CN106897480A - 一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、通过光源平均波长与其温度模型试验，建立光源的平均波长与其温度的关系模型，得到光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数；步骤2、基于单轴速率转台连续旋转的标度因数建模方法，进行光纤陀螺标度因数建模试验；建立光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型；步骤3、对步骤2的光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型进行修正。本发明能够达到抑制该模型迟滞效应的效果，从而提高光纤陀螺标度因数建模与补偿精度。

Description

一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其是一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法。
背景技术
光纤陀螺是一种新型的全固态角速率传感器，具有成本低、寿命长、动态范围大和可靠性高等优点，已被广泛的应用于军用及民用领域。当光纤陀螺工作环境的温度发生变化时，会使其标度因数会发生较大变化，严重影响光纤陀螺的工程应用。其原因是光纤环圈的几何尺寸、光源的平均波长随温度发生变化，从而导致光纤陀螺的标度因数发生变化。
由于从机理上消除温度带来的光纤陀螺标度因数变化难度大、成本高。因此采用温度补偿技术是一种有效提升光纤陀螺标度因数性能的方法，其中的关键技术是如何建立一个普适各种温度环境的精确模型。根据建立的光纤陀螺标度因数与温度的模型，采集光纤陀螺的实时温度后对其输出进行补偿，从而达到改善光纤陀螺标度因数性能的目的。
通常将光线陀螺标度因数与温度的关系模拟成一个黑匣子。然后基于一定温度条件下的光纤陀螺标度因数与温度关系的试验，进而采用各种方法进行拟合得到最终的标度因数补偿系数，比如多项式拟合、分段拟合、RBF神经网络拟合等。因此，光纤陀螺标度因数与温度的关系模型的精确度直接决定了最终的补偿效果。建立光纤陀螺标度因数温度模型的精度越高，补偿后的光纤陀螺标度因数性能越高，才能普适各种温度环境。
传统的光纤陀螺标度因数温度模型存在迟滞效应，导致补偿精度受限。因此，需要建立一种有效且易于工程实现的抑制光纤陀螺标度因数迟滞模型的建模方法，提升光纤陀螺的环境适应性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、建模精度高、稳定性强且易于工程实现的抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法，包括以下步骤：
步骤1、将光纤陀螺光源单独置于温箱内，对光纤陀螺光源的平均波长和光源温度进行实时同步采集，通过光源平均波长与其温度模型试验，建立光源的平均波长与其温度的关系模型；并根据光纤陀螺的标度因数公式，得到光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数；
所述光纤陀螺的标度因数公式为：
上式中，KSF是光纤陀螺标度因数，K0是与积分时间常数和数模转换器位数相关的常数，Tg是光纤环圈温度，Ts是光源温度，c是光波在真空中的传播速度，L(Tg)和D(Tg)分别是在温度变化条件下的光纤环圈长度与直径，λ(Ts)是在温度变化条件下的光源平均波长；
步骤2、基于单轴速率转台连续旋转的标度因数建模方法，将光纤陀螺置于温箱内的单轴速率转台上，进行光纤陀螺标度因数建模试验；并对光纤陀螺的速率输出信号、光源温度和环圈温度进行实时同步采集，建立光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型，从而获得光纤陀螺归一化标度因数与光纤环圈温度的关系模型曲线；
步骤3、根据步骤1中获得的光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数和步骤2中同步实时采集的光源温度，对步骤2的光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型进行修正，达到抑制该模型迟滞效应的效果。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的基于物理机理的多测温点标度因数建模方法可以抑制传统标度因数建模方法的模型迟滞现象，实现精确补偿，从而提高实际应用条件下的光纤陀螺环境适应性。
附图说明
图1是本发明的源平均波长与其温度模型试验中温箱设置温度曲线示意图；
图2是本发明的光源平均波长及其对应的光纤陀螺标度因数与光源温度的归一化系数曲线示意图；
图3是本发明的光纤陀螺标度因数建模试验中温箱设置温度曲线示意图；
图4是本发明的光纤陀螺标度因数建模试验中的不考虑光源温度修正的光纤环圈温度补偿前与补偿后的光纤陀螺归一化标度因数与光纤环圈温度的关系模型曲线示意图；
图5是本发明的光纤陀螺标度因数建模试验中的光源温度与环圈温度的实测关系曲线示意图；
图6是本发明的增加光源温度修正后的光纤陀螺标度因数温度补偿前与补偿后的模型曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
本发明的目的在于提供一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法，建立光纤陀螺的标度因数温度模型，设计两个温度环境试验。实践证明，本发明的建模方法可以在实际应用中提升光纤陀螺标度因数的稳定性和环境适应性。
一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法，包括以下步骤：
