CN111854799A - 一种光纤陀螺仪的温度补偿方法、装置及光纤陀螺仪 - Google Patents

一种光纤陀螺仪的温度补偿方法、装置及光纤陀螺仪 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、装置及光纤陀螺仪，涉及导航仪器技术领域，主要解决了单一温度传感器的光纤陀螺存在温度补偿不足的技术问题。该发明包括：采用多个温度传感器分别采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值，得到多个温度值；根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型；采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。因此，本发明采用多个传感器对光纤陀螺的不同部分的温度进行采集，然后将采集的温度数据进行多元线性回归分析，以求得显著自变量，再构成高度拟合光纤陀螺实际情况，得出温度补偿结果，使光纤陀螺测量得更精确、更高效。

Description

一种光纤陀螺仪的温度补偿方法、装置及光纤陀螺仪
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、装置及光纤陀螺仪。
背景技术
目前，光纤陀螺的环境适应性是限制高精度光纤陀螺工程应用的瓶颈所在，其中最为棘手的就是光纤陀螺温度敏感性问题。温度变化引入的Shupe效应误差是光纤陀螺中的主要误差因素，对高精度光纤陀螺而言，热致Shupe效应是最大误差源，严重制约了高精度光纤陀螺在军用领域中的应用。降低光纤陀螺温度敏感性的方法除硬件设计、工艺优化等技术途径外，针对光纤陀螺的温度漂移趋势，建立适合工程应用的光纤陀螺温度漂移模型，是高精度光纤陀螺工程应用过程中的必需关键技术。
导航级光纤陀螺可以应用于多数导航、定位定向和姿态控制领域，具有极大的应用潜力，其应用领域决定了其必须具备快速启动的能力，所以对变温条件下的陀螺漂移进行温度建模与补偿是该级别陀螺工程化应用过程中必须要攻克的关键技术。现有技术中，针对光纤陀螺进行了温度建模及补偿工作，在0.5℃/min的变温速率下，多数陀螺全温零偏稳定性优于0.01°/h，可以满足部分导航级应用需求。但在大温变速率(1℃/min～5℃/min)变温或不规则变温条件下，光纤陀螺输出仍存在残余Shupe效应误差，且精度远逊于常温静态精度，主要原因有：1)受温变速率滞后影响，补偿量总存在一定的滞后；2)部分陀螺温变速率转折处的零偏尖峰得不到很好的补偿；3)在某些特定条件下，陀螺内部温度传感器反映的温度及温变速率与陀螺实际输出不具备对应关系。
分析以上问题，除了与光纤环圈本身的变温特性有关外，与温度传感器反映的温度场变化也有较大关系。目前，光纤陀螺内部只有一个温度传感器，由于光纤陀螺结构和磁屏蔽材料对传感器反映的温度有一定延迟，而且温度传感器在光纤陀螺中所处的位置不同，反映出的温度尤其是温度变化存在很大的差异，因此，仅参考一个温度传感器的温度信息很难完全反映陀螺所处环境的温度变化，离线建模过程中便会发现：光纤陀螺零偏漂移仍存在较大残余，补偿后精度无法满足要求。
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、装置及光纤陀螺仪，解决了现有技术中具有单一温度传感器的光纤陀螺存在温度补偿不足的技术问题。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：
采用多个温度传感器分别采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值，得到多个温度值；
根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型；
采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。
进一步的，所述根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型，包括：
构建与所述温度值相关的自变量；
根据所述光纤陀螺仪的实际输出量构建因变量；
采用预设的多元线性回归函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数，以构建多元线性回归的零偏温度补偿模型。
进一步的，所述温度值相关的自变量包括：
对应各个温度值的三阶变量；
预定温度值之间的温度差；
预定温度值之间的温度变化率差。
进一步的，所述多个温度值包括：
第一温度值，所述第一温度值是第一温度传感器检测得到的温度值，所述第一温度传感器设置于光纤环圈外壁上；
第二温度值，所述第二温度值是第二温度传感器检测得到的温度值，所述第二温度传感器设置于光纤环圈上表面上；
第三温度值，所述第三温度值是第三温度传感器检测得到的温度值，所述第三温度传感器设置于磁屏蔽罩上；
第四温度值，所述第四温度值是第四温度传感器检测得到的温度值，所述第四温度传感器设置于光纤环圈的中心点上；
