CN111854798B - 一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置 - Google Patents

一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置，涉及导航仪器技术领域，主要解决了高精度光纤陀螺的Shupe系数非线性的技术问题。该发明包括：采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；根据所述温度数据计算温度变化率；根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。本发明提高了光纤陀螺的测量的精度，解决了光纤陀螺的Shupe系数非线性问题，保障了光纤陀螺实用度。

Description

一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及导航仪器技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置。
背景技术
光纤陀螺在温度变化时，零偏会发生变化，这是光纤陀螺技术发展过程中被普遍关注的一个“瓶颈”问题。温度变化时，光纤环中的两束干涉光会产生非互易相移，使得陀螺的零偏发生变化，大大降低了陀螺的精度。上世纪八十年代初美国学者D.M.Shupe在理论上对这个问题进行了阐述，因此，该误差被称为Shupe效应误差。之后，采用从光纤长度的中点对称缠绕的方式制作光纤环，很大程度上解决了温度变化时产生的非互易性相移，这也成为目前降低零位漂移的主要方法。但在实际中，对称式缠绕只是在一定程度上解决了光纤环几何长度上的对称，两束光的实际光程并不能做到完全对称，温变时产生的非互易性相移仍旧存在。对惯性级以上的高精度光纤陀螺而言，必须进行温度补偿。而现有工艺条件下，光纤陀螺的Shupe系数往往存在非线性，给温度补偿带来困难。
Shupe系数表示光纤陀螺零偏与温度变化率之间的关系，表示为：Shupe系数＝零偏值/温度变化率，单位为°/h/℃/min。理论上，Shupe系数为常值；实际上，性能优异的光纤陀螺Shupe系数趋于常值。连续变温条件下，零偏-温度变化率曲线斜率恒定，而多数情况下，光纤陀螺Shupe系数会存在一定的非线性，则零偏-温度变化率曲线存在较为严重的非线性，也即Shupe系数不唯一。
通常情况下，光纤陀螺温度补偿方法均是基于最小二乘法，最终达到残差最小的目的。该方法对性能优异的光纤陀螺较为适用，补偿后可以达到预期效果，而对于Shupe系数具有一定非线性的光纤陀螺，补偿单一Shupe系数的方法已无法满足使用要求。
发明内容
本发明其中一个目的是为了提出一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置，解决了现有技术中高精度光纤陀螺的Shupe系数非线性的技术问题。本发明优选实施方案中能够达到诸多有益效果，具体见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明的一种光纤陀螺仪的温度补偿方法，其包括：
采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；
根据所述温度数据计算温度变化率；
根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；
对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。
进一步的，所述温度数据包括第一时间采集的第一温度数据和第二时间采集的第二温度数据，所述根据所述温度数据计算温度变化率，包括：
计算温度差与时间差的比值，将所述比值确定为温度变化率；
其中，所述温度差为所述第一温度数据与所述第二温度数据之间的差值，所述时间差为所述第一时间与所述第二时间之间的差值。
进一步的，所述第一时间与所述第二时间之间的差值设定为固定值。
进一步的，所述根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率，包括：
根据所述温度数据和所述温度变化率，选取4个分段的输出数据以及对应的温度变化率。
进一步的，所述4个分段的输出数据以及对应的温度变化率，包括：
第一分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第一分段中，所述温度变化率大于等于0，且所述温度数据大于等于0；
第二分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第二分段中，所述温度变化率大于等于0，且所述温度数据小于0；
第三分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第三分段中，所述温度变化率小于0，且所述温度数据大于等于0；
