CN113865575A - 基于温度迟滞模型的光纤陀螺、温度漂移补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺、温度漂移补偿方法及系统，将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0；假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ；对采集的光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波；计算时间序列点的温度变化率；建立温度延时项和梯度延时项的温度误差模型，并标定；实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。本发明解决了温度测量延时的问题，在不增加硬件成本的前提下，优化了补偿模型，提高了补偿模型的准确性。

Description

基于温度迟滞模型的光纤陀螺、温度漂移补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺、温度漂移补偿方法及系统。
背景技术
光纤陀螺是惯性导航设备的核心器件，对温度的敏感性极大，温度漂移是光纤陀螺的主要误差来源，建立准确的温度漂移误差补偿模型是提高陀螺精度的最有效方法，而准确测量光纤环等器件的温度是得到模型的关键前提。工程上陀螺的温度传感器一般安装在陀螺壳体表面，由于温度传递需要时间，另外由于光纤环受热不均匀等因素影响，壳体温度传感器测量值相比光纤环真实值存在延时，会引起补偿模型的一定偏差。
现有的补偿方式，忽略了光纤环温度变化传递到温度传感器的延迟时间，使得温度漂移误差补偿模型的存在一定偏差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供基于温度迟滞模型的光纤陀螺、温度漂移补偿方法及系统，假设光纤环受外部环境变化而形成的温度梯度场，通过对陀螺热分析可得到温度延迟项，进一步根据最小二乘法拟合模型参数的方法，建立起光纤陀螺温度漂移补偿模型，提高了补偿精度。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，包括：
将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0；
控制温箱的温度线性变化，每隔特定时长采集所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值；
假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对所述光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ；
对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波；
计算时间序列点的温度变化率
Figure BDA0003321887600000021
建立温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000022
的温度误差模型，并标定；
实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
进一步地，将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0，包括：
在光纤陀螺的表面设置温度传感器，把所述光纤陀螺放入温箱中，所述光纤陀螺敏感轴与东向之间夹角为0，使得光纤陀螺输出即为温度漂移误差。
进一步地，控制温箱的温度线性变化，包括：设置温箱的温度变化范围为所述光纤陀螺的工作温度范围，设置温度变化时长，设置温度变化方式为温度匀速变化。
进一步地，对所述光纤陀螺的结构进行热分析包括：
对所述光纤陀螺进行三维建模；假定所述光纤陀螺内部为均匀稳定的流场且内部环境温度变化是由外部环境温度变化引起，根据热传递定律，建立温度梯度场，基于温度梯度场计算由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ。
进一步地，对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波，包括：
取平滑计算时间为nτ,(n＝1,2,3…)，计算平滑滤波后的光纤陀螺的输出值
Figure BDA0003321887600000031
Figure BDA0003321887600000032
其中，M为采样频率，t为平滑滤波后时间序列的序号，ui为第i个采样点的光纤陀螺的输出值；计算平滑滤波后的所述光纤陀螺表面的温度值
Figure BDA0003321887600000033
Figure BDA0003321887600000034
其中Tj为第j个采样点的温度值。
进一步地，计算时间序列点的温度变化率
Figure BDA0003321887600000035
包括：
Figure BDA0003321887600000036
进一步地，所述温度误差模型为：
Figure BDA0003321887600000037
其中F(t)为序号t时刻温度漂移，a0、a1、a2、a3为待标定系数。
进一步地，标定包括：计算序号t时刻对应的温度
Figure BDA0003321887600000038
计算对应的温度漂移误差为F(t)；；
采用最小二乘法拟合获得a0、a1、a2、a3。
第二方面提供一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿系统，内置基于温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000039
的温度误差模型；实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿；
所述温度误差模型的构建包括：
将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0；
控制温箱的温度线性变化，每隔特定时长采集所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值；
假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对所述光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ；
对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波，计算时间序列点的温度变化率
Figure BDA0003321887600000041
建立温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000042