第五温度值，所述第五温度值是第五温度传感器检测得到的温度值，所述第五温度传感器设置于光纤环圈内壁上。
进一步的，所述预定温度值之间的温度差包括：
第一温度差，所述第一温度差为第三温度值与所述第四温度值之间的差值；
第二温度差，所述第二温度差为第二温度值与所述第四温度值之间的差值；
第三温度差，所述第三温度差为第一温度值与所述第五温度值之间的差值。
进一步的，所述预定温度值之间的温度变化率差，包括：
第一温度变化率差，所述第一温度变化率差为第三温度值与所述第四温度值之间的温度变化率差；
第二温度变化率差，所述第二温度变化率差为第二温度值与所述第四温度值之间的温度变化率差；
第三温度变化率差，所述第三温度变化率差为第一温度值与所述第五温度值之间的温度变化率差。
进一步的，所述预设的多元线性回归函数为Stepwisefit函数或者Stepwise函数。
进一步的，所述采用预设的多元线性回归函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数，包括：
采用所述Stepwisefit函数或者Stepwise函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，剔除所述自变量中的不显著项；
采用剔除处理后的自变量和对应的因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数。
本发明还包括一种温度补偿装置，其由控制模块，及与所述控制模块相连接的存储模块、采集模块、模型构建模块组成；
所述采集模块，用于采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值；
所述模型构建模块，用于根据多个位置的温度值构建零偏温度补偿模型；
所述控制模块，用于采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。
本发明还包括一种光纤陀螺仪，其包括：
本体；以及，
位于本体内的光纤环圈、多个温度传感器和如上所述的装置。
本发明提供的一种光纤陀螺仪的温度补偿方法、装置及光纤陀螺仪至少具有如下有益技术效果：
本发明采用多个传感器对光纤陀螺的不同部分的温度进行采集，然后将采集的温度数据进行多元线性回归分析，以求得显著自变量，再构成高度拟合光纤陀螺实际情况，得出温度补偿结果，使光纤陀螺测量得更精确、更高效。
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是本发明的光纤陀螺局部结构示意图；
图3是本发明的补偿结果示意图；
图4是本发明的一种温度补偿装置的结构示意图；
图中1-控制模块，2-存储模块，3-采集模块，4-模型构建模块，5-光纤环圈，6-磁屏蔽罩。
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和图2，本发明的一种光纤陀螺仪的温度补偿方法，其包括：
S1：采用多个温度传感器分别采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值，得到多个温度值；
S2：根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型；
S3：采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。
需要说明的是，多个温度传感器分别采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值，即在陀螺结构及光纤环圈不同位置布置多个温度传感器。
本发明采用多个传感器对光纤陀螺的不同部分的温度进行采集，可以较为有效完整地反映整个光纤环圈所处环境的温度变化，然后将采集的温度数据进行多元线性回归分析，以求得显著自变量，再构成高度拟合光纤陀螺实际情况，得出温度补偿结果，即根据多个温度传感器信息对光纤陀螺温度漂移进行温度建模与补偿。因此，本发明使光纤陀螺测量得更精确、更高效，还可以克服现有温度传感器信息不足的局限，达到更好的温度补偿效果。
步骤S2中，所述根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型，包括：
构建与所述温度值相关的自变量；
根据所述光纤陀螺仪的实际输出量构建因变量；
采用预设的多元线性回归函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数，以构建多元线性回归的零偏温度补偿模型。
其中，所述温度值相关的自变量包括：
对应各个温度值的三阶变量；预定温度值之间的温度差；预定温度值之间的温度变化率差。
优选地，所述多个温度值包括：
第一温度值，所述第一温度值是第一温度传感器检测得到的温度值，所述第一温度传感器设置于光纤环圈外壁上；
第二温度值，所述第二温度值是第二温度传感器检测得到的温度值，所述第二温度传感器设置于光纤环圈上表面上；
第三温度值，所述第三温度值是第三温度传感器检测得到的温度值，所述第三温度传感器设置于磁屏蔽罩上；