步骤1、将光纤陀螺光源单独置于温箱内，对光纤陀螺光源的平均波长和光源温度进行实时同步采集，通过光源平均波长与其温度模型试验，采用分段线性拟合或者多项式拟合等方法得到光源的平均波长与其温度的关系模型；并根据光纤陀螺的标度因数公式，得到光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数Ks(Ts1)；其中，Ts1是光源温度。
所述光纤陀螺的标度因数公式为：
上式中，KSF是光纤陀螺标度因数，K0是与积分时间常数和数模转换器位数相关的常数，Tg是光纤环圈温度，Ts是光源温度，c是光波在真空中的传播速度，L(Tg)和D(Tg)分别是在温度变化条件下的光纤环圈长度与直径，λ(Ts)是在温度变化条件下的光源平均波长。
在本实施例中，按照图1所示的本发明的光源平均波长与其温度模型试验中温箱设置温度曲线示意图对温箱进行温度设置，设定Tmax和Tmin分别为60℃和-40℃，变温速率为1℃/min。将光纤陀螺光源单独置于温箱内，进行光源平均波长与其温度模型试验，采用光谱仪与测温传感器对光源平均波长和光源温度进行实时采集，进而建立光源的平均波长与其温度的关系模型；根据所述光纤陀螺的标度因数公式，可以得到光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数Ks(Ts1)。图2所示为试验获得的光源平均波长及其对应的光纤陀螺标度因数与光源温度的归一化系数曲线示意图。
步骤2、基于单轴速率转台连续旋转的标度因数建模方法，将光纤陀螺置于温箱内的单轴速率转台上，进行光纤陀螺标度因数建模试验；并对光纤陀螺的速率输出信号、光源温度Ts2和光纤环圈温度Tg进行实时同步采集，建立光纤陀螺标度因数与光纤环圈温度Tg的关系模型，从而获得光纤陀螺归一化标度因数与光纤环圈温度Tg的关系模型曲线。
在本实施例中，基于单轴速率转台连续旋转的标度因数建模方法，将光纤陀螺置于温箱内的单轴速率转台上，单轴转台以恒定速率单向旋转(例如30°/s)。按照图3所示的本发明的光纤陀螺标度因数建模试验中温箱设置温度曲线示意图对温箱进行温度设置，并对光纤陀螺的速率输出信号、光源温度和光纤环圈温度进行实时采集，建立光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型。
图4所示为光纤陀螺标度因数建模试验中不考虑光源温度修正的光纤环圈温度补偿前KF(Tg)与补偿后KF1(Tg)的光纤陀螺归一化标度因数与光纤环圈温度Tg的关系模型曲线示意图。
由图4可知，光纤陀螺的标度因数在升温过程与降温过程存在迟滞现象。由于光纤陀螺标度因数补偿模型系数曲线不能兼顾标度因数在升温和降温过程中出现的迟滞现象，且在不同的温度梯度条件会导致该模型迟滞现象严重程度不同，导致补偿后的光纤陀螺全温标度因数稳定性较差。导致标度因数模型迟滞现象的直接原因是光纤陀螺的光源温度Ts与环圈温度Tg不一致。
图5所示为本发明的光纤陀螺标度因数建模试验中的光源温度Ts与光纤环圈温度Tg的关系曲线示意图。
步骤3、根据步骤1中获得的光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数Ks(Ts1)和步骤2中同步实时采集的光源温度Ts2，对步骤2的所述光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型进行修正，达到抑制该模型迟滞效应的效果，从而提高光纤陀螺标度因数建模与补偿精度。
其具体方法为：根据所述步骤1的光纤陀螺的标度因数公式(1)，利用步骤1中获得的光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数Ks(Ts1)，以及步骤2的实时同步采集的光源温度Ts2，对步骤2中光纤陀螺标度因数(温度补偿前KF(Tg)与补偿后KF1(Tg))与环圈温度的关系模型进行修正，达到抑制该模型迟滞效应的效果，从而提高光纤陀螺标度因数建模与补偿精度。
修正后的光纤陀螺标度因数KSF(Tg)等于Ks(Ts2)除以KF(Tg)，其中，Ts2是步骤2中实时同步采集的光源温度值。
图6所示为本发明的修正后的光纤陀螺标度因数温度补偿前与补偿后的模型曲线示意图，可以看出，模型迟滞现象得到较大的改善。最终提高了光纤陀螺全温条件下的标度因数补偿精度和稳定性。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种抑制光纤陀螺标度因数模型迟滞效应的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将光纤陀螺光源单独置于温箱内，对光纤陀螺光源的平均波长和光源温度进行实时同步采集，通过光源平均波长与其温度模型试验，建立光源的平均波长与其温度的关系模型；并根据光纤陀螺的标度因数公式，得到光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数；
所述光纤陀螺的标度因数公式为：
K S F = 2 π · k 0 · L ( T g ) · D ( T g ) λ ( T s ) · c
上式中，KSF是光纤陀螺标度因数，K0是与积分时间常数和数模转换器位数相关的常数，Tg是光纤环圈温度，Ts是光源温度，c是光波在真空中的传播速度，L(Tg)和D(Tg)分别是在温度变化条件下的光纤环圈长度与直径，λ(Ts)是在温度变化条件下的光源平均波长；
步骤2、基于单轴速率转台连续旋转的标度因数建模方法，将光纤陀螺置于温箱内的单轴速率转台上，进行光纤陀螺标度因数建模试验；并对光纤陀螺的速率信号输出、光源温度和环圈温度进行实时同步采集，建立光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型，从而获得光纤陀螺归一化标度因数与光纤环圈温度的关系模型曲线；
步骤3、根据步骤1中获得的光源温度对光纤陀螺标度因数影响的归一化系数和步骤2中同步实时采集的光源温度，对步骤2的光纤陀螺标度因数与环圈温度的关系模型进行修正，从而抑制该模型迟滞效应的效果。
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