CN105333888A - 一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法，包括步骤(1)调整温箱的温度，当温度达到各个设定温度值时，使得陀螺正反转动，并在温箱启动和关闭的整个过程中，获得陀螺内部的温度传感器实时采集的温度数据以及与温度对应的陀螺输出的数据；(2)根据同时补偿标度因数和零偏算法对温度数据和陀螺输出的数据进行处理，获得温度补偿系数矩阵；(3)根据温度补偿系数矩阵对陀螺的输出进行补偿。本发明提出的补偿方法设计一次温度实验中同时补偿光纤陀螺标度因数和零偏，直接表示陀螺输出数字量与输入角速度的关系，得到补偿系数矩阵，避免了由于零偏误差等引起的标度因数补偿不准确性，不仅能够有效的补偿陀螺的温度误差，并且节省实验成本，具有较大的现实意义。

Description

一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺领域，更具体地，涉及一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速率传感器，由于其成本低、工艺简单、可靠性高、抗冲击振动能力强，其应用前景备受重视，已经成为主流的传感器之一。然而构成光纤陀螺的主要器件如光纤环、光源等对温度较为敏感，导致光纤陀螺输出受到温度的影响较大，造成陀螺温度误差，因此，对于光纤陀螺温度误差的补偿已经引起了广泛的重视。

光纤陀螺的温度补偿主要包括标度因数的温度补偿和零偏的温度补偿。目前的方法一般是先补标度因数，后补零位，这样的补偿方法不仅费时费力，而且会造成标度因数补偿不准确性。这些方法都是对标度因数及零偏分别进行补偿，在此过程中会重复考虑温度对于陀螺输出的影响，导致输出误差的增大。

发明内容

针对现有补偿方法的缺陷，本发明提供了一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法，目的在于有效的补偿由温度引起的标度因数和零偏的误差，降低实验成本，提高补偿的准确性。

本发明提供了一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法，包括下述步骤：

(1)调整温箱的温度，当温度达到各个设定温度值时，使得陀螺正反转动，并在温箱启动和关闭的整个过程中，获得陀螺内部的温度传感器实时采集的温度数据以及与温度对应的陀螺输出的数据；

(2)根据同时补偿标度因数和零偏算法对温度数据和陀螺输出的数据进行处理，获得温度补偿系数矩阵；

(3)根据温度补偿系数矩阵对陀螺的输出进行补偿。

本发明提供了一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法，设计一次实验过程，同时补偿标度因数和零偏，直接解算出陀螺输出数字量与输入角速度的关系。

更进一步地，步骤(1)中所述调整温箱的温度具体为：

将陀螺水平放置在温箱中，常温下通电t₁时间后，调整温箱的温度使得温度由常温以dT(1℃/min～2℃/min)速度降温至最低温度T_min，并保温使得陀螺内部的温度达到最低温度T_min；通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

再以dT速度将温箱升温至设定的第一温度值T₁(一般地，T₁＝T_min+10)，并保温使得陀螺内部的温度达到设定的第一温度值T₁；通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

再以dT速度将温箱升温至设定的第二温度值T₂(一般地，T₂＝T₁+10)，并保温使得陀螺内部的温度达到设定的第二温度值T₂；通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

……

依次升温至设定的第三温度值T₃，设定的第四温度值T₄，……，最高温度T_max；并保温使得陀螺内部的温度达到相应的设定温度值；当陀螺内部的温度达到各个设定温度值时，通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