第四温度值，所述第四温度值是第四温度传感器检测得到的温度值，所述第四温度传感器设置于光纤环圈的中心点上；
第五温度值，所述第五温度值是第五温度传感器检测得到的温度值，所述第五温度传感器设置于光纤环圈内壁上。
优选地，所述预定温度值之间的温度差包括：
第一温度差，所述第一温度差为第三温度值与所述第四温度值之间的差值；
第二温度差，所述第二温度差为第二温度值与所述第四温度值之间的差值；
第三温度差，所述第三温度差为第一温度值与所述第五温度值之间的差值。
优选地，所述预定温度值之间的温度变化率差，包括：
第一温度变化率差，所述第一温度变化率差为第三温度值与所述第四温度值之间的温度变化率差；
第二温度变化率差，所述第二温度变化率差为第二温度值与所述第四温度值之间的温度变化率差；
第三温度变化率差，所述第三温度变化率差为第一温度值与所述第五温度值之间的温度变化率差。
需要说明的是，如图2所示，外层是磁屏蔽罩6，中间的圆环是光纤环圈5。C1、C2、C3、C4和C5表示温度传感器，分别置于磁屏蔽罩6、光纤环圈5内外壁和光纤环圈5上表面。
因此，第一温度值是第一温度传感器C1检测得到的温度值，第一温度传感器C1设置于光纤环圈5外壁上；
第二温度值是第二温度传感器C2检测得到的温度值，所述第二温度传感器C2设置于光纤环圈5上表面上；
第三温度值是第三温度传感器C3检测得到的温度值，所述第三温度传感器C3设置于磁屏蔽罩6上；
第四温度值是第四温度传感器C4检测得到的温度值，所述第四温度传感器C4设置于光纤环圈5的中心点上；
第五温度值是第五温度传感器C5检测得到的温度值，所述第五温度传感器C5设置于光纤环圈5内壁上。
温度传感器C3可以快速反映环境温度的变化；C1和C5对应，反映光纤环圈径向温度梯度；C3和C4反映外界温度和陀螺结构体之间的温度差异；C2与C4反映光纤环圈轴向的温度梯度。通过温度空间梯度的引入，可以减少原有温度补偿模型中对交叉耦合项的依赖，同时避免了前述一个温度传感器的弊端，提高了温度补偿的精度。
当外界温度变化时，温度传感器C3最先反映温度变化，然后依次是C4、C1、C2和C5。其中，温度传感器C3、C4之间的温度差和温度变化率差分别表示为ΔT34和
Figure BDA0002581685380000071
此项主要针对图2中温度变化率转折处的陀螺漂移不对应情况。温度传感器C2、C4之间的温度差和温度变化率差分别表示为ΔT24和
Figure BDA0002581685380000072
以及温度传感器C1、C5之间的温度差和温度变化率差ΔT15和
Figure BDA0002581685380000073
分别反映的是环圈上下表面和环圈内外壁的温度变化差异，针对的是不同温变速率下补偿参数一致性问题，这样可以根据温度变化情况，建立陀螺漂移与温度变化率的自适应控制，即在环境温度变化率和温度梯度不同时，根据估计结果自动修正模型参数，可以更准确地反映陀螺零偏的统计特性。
优选地，所述预设的多元线性回归函数为Stepwisefit函数或者Stepwise函数。
需要说明的是，这两个函数的功能是一样的。Stepwisefit函数是逐步回归法建模的集成命令，使用者只需给出必要的输入参数，调用这一函数将自动完成建模工作，返回所谓最优回归方程的相关信息。Stepwise函数是逐步回归法建模的交互式图形环境创建指令，Stepwise提供人机交互式画面，可以在画面上自由引入和移出变量，进行统计分析。
在零偏温度补偿模型中，所述采用预设的多元线性回归函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数，包括：
采用所述Stepwisefit函数或者Stepwise函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，剔除所述自变量中的不显著项；
采用剔除处理后的自变量和对应的因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数。
需要说明的是，在建立的光纤陀螺零偏温度补偿模型中，补偿变量包括温度、温度差、温度变化率、温度变化率差以及它们引起的相关项，建立温度补偿模型前，首先需要确定模型的变量。然后利用最小二乘方法获得模型的参数。具体方法如下：
Stepwise(x，y，inmodel，alpha)：
x——自变量数据n×m阶矩阵；
y——因变量数据n×1阶矩阵；
inmodel——矩阵的列数的指标，给出初始模型中包括的子集(缺省时设定为全部自变量)；
alpha——显著性水平(缺省时为0.5)；
以温度传感器C4的温度数据为例，考虑三阶变量，分别令x1＝T,x2＝T2,x3＝T3,
Figure BDA0002581685380000081
作为自变量，再考虑温度差x10＝ΔT34，x11＝ΔT24，x12＝ΔT15以及温度变化率差
Figure BDA0002581685380000091
Figure BDA0002581685380000092
y＝B作为因变量，表达公式如下。利用逐步回归分析方法剔除不显著项，建立零偏温度补偿模型，根据补偿精度要求选取最为简单、变量最少的零偏温度补偿模型。补偿结果如图3所示，本发明达到很好的补偿效果。