第四分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第四分段中，所述温度变化率小于0，且所述温度数据小于0。
进一步的，所述对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，包括：
对应各个分段，对各个分段的输出数据和温度变化率进行一元线性回归计算，得到一元线性回归方程的系数，所述系数包括相应分段的误差系数。
进一步的，所述采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿，包括：
对应各个分段，采用相应分段的一元线性回归方程的系数和所述温度变化率，计算得到相应分段的温度补偿后的输出数据。
进一步的，本发明还包括：
对应各个分段，根据相应分段的输出数据和对应的温度补偿后的输出数据计算误差值，并计算所述误差值的方差值；
若所述方差值小于预设的精度阈值，则将所述计算得到的温度补偿后的输出数据确定为最终的温度补偿后的输出数据。
进一步的，所述误差系数为Shupe系数。
本发明还有一种光纤陀螺仪的装置，其包括：控制模块，及与所述控制模块相连接的存储模块、采集模块、数据处理模块；
所述采集模块，用于采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；
数据处理模块，用于根据所述温度数据计算温度变化率；并根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；
控制模块，用于对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。
本发明提供的一种光纤陀螺仪的温度补偿方法及装置至少具有如下有益技术效果：
本发明通过采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；及根据所述温度数据计算温度变化率；然后，根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；最后，对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。因此，本发明针对Shupe系数非线性问题，提出对Shupe系数分段估算方法，并依据每段估算结果对光纤陀螺进行温度补偿，得到很好的补偿效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种光纤陀螺仪的温度补偿方法的流程示意图；
图2是本发明光纤陀螺的高低温零偏实时补偿过程；
图3是本发明的一种光纤陀螺仪的装置的结构示意图。
图中1-控制模块，2-存储模块，3-采集模块，4-数据处理模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参见图1，本发明是一种光纤陀螺仪的温度补偿方法，其包括：
S1：采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；
S2：根据所述温度数据计算温度变化率；
S3：根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；
S4：对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。
本发明通过采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；及根据所述温度数据计算温度变化率；然后，根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；最后，对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。因此，本发明针对Shupe系数非线性问题，提出对Shupe系数分段估算方法，并依据每段估算结果对光纤陀螺进行温度补偿，提高了光纤陀螺的使用精度，得到很好的补偿效果。
需要说明的是，步骤S1还包括：假设光纤陀螺的原始输出数据Y0，单位：°/h，初始温度数据T0，单位：℃；将采集得到光纤陀螺的原始输出数据Y0和初始温度数据T0，经过预处理得到原始数据Y和温度数据T。
其中，预处理方式为：
在时间段内将原始输出数据Y0作平均值运算，得到原始数据Y；
在时间段内将初始温度数据T0作平均值运算，得到温度数据T。
例如，在100s内对采集到的所有的Y0和T0，进行预处理得到原始数据Y，温度数据T；表达式为：
Figure GDA0003542880690000051
其中，若1s测得一个Y0，则100s有100个Y0，同理可得T0。
步骤S2中，所述温度数据包括第一时间采集的第一温度数据和第二时间采集的第二温度数据，所述根据所述温度数据计算温度变化率，包括：
计算温度差与时间差的比值，将所述比值确定为温度变化率；
其中，所述温度差为所述第一温度数据与所述第二温度数据之间的差值，所述时间差为所述第一时间与所述第二时间之间的差值。
需要解释的是，计算温度变化率