最后关闭温箱；

在温箱启动和关闭的整个过程中，获得陀螺内部的温度传感器实时采集的温度数据以及与温度对应的陀螺输出的数据；

其中，最低温度T_min和最高温度T_max是根据应用环境确定的，一般最低温度T_min可以为-40℃，最高温度T_max可以为70℃。

更进一步地，通电时间t₁大于陀螺启动时间。

更进一步地，步骤(1)中随着温度的变化和转台的转动，陀螺的输出数据不仅包含与温度相关的标度因数信息，还包含与温度相关的零偏信息。

更进一步地，步骤(2)包括：

(2.1)利用陀螺光纤环内部温度T_内的数据解算光纤环内部温度T_内的温度变化dT_内，t时刻的温度变化dT_内为(t-2ⁿ)～t时刻之间的温度平均值与(t-2²ⁿ)～(t-2ⁿ)时刻之间的温度平均值之差；

其中，t≥2²ⁿ+1，n可以取值为6；

(2.2)去除转台转速改变间隙的陀螺数据及温度数据；

(2.3)根据采集的陀螺数据D、陀螺光纤环内部温度数据T_内和光纤环外部温度数据T_外生成矩阵X＝[D,T_内D,T_内 ²D,T_内,(T_内-T_外),dT_内]；

(2.4)根据转台输入角速度及常温标度因数K₀获得与矩阵X相应的矩阵y＝K₀Ω；

(2.5)根据A＝(X^TX)^-1X^Ty计算补偿系数矩阵A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T。

更进一步地，步骤(2.2)具体为：判断陀螺数据由正到负、由负到正的变化时刻t₀₀，删除t₀₀-m～t₀₀+m时刻的陀螺数据及温度数据；其中，m大于转台由零转速达到设定角速度转动所需要的时间t_z，小于t_z+5。这是由于当设置转台以设定角速度转动时，转台转速不能立刻达到指定速度，在该过程中陀螺的输入角速度无法计量，即A＝(X^TX)^-1X^Ty中的y＝K₀Ω不可知，因此需要将转台转速改变间隙的陀螺及温度数据去除掉，以免影响计算结果。

更进一步地，步骤(3)所述的对陀螺输出进行补偿为，陀螺补偿后的输出D_补后＝(a₀+a₁T_内+a₂T_内 ²)D_补前+[b₁T_内+b₂(T_内-T_外)+b₃dT_内]。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)采用一次温度实验的方法，代替传统两次温度实验的方法(先补偿标度因数后补偿零偏)，由于温度实验时间较长、成本较高，本发明很大程度上节约了实验成本和时间。

(2)同时补偿标度因数和零偏算法，可直接表示陀螺输出数字量与输入角速度的关系，得到补偿系数矩阵，避免了传统方法中由于零偏误差等引起的标度因数补偿不准确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法实现流程图；

图2是本发明实施例提供的温箱设置温度变化曲线图。

图3是本发明实施例提供的保温段转台设置曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的补偿方法设计一次温度实验中同时补偿标度因数和零偏，直接表示陀螺输出数字量与输入角速度的关系，得到补偿系数矩阵，避免了由于零偏误差等引起的标度因数补偿不准确性，不仅能够有效的补偿陀螺的温度误差，并且节省实验成本和时间，具有较大的现实意义。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将陀螺水平放置在温箱中，常温下通电30min后，将温度由常温以1℃/min速度降温至-40℃，后保温1小时，在保温50～55min时，通过操作转台使得陀螺以10°/s的角速度顺时针转动1min后，以相同的角速度逆时针转动1min；

再以1℃/min的速度升温至-30℃，再保温30min，在保温20～25min时，通过操作转台使得陀螺以10°/s的角速度顺时针转动1min后，以相同的角速度逆时针转动1min；

再以1℃/min的速度升温至-20℃，再保温30min，在保温20～25min时，通过操作转台使得陀螺以10°/s的角速度顺时针转动1min后，以相同的角速度逆时针转动1min；

……

依次升温至-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃；并保温30min；在保温20～25min时，通过操作转台使得陀螺以10°/s的角速度顺时针转动1min后，以相同的角速度逆时针转动1min；