的温度误差模型，并标定；
所述温度误差模型为：
Figure BDA0003321887600000043
其中F(t)为序号t时刻温度漂移，a0、a1、a2、a3为待标定系数。
第三方面提供一种光纤陀螺，包括所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿系统。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明在不改变硬件的情况下，假设光纤环是受外部环境变化而形成的温度梯度场，通过对陀螺热分析可得到温度延迟项和梯度延时项，进一步根据最小二乘法拟合模型参数的方法，建立起光纤陀螺温度漂移补偿模型，实现在不增加成本的前提下进一步优化补偿模型。
(2)本发明通过对陀螺热分析得到从光纤环到壳体温度传感器的时间延时，进而建立温度误差补偿模型，解决了温度测量延时的问题，在不增加硬件成本的前提下，优化了补偿模型，提高了补偿模型的准确性。
附图说明
图1是基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿流程示意图；
图2光纤陀螺敏感轴方向示意图。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
提供一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，结合图1，包括如下步骤：
步骤一：将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0。
在光纤陀螺的表面设置温度传感器，把所述光纤陀螺放入温箱中，并使光纤陀螺敏感轴与东向之间夹角为0，结合图2，以保证光纤陀螺的输入角速度为0，使得光纤陀螺输出即为温度漂移误差。
光纤陀螺为整体结构，其内部无法设置传感器，因此采集的为表面温度。在该实施例中，不设置转台，光纤陀螺相对于磁场的角度未发生改变。此时光纤陀螺的输出为温度漂移。
步骤二：控制温箱的温度线性变化，每隔特定时长采集所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值。
温箱的温度变化范围为光纤陀螺的工作温度范围，设置试验总时长，设置温度变化方式为温度匀速变化。陀螺采样频率为MHz，M值可设置。
在一个实施例中所述光纤陀螺的工作温度为-10～60℃，温度匀速上升，升温时间为8个小时。设置温箱温度-10℃，充分保温后陀螺温度降至环境温度-10℃后，启动陀螺，实时采集采样点陀螺输出信息，记陀螺输出值为ui,(i＝1,2，…)。采集所述光纤陀螺输出的同时，采集所述光纤陀螺壳体的温度，温度采集的输出值为Tj,(j＝1,2，…)
步骤三，通过对陀螺结构进行热分析，即可知陀螺的温度延迟时间为τ。
陀螺壳体为相对规则结构，假设为温度均匀，内部温度变化由外部环境变化导致；对所述光纤陀螺进行三维建模；假定所述光纤陀螺内部为均匀稳定的流场，根据热传递定律，由壳体处的温度变化率，建立温度梯度场，基于温度梯度场计算由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ。
由于光纤陀螺内部的光纤环与表面的温度变化存在延时。在实际补偿计算中以光纤陀螺表面的温度作为输出，计算的误差值并不准确。本发明在不增加硬件成本的前提下，加入了时延项，优化了补偿模型，提高了补偿模型的准确性。
步骤四:对陀螺输出值ui和温度采集输出值为Tj做平滑计算,根据采样频率、实际工况和对陀螺热分析得到的温度延迟时间取平滑计算时间为nτ,(n＝1,2,3…),计算平滑滤波后的光纤陀螺的输出值
Figure BDA0003321887600000061
平滑滤波后的所述光纤陀螺表面的温度值
Figure BDA0003321887600000062
Figure BDA0003321887600000063
Figure BDA0003321887600000064
其中，M为采样频率，t为平滑滤波后时间序列的序号，ui为第i个采样点的光纤陀螺的输出值；Tj为第j个采样点的温度值。
步骤五:计算时间序列点的温度变化率
Figure BDA0003321887600000065
通过差分的方法，计算采样点的温度变化率：
Figure BDA0003321887600000066
步骤六：建立温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000067
的温度误差模型，并标定。
已知陀螺的温度延迟时间为τ，引入温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000071
建立温度误差补偿模型，通过最小二乘拟合，可得到各项参数。
Figure BDA0003321887600000072
F(t)为t时刻温度漂移，T(t-τ)为t-τ时刻温度，
Figure BDA0003321887600000073
为t-τ时刻温度变化率。采用最小二乘法拟合获得a0、a1、a2、a3。
步骤七：实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
标定后的温度误差模型计算误差加载在光纤陀螺的内部，对光纤陀螺的输出进行补偿，提高光纤陀螺的输出精度。
本发明第二方面提供一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿系统，内置基于温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000074
的温度误差模型；实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿；
所述温度误差模型的构建包括：
(1)将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0。
(2)控制温箱的温度线性变化，每隔特定时长采集所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值。
(3)假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对所述光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ。
(4)对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波。
(5)计算时间序列点的温度变化率
Figure BDA0003321887600000081
(6)建立温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure BDA0003321887600000082
的温度误差模型，并标定。
所述温度误差模型为：
Figure BDA0003321887600000083