Figure GDA0003542880690000061
单位：℃/min，Δt＝100，s＝60。
优选地，所述第一时间与所述第二时间之间的差值设定为固定值。其中固定值为100s，当然根据实际情况的需求，固定值不同。
步骤S3中，所述根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率，包括：
根据所述温度数据和所述温度变化率，选取4个分段的输出数据以及对应的温度变化率。
所述4个分段的输出数据以及对应的温度变化率，包括：
第一分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第一分段中，所述温度变化率大于等于0，且所述温度数据大于等于0；
第二分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第二分段中，所述温度变化率大于等于0，且所述温度数据小于0；
第三分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第三分段中，所述温度变化率小于0，且所述温度数据大于等于0；
第四分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第四分段中，所述温度变化率小于0，且所述温度数据小于0。
需要说明的是，选取4个分段的输出数据以及对应的温度变化率，即按照dT在-1℃/min至1℃/min区间内变化顺序重新排列输出数据以及对应的温度变化率，表示如下：
选取dT≥0且T≥0的零偏数据Y1以及相应的温度变化率数据dT1；
选取dT≥0且T<0的零偏数据Y2以及相应的温度变化率数据dT2；
选取dT<0且T≥0的零偏数据Y3以及相应的温度变化率数据dT3；
选取dT<0且T<0的零偏数据Y4以及相应的温度变化率数据dT4。
步骤S4中，所述对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，包括：
对应各个分段，对各个分段的输出数据和温度变化率进行一元线性回归计算，得到一元线性回归方程的系数，所述系数包括相应分段的误差系数。
步骤S4中，所述采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿，包括：
对应各个分段，采用相应分段的一元线性回归方程的系数和所述温度变化率，计算得到相应分段的温度补偿后的输出数据。
本发明还包括：
对应各个分段，根据相应分段的输出数据和对应的温度补偿后的输出数据计算误差值，并计算所述误差值的方差值；
若所述方差值小于预设的精度阈值，则将所述计算得到的温度补偿后的输出数据确定为最终的温度补偿后的输出数据。
其中，所述误差系数为Shupe系数。
需要说明的是，本发明以dT为自变量，Y为因变量，做一元线性回归：
Y＝b+k×(dT)
根据matlab中的regress语句求解系数k、b；
其中，k为光纤陀螺的线性Shupe系数误差，b为常数。
利用公式b+k×dT，对Y1进行补偿得到：
y1＝Y1-(b+k×dT1)；
计算1σ值，std(y1)，记为std1；
利用公式b+k×dT，对Y2进行补偿得到：
y2＝Y2-(b+k×dT2)；
计算1σ值，std(y2)，记为std2；
利用公式b+k×dT，对Y3进行补偿得到：
y3＝Y3-(b+k×dT3)；
计算1σ值，std(y3)，记为std3；
利用公式b+k×dT，对Y4进行补偿得到：
y4＝Y4-(b+k×dT4)；
计算1σ值，std(y4)，记为std4；
光纤陀螺的Shupe系数非线性误差为max([std1,std2,std3,std4])，记为max_std。
具体步骤如图2，光纤陀螺的高低温零偏实时补偿过程如下：
根据惯导系统需求的陀螺精度，确定模型阶数，同时确定模型中所含变量；
理论上可以采用Matlab中的逐步回归工具，用多元线性逐步回归法来分析多项式中各项对陀螺零偏影响的显著程度，其中，多元线性逐步回归采用Stepwisefit()函数；
剔除对输出影响较弱的项，保留影响显著的项，则可得到最终的陀螺多项式温补模型；
由于多数陀螺存在Shupe系数非线性现象，需对上述分段数据进行Shupe系数辨识及逐段线性回归计算，最终确定每一段的补偿系数。
以dT≥0且T≥0的零偏数据Y1以及相应的温度变化率数据dT1为例，做多元线性逐步回归，具体表达如下：
x1＝T，x2＝T2，x3＝T3，
Figure GDA0003542880690000081
Figure GDA0003542880690000082
x10＝ΔT，x11＝dT1作为自变量，其中，T表示dT≥0且T≥0区间的光纤陀螺的温度平均值；因变量为Y1。
用多元线性逐步回归法来分析以上多项式中各项对光纤陀螺零偏影响的显著程度，剔除对因变量影响较弱的项，保留影响显著的项；例如，x1、x3、x9、x10显著，则保留，其余剔除。
若不同分段区间的光纤陀螺的Shupe系数非线性误差小于且等于0.01，则直接使用显著项；
