纤陀螺零偏随温度的关系Bfog(T)表示如下：
Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn
其中B0、a、b、、、k对应于不同指数项的系数，n为表示式中最高次项次数，由光纤陀螺的目标补偿精度和计算能力决定，n越大补偿精度越高，相应要求附属计算单元的计算能力越高，一般n取1～3，低精度陀螺取1，高精度陀螺取3，具体的数值根据光纤陀螺的静态精度决定；B0为常数零偏，不影响零偏温度灵敏性，可以不加考虑；Bfog(T)的表达式即光纤陀螺的零偏温度模型；
d、根据步骤a中的温度序列T(n)和步骤b中得到的对应的零偏序列B(n)，利用最小二乘法进行拟和得到不同指数项的系数B0、a、b、、、k，代入Bfog(T)即得到光纤陀螺的零偏温度模型。
所述的计算补偿温度造成的零偏变化，是将Bfog(T)的各指数项的系数存放在附属计算单元4.2中，附属单元接收温度计4.1的温度值T作为输入，按照零偏温度模型：Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn，计算得到相应的零偏值，并送到减法器的一端作为减数，实现对温度造成的零偏变化进行补偿，以提高系统的零偏温度灵敏度性能。
Claims (4)
1.一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法，采样通道(1)将来自光纤陀螺光学系统的光信号转变为电信号，并发送到中央处理器(2)，中央处理器(2)通过处理后通过通讯接口(3)向外输出转动信号。其特征在于：在中央处理器(2)和通讯接口(3)之间加入补偿器(4)，补偿器(4)按照预先得到的零偏温度模型，计算补偿温度造成的零偏变化，以提高光纤陀螺温度灵敏度性能。
2.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法，其特征在于：补偿器(4)由温度计(4.1)、附属计算单元(4.2)以及减法器(4.3)组成；利用温度计(4.1)实时获取光纤陀螺环境温度，发送到附属计算单元(4.2)，附属计算单元(4.2)根据温度计(4.1)发送的温度，按照预先得到的零偏温度模型，计算得到对应于该温度的零偏值，并送到减法器(4.3)的一个输入端作为减数，而中央处理器(2)发送的光纤陀螺数据发送到减法器的另一输入端作为被减数，将减法器的输出作为新的光纤陀螺输出。
3.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法，其特征在于所述的预先得到的零偏温度模型的步骤如下：
a、在所需要补偿的温度范围[Tmin，Tmax]内，按选定的温度步长Tstep，选取温度点组成温度序列T(n)；其中Tmin和Tmax分别对应于需要补偿温度范围的下限和上限，由光纤陀螺的应用环境决定；温度步长Tstep由目标补偿精度决定，取Tstep为1～10摄氏度；
b、利用温箱按照温度序列T(n)中的温度点的次序对不加补偿器的光纤陀螺加热，在每个温度点上测量陀螺相应的零偏值，得到对应于温度序列T(n)的零偏序列B(n)；
c、根据泰勒展开定理，将光纤陀螺零偏随温度的关系Bfog(T)表示如下：
Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn
其中T为温度，B0、a、b、、、k对应于不同指数项的系数，n为表示式中最高次项次数，由光纤陀螺的目标补偿精度和计算能力决定，n越大补偿精度越高，相应要求附属计算单元的计算能力越高，n取1～3；B0为常数零偏，不影响零偏温度灵敏性；Bfog(T)的表达式即光纤陀螺的零偏温度模型；
d、根据步骤a中的温度序列T(n)和步骤b中得到的对应的零偏序列B(n)，利用最小二乘法进行拟和得到不同指数项的系数B0、a、b、、、k，代入Bfog(T)即得到光纤陀螺的零偏温度模型。
4.根据权利要求1所述的一种提高光纤陀螺零偏温度灵敏度性能的方法，其特征在于：所述的计算补偿温度造成的零偏变化，是将Bfog(T)的各指数项的系数存放在附属计算单元4.2中，附属单元接收温度计4.1的温度值T作为输入，按照零偏温度模型：Bfog(T)＝B0+aT+bT2+...+kTn，计算得到相应的零偏值，并送到减法器的一端作为减数，实现对温度造成的零偏变化进行补偿，以提高系统的零偏温度灵敏度性能。
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