其中F(t)为序号t时刻温度漂移，a0、a1、a2、a3为待标定系数。
第三方面提供一种光纤陀螺，包括所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿系统。
综上所述，本发明涉及一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺、温度漂移补偿方法及系统，将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0；假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ；对采集的光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波；计算时间序列点的温度变化率；建立温度延时项和梯度延时项的温度误差模型，并标定；实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。本发明解决了温度测量延时的问题，在不增加硬件成本的前提下，优化了补偿模型，提高了补偿模型的准确性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，包括：
将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0；
控制温箱的温度线性变化，每隔特定时长采集所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值；
假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对所述光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ；
对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波；
计算时间序列点的温度变化率
Figure FDA0003321887590000011
建立温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure FDA0003321887590000012
的温度误差模型，并标定；
实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0，包括：
在光纤陀螺的表面设置温度传感器，把所述光纤陀螺放入温箱中，所述光纤陀螺敏感轴与东向之间夹角为0，使得光纤陀螺输出即为温度漂移误差。
3.根据权利要求1或2所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，控制温箱的温度线性变化，包括：设置温箱的温度变化范围为所述光纤陀螺的工作温度范围，设置温度变化时长，设置温度变化方式为温度匀速变化。
4.根据权利要求1或2所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，对所述光纤陀螺的结构进行热分析包括：
对所述光纤陀螺进行三维建模；假定所述光纤陀螺内部为均匀稳定的流场且内部环境温度变化是由外部环境温度变化引起，根据热传递定律，建立温度梯度场，基于温度梯度场计算由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ。
5.根据权利要求1或2所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波，包括：
取平滑计算时间为nτ,(n＝1,2,3…)，计算平滑滤波后的光纤陀螺的输出值
Figure FDA0003321887590000021
Figure FDA0003321887590000022
其中，M为采样频率，t为平滑滤波后时间序列的序号，ui为第i个采样点的光纤陀螺的输出值；计算平滑滤波后的所述光纤陀螺表面的温度值
Figure FDA0003321887590000023
Figure FDA0003321887590000024
其中Tj为第j个采样点的温度值。
6.根据权利要求1或2所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，计算时间序列点的温度变化率
Figure FDA0003321887590000025
包括：
Figure FDA0003321887590000026
7.根据权利要求1或2所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，所述温度误差模型为：
Figure FDA0003321887590000031
其中F(t)为序号t时刻温度漂移，a0、a1、a2、a3为待标定系数。
8.根据权利要求7所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，标定包括：计算序号t时刻对应的温度
Figure FDA0003321887590000032
计算对应的温度漂移误差为F(t)；；
采用最小二乘法拟合获得a0、a1、a2、a3。
9.一种基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿系统，其特征在于，内置基于温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure FDA0003321887590000033
的温度误差模型；实时采集光纤陀螺表面的温度，输入标定后的所述温度误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿；
所述温度误差模型的构建包括：
将光纤陀螺水平安装在带温箱的转台上，调整所述光纤陀螺使其输入角速度为0；
控制温箱的温度线性变化，每隔特定时长采集所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值；
假设光纤陀螺内部为均匀温度梯度场，对所述光纤陀螺的结构进行热分析，确定由光纤陀螺表面到达温度K至光纤环达到温度K的延迟时间τ；
对采集的所述光纤陀螺表面的温度值以及所述光纤陀螺的输出值分别进行平滑滤波，计算时间序列点的温度变化率
Figure FDA0003321887590000034
建立温度延时项T(t-τ)和梯度延时项
Figure FDA0003321887590000035
的温度误差模型，并标定；
所述温度误差模型为：
Figure FDA0003321887590000041
其中F(t)为序号t时刻温度漂移，a0、a1、a2、a3为待标定系数。
10.一种光纤陀螺，其特征在于，包括权利要求9所述的基于温度迟滞模型的光纤陀螺温度漂移补偿系统。
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