若不同分段区间的光纤陀螺的Shupe系数非线性误差大于0.01，则增加自变量或自变量阶数，再进行多元线性逐步回归，筛选显著项。
利用本发明对某惯性级光纤陀螺产品进行温度补偿，结果如表1所示，补偿后精度优于0.01°/h，满足系统精度要求。
Figure GDA0003542880690000091
表1某惯性级光纤陀螺产品基于Shupe系数分段辨识与线性回归补偿结果统计
参见图3，本发明还有一种光纤陀螺仪的装置，其包括：控制模块1，及与所述控制模块1相连接的存储模块2、采集模块3、数据处理模块4；
所述采集模块3，用于采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；
数据处理模块4，用于根据所述温度数据计算温度变化率；并根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；
控制模块1，用于对应分段选取的输出数据和温度变化率，分段计算光纤陀螺仪的误差系数，以及采用所述分段计算得到的误差系数，分段对所述输出数据进行温度补偿。
本发明提高了光纤陀螺的测量的精度，解决了光纤陀螺的Shupe系数非线性问题，保障了光纤陀螺实用度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光纤陀螺仪的温度补偿方法，其特征在于，包括：
采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；
根据所述温度数据计算温度变化率；
根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；
对应各个分段，对各个分段的输出数据和温度变化率进行一元线性回归计算，得到一元线性回归方程的系数，所述系数包括相应分段的误差系数，采用相应分段的一元线性回归方程的系数和所述温度变化率，计算得到相应分段的温度补偿后的输出数据；
对应各个分段，根据相应分段的输出数据和对应的温度补偿后的输出数据计算误差值，并计算所述误差值的方差值；
若所述方差值小于预设的精度阈值，则将所述计算得到的温度补偿后的输出数据确定为最终的温度补偿后的输出数据。
2.根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于，所述温度数据包括第一时间采集的第一温度数据和第二时间采集的第二温度数据，所述根据所述温度数据计算温度变化率，包括：
计算温度差与时间差的比值，将所述比值确定为温度变化率；
其中，所述温度差为所述第一温度数据与所述第二温度数据之间的差值，所述时间差为所述第一时间与所述第二时间之间的差值。
3.根据权利要求2所述的温度补偿方法，其特征在于，所述第一时间与所述第二时间之间的差值设定为固定值。
4.根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于，所述根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率，包括：
根据所述温度数据和所述温度变化率，选取4个分段的输出数据以及对应的温度变化率。
5.根据权利要求4所述的温度补偿方法，其特征在于，所述4个分段的输出数据以及对应的温度变化率，包括：
第一分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第一分段中，所述温度变化率大于等于0，且所述温度数据大于等于0；
第二分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第二分段中，所述温度变化率大于等于0，且所述温度数据小于0；
第三分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第三分段中，所述温度变化率小于0，且所述温度数据大于等于0；
第四分段的输出数据以及对应的温度变化率，所述第四分段中，所述温度变化率小于0，且所述温度数据小于0。
6.根据权利要求1-5任一项所述的温度补偿方法，其特征在于，所述误差系数为Shupe系数。
7.一种光纤陀螺仪的装置，其特征在于，包括：控制模块，及与所述控制模块相连接的存储模块、采集模块和数据处理模块；
所述采集模块，用于采集光纤陀螺仪的输出数据和温度数据；
数据处理模块，用于根据所述温度数据计算温度变化率；并根据所述温度数据和所述温度变化率，分段选取所述输出数据以及对应的温度变化率；以及计算各分段的输出数据和对应的温度补偿后的输出数据计算误差值，并计算所述误差值的方差值；
控制模块，用于对应各个分段，对各个分段的输出数据和温度变化率进行一元线性回归计算，得到一元线性回归方程的系数，所述系数包括相应分段的误差系数，采用相应分段的一元线性回归方程的系数和所述温度变化率，计算得到相应分段的温度补偿后的输出数据；还用于各分段的方差值与预设的精度阈值进行对比，将方差值小于预设精度阈值的数据确定为最终的温度补偿后的输出数据。
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