Figure BDA0002581685380000093
参见图4，本发明的一种温度补偿装置，其特征在于，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、模型构建模块4；
所述采集模块3，用于采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值；
所述模型构建模块4，用于根据多个位置的温度值构建零偏温度补偿模型；
所述控制模块1，用于采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。
本发明的一种光纤陀螺仪，其特征在于，包括：
本体；以及，
位于本体内的光纤环圈、多个温度传感器和如上所述的装置。
本发明的温度补偿装置校正了光纤陀螺仪的零偏精度，保障了光纤陀螺仪的实用性和便捷性。光纤陀螺仪基于本发明的方法和装置，提高了精度，增强了实用的特点。
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 (10)

1.一种光纤陀螺仪的温度补偿方法，其特征在于，包括：
采用多个温度传感器分别采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值，得到多个温度值；
根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型；
采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。
2.根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于，所述根据所述多个温度值构建零偏温度补偿模型，包括：
构建与所述温度值相关的自变量；
根据所述光纤陀螺仪的实际输出量构建因变量；
采用预设的多元线性回归函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数，以构建多元线性回归的零偏温度补偿模型。
3.根据权利要求2所述的温度补偿方法，其特征在于，所述温度值相关的自变量包括：
对应各个温度值的三阶变量；
预定温度值之间的温度差；
预定温度值之间的温度变化率差。
4.根据权利要求3所述的温度补偿方法，其特征在于，所述多个温度值包括：
第一温度值，所述第一温度值是第一温度传感器检测得到的温度值，所述第一温度传感器设置于光纤环圈外壁上；
第二温度值，所述第二温度值是第二温度传感器检测得到的温度值，所述第二温度传感器设置于光纤环圈上表面上；
第三温度值，所述第三温度值是第三温度传感器检测得到的温度值，所述第三温度传感器设置于磁屏蔽罩上；
第四温度值，所述第四温度值是第四温度传感器检测得到的温度值，所述第四温度传感器设置于光纤环圈的中心点上；
第五温度值，所述第五温度值是第五温度传感器检测得到的温度值，所述第五温度传感器设置于光纤环圈内壁上。
5.根据权利要求4所述的温度补偿方法，其特征在于，所述预定温度值之间的温度差包括：
第一温度差，所述第一温度差为第三温度值与所述第四温度值之间的差值；
第二温度差，所述第二温度差为第二温度值与所述第四温度值之间的差值；
第三温度差，所述第三温度差为第一温度值与所述第五温度值之间的差值。
6.根据权利要求4所述的温度补偿方法，其特征在于，所述预定温度值之间的温度变化率差，包括：
第一温度变化率差，所述第一温度变化率差为第三温度值与所述第四温度值之间的温度变化率差；
第二温度变化率差，所述第二温度变化率差为第二温度值与所述第四温度值之间的温度变化率差；
第三温度变化率差，所述第三温度变化率差为第一温度值与所述第五温度值之间的温度变化率差。
7.根据权利要求2所述的温度补偿方法，其特征在于，所述预设的多元线性回归函数为Stepwisefit函数或者Stepwise函数。
8.根据权利要求7所述的温度补偿方法，其特征在于，所述采用预设的多元线性回归函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数，包括：
采用所述Stepwisefit函数或者Stepwise函数，对所述自变量和所述因变量进行多元线性回归处理，剔除所述自变量中的不显著项；
采用剔除处理后的自变量和对应的因变量进行多元线性回归处理，确定多元线性回归函数的系数。
9.一种温度补偿装置，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、模型构建模块；
所述采集模块，用于采集光纤陀螺仪的多个位置的温度值；
所述模型构建模块，用于根据多个位置的温度值构建零偏温度补偿模型；
所述控制模块，用于采用所述零偏温度补偿模型对光纤陀螺仪的输出进行补偿，得到补偿后的输出量。
10.一种光纤陀螺仪，其特征在于，包括：
本体；以及，
位于本体内的光纤环圈、多个温度传感器和如权利要求9所述的装置。
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