最后关闭温箱；

在温箱启动和关闭的整个过程中，获得陀螺内部的温度传感器实时采集的温度数据以及与温度对应的陀螺输出的数据；

(2)根据同时补偿标度因数和零偏算法对温度数据和陀螺输出的数据进行处理，获得温度补偿系数矩阵A；

其中，A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T＝(X^TX)^-1X^Ty，

X＝[D,T_内D,T_内 ²D,T_内,(T_内-T_外),dT_内]，y＝K₀Ω。

具体地，包括：

(2.1)利用陀螺光纤环内部温度T_内的数据解算光纤环内部温度T_内的温度变化dT_内，t时刻的温度变化dT_内为(t-2ⁿ)～t时刻之间的温度平均值与(t-2²ⁿ)～(t-2ⁿ)时刻之间的温度平均值之差。其中，t≥2²ⁿ+1，n可以取值为6；

(2.2)去除转台转速改变间隙的陀螺及温度数据，处理方法如下：判断陀螺数据由正到负、由负到正的变化时刻t₀₀，删除t₀₀-m～t₀₀+m时刻的陀螺数据、温度数据及温度变化dT_内数据，其中，m应大于t_z，小于t_z+5，t_z为转台由零转速达到设定角速度转动所需要的时间；

(2.3)根据采集的陀螺数据D、陀螺光纤环内部温度数据T_内和光纤环外部温度数据T_外，生成矩阵X＝[D,T_内D,T_内 ²D,T_内,(T_内-T_外),dT_内]；

(2.4)根据转台输入角速度及常温标度因数K₀，生成与矩阵X相应的矩阵y＝K₀Ω；

(2.5)根据A＝(X^TX)^-1X^Ty，计算补偿系数矩阵A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T。

(3)根据温度补偿系数矩阵A对陀螺的输出进行补偿；具体地，可以将补偿系数A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T写入陀螺FPGA软件或DSP软件中，根据公式D_补后＝(a₀+a₁T_内+a₂T_内 ²)D_补前+[b₁T_内+b₂(T_内-T_外)+b₃dT_内]对陀螺输出进行补偿为，得到陀螺补偿后的输出。

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参照图1，本发明提供了一次温度实验同时补偿标度因数及零偏的方法的整个流程图，首先将陀螺固定在温箱中，给陀螺供电，开始同步采集陀螺和温度数据，并根据图2中的温度曲线设置温箱的温度变化，根据图3中的保温段转台设置曲线。

参照图2，本发明提供了一次温度实验同时补偿标度因数及零偏的方法，设计一次温度实验过程，其关键为温度的变化，将陀螺在温箱常温中通电30min后，将温箱温度由常温以-1℃/min速度降温至-40℃，后保温1小时，再以1℃/min的速度升温至-30℃，再保温30min以相同的升温、保温过程依次升温至-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，并保温30min，最后关闭温箱。

参照图3，在陀螺保温过程的后5～10min时，通过操作转台使得陀螺以10°/s的角速度顺时针转动1min后，以相同的角速度逆时针转动1min，随着温度的变化和陀螺的转动，陀螺数据不仅包含标度因数信息，还包含零偏信息。

实验完毕后，利用陀螺光纤环内部温度T_内的数据解算光纤环内部温度T_内的温度变化dT_内，并去除转台转速改变间隙的无效陀螺及温度数据。t时刻的温度变化dT_内为(t-2ⁿ)～t时刻之间的温度平均值与(t-2²ⁿ)～(t-2ⁿ)时刻之间的温度平均值之差。其中，t≥2²ⁿ+1，n可以取值为6；清除无效数据的方法如下：判断陀螺数据由正到负、由负到正的变化时刻t₀₀，删除t₀₀-m～t₀₀+m时刻的陀螺数据、温度数据及温度变化dT_内数据，其中，m应大于t_z，小于t_z+5，t_z为转台由零转速达到设定角速度转动所需要的时间。

然后根据采集的陀螺数据D、陀螺光纤环内部温度数据T_内和光纤环外部温度数据T_外，生成矩阵X＝[D,T_内D,T_内 ²D,T_内,(T_内-T_外),dT_内]，并根据转台输入角速度及常温标度因数K₀，生成与矩阵X相应的矩阵y＝K₀Ω。

最后，根据A＝(X^TX)^-1X^Ty，计算补偿系数矩阵A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T，并根据公式D_补后＝(a₀+a₁T_内+a₂T_内 ²)D_补前+[b₁T_内+b₂(T_内-T_外)+b₃dT_内]和温度补偿系数矩阵A对陀螺输出进行补偿，得到陀螺补偿后的输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用一次温度实验同时补偿光纤陀螺标度因数及零偏的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)调整温箱的温度，当温度达到各个设定温度值时，使得陀螺正反转动，并在温箱启动和关闭的整个过程中，获得陀螺内部的温度传感器实时采集的温度数据以及与温度对应的陀螺输出的数据；

(2)根据同时补偿标度因数和零偏算法对温度数据和陀螺输出的数据进行处理，获得温度补偿系数矩阵；

(3)根据温度补偿系数矩阵对陀螺的输出进行补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述调整温箱的温度具体为：

将陀螺水平放置在温箱中，常温下通电t₁时间后，调整温箱的温度使得温度由常温以dT速度降温至最低温度T_min，并保温使得陀螺内部的温度达到最低温度T_min；通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

再以dT速度将温箱升温至设定的第一温度值T₁，并保温使得陀螺内部的温度达到设定的第一温度值T₁；通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

再以dT速度将温箱升温至设定的第二温度值T₂，并保温使得陀螺内部的温度达到设定的第二温度值T₂；通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

……

依次升温至设定的第三温度值T₃，设定的第四温度值T₄，……设定的第i温度值T_i，……最高温度T_max；并保温使得陀螺内部的温度达到相应的设定温度值；当陀螺内部的温度达到各个设定温度值时，通过操作转台使得陀螺以设定角速度ω顺时针转动t₂时间后以相同的角速度逆时针转动t₂时间；

最后关闭温箱。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通电时间t₁大于陀螺启动时间。

4.如权利要求1-2所述的方法，其特征在于，随着温度的变化和转台的转动，陀螺的输出数据不仅包含与温度相关的标度因数信息，还包含与温度相关的零偏信息。

5.如权利要求1所述的同时补偿光纤陀螺标度因数和零偏算法，其特征在于，陀螺输出数字量与输入角速度的关系为

通过陀螺输出、温度数据和输入角速度拟合补偿系数矩阵A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T＝(X^TX)^-1X^Ty，并对光纤陀螺输出进行温度补偿。

6.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：

(2.1)利用陀螺光纤环内部温度T_内的数据解算光纤环内部温度T_内的温度变化dT_内，t时刻的温度变化dT_内为(t-2ⁿ)～t时刻之间的温度平均值与(t-2²ⁿ)～(t-2ⁿ)时刻之间的温度平均值之差；

其中，t≥2²ⁿ+1，n可以取值为6；

(2.2)去除转台转速改变间隙的陀螺数据、温度数据及温度变化dT_内数据；

(2.3)根据采集的陀螺数据D、陀螺光纤环内部温度数据T_内和光纤环外部温度数据T_外生成矩阵X＝[D,T_内D,T_内 ²D,T_内,(T_内-T_外),dT_内]；

(2.4)根据转台输入角速度及常温标度因数K₀获得与矩阵X相应的矩阵y＝K₀Ω；

(2.5)根据A＝(X^TX)^-1X^Ty计算补偿系数矩阵A＝[a₀,a₁,a₂,b₁,b₂,b₃]^T。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的对陀螺输出进行补偿为，陀螺补偿后的输出D_补后＝(a₀+a₁T_内+a₂T_内 ²)D_补前+[b₁T_内+b₂(T_内-T_外)+b₃dT_内]。