CN113865577A - 一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统 - Google Patents

一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统，将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间；在每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定；实时检测光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的交联耦合误差模型计算误差并补偿。本发明的分段补偿方法及系统，可以解决传统光纤陀螺磁温交联耦合误差采用单一模型进行建模和补偿适配性较差的问题，对不同分段区间建立不同阶次的误差模型，提高光纤陀螺温度误差补偿精度。采用该方法补充的光纤陀螺的温度稳定性更高，精度更高。

Description

一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统。
背景技术
光纤陀螺的作用是测量绕其安装轴输入的角速度，进而推算出载体转动的角度以及实时的姿态角。光纤陀螺用于转角测量的优势在于，光纤陀螺无需外部参考坐标和定位，可以实现自助式测角，同时无需保证输入轴和被测转轴的同轴度，故安装对准方便。启动速度快，可适应不同的测角环境。因此高精度的转角测量装置可以考虑运用光纤陀螺作为惯性传感器。
引起高精度测角误差的一个重要因素就是光纤陀螺的零偏指标。陀螺的温度敏感性和磁敏感性是影响零位稳定性的重要因素。在磁场和温度的作用下，会产生磁光法拉双折射和热应力双折射，从而引起陀螺零偏的变化。为了降低光纤陀螺零偏对测角系统的影响，需要对高精度光纤陀螺零位误差的磁温特性进行研究。
现有的补偿方式主要采用单一模型进行建模，根据误差模型对光纤陀螺磁温交联耦合误差进行二维补偿。没有考虑光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异，这就存在模型适配性较差的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统，对不同分段区间建立不同阶次的误差模型，提高了光纤陀螺温度误差补偿精度。
为达到上述目的，本发明提供了一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，包括：
将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间；
在每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；
将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定；
实时检测光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的标定后的所述交联耦合误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
进一步地，工作温度范围划分为多个温度区间为：每20℃一个温度区间。
进一步地，所述交联耦合误差模型为：
Y＝δB·δT·δθ
其中
Figure BDA0003322417870000021
其中Y为非互易误差，δB,δT,δθ分别磁场误差项，温度误差项和主偏角误差项，H为磁场值，b0、b1、b2为磁场项对应的系数，T为温度值，a0、a1、a2、a3为各温度项对应的系数，θ为光纤陀螺主轴偏角，是光纤陀螺主轴与磁场强度方向的夹角，k0、k1、k2为主偏角项对应的系数；b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、k0、k1、k2的值均由回归分析的方法确定。
进一步地，将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定，包括：
(1)将光纤陀螺放置于温度场和磁场内，温度和磁场能够以固定补偿调整；
(2)判断是否全部温度值的调整，如果是则完成测试进入步骤(5)，否则调整温度值；
(3)判断是否完成该温度值下全部磁场范围的调整，如果是则返回步骤(2)，否则，待温度值稳定后调整磁场强度；
(4)待磁场强度稳定后，调整磁场方向，磁场方向扫描范围为0～360°，每转特定度数记录光纤陀螺的输出、对应的温度Tk、磁场强度Hk以及转角θk；返回步骤(3)；
(5)采用记录的数据标定每个温度区间的交联耦合误差模型。
进一步地，温度的调整范围为-20℃～40℃，步长为2℃。
进一步地，磁场范围为0G～10G，步长为1G。
进一步地，磁场的初始方向与光纤陀螺主轴平行，转动角度步长为10°。
第二方面提供一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿系统，内置多个针对不同温度区间的交联耦合误差模型；获取光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的标定后的所述交联耦合误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
进一步地，多个针对不同温度区间的交联耦合误差模型的构建包括：将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间；
每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；
将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定；
所述交联耦合误差模型为：
Y＝δB·δT·δθ
其中
Figure BDA0003322417870000031
其中Y为非互易误差，δB,δT,δθ分别磁场误差项，温度误差项和主偏角误差项，H为磁场值，b0、b1、b2为磁场项对应的系数，T为温度值，a0、a1、a2、a3为各温度项对应的系数，θ为光纤陀螺主轴偏角，是光纤陀螺主轴与磁场强度方向的夹角，k0、k1、k2为主偏角项对应的系数；b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、k0、k1、k2的值均由回归分析的方法确定。
第三方面提供一种光纤陀螺，包括所述的磁温交联耦合误差的分段补偿系统。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提供的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统，可以解决传统光纤陀螺磁温交联耦合误差采用单一模型进行建模和补偿适配性较差的问题，对不同分段区间建立不同阶次的误差模型，提高光纤陀螺温度误差补偿精度。采用该方法补充的光纤陀螺的温度稳定性更高，精度更高。
附图说明
图1是光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法流程示意图；
图2为磁温实验系统组成示意图。
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。
本发明提供一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，结合图1，包括如下步骤：
步骤一：将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间。
在一个实施例中，每20℃一个温度区间。如果光纤陀螺的工作温度范围为-20℃～40℃，则按温度分为-20℃～0℃，0℃～20℃，20℃～40℃三个区间。
步骤二：在每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型。
在一个实施例中采用的交联耦合误差模型为：
Y＝δB·δT·δθ
其中
Figure BDA0003322417870000041
其中Y为非互易误差，δB,δT,δθ分别磁场误差项，温度误差项和主偏角误差项，H为磁场值，b0、b1、b2为磁场项对应的系数，T为温度值，a0、a1、a2、a3为各温度项对应的系数，θ为光纤陀螺主轴偏角，是光纤陀螺主轴与磁场强度方向的夹角，k0、k1、k2为主偏角项对应的系数；b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、k0、k1、k2的值均由回归分析的方法确定。
每个温度区间构建的交联耦合误差模型相同，分别采用每个区间的数据进行标定，获得每个温度区间特有的交联耦合误差模型。
步骤三：将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定。标定过程具体包括：
(1)将光纤陀螺放置于磁温实验系统。
结合图2，系统包含实验平台和亥姆霍兹线圈。所述亥姆霍兹线圈用于产生恒定磁场，所述实验平台设置在磁场内。
所述实验平台设置温箱，内部温度可控。所述光纤陀螺放置于温箱内。
(2)开启温度控制箱，以固定步长(2℃)从起始温度-20℃升至40℃，每次调节结束，待温度保持稳定后进行步骤(3)；如果已经调温至40℃不再继续调温，完成40℃时的测试后，结束实验记录。
(3)开启磁场，磁场方向平行于光纤陀螺的环面，以固定步长(1G)从0G增至10G，每次调节结束，待磁场强度保持稳定后进行步骤(4)；对于每个温度点需要完成0G增至10G，每个磁场强度点，均需要进入步骤(4)进行各个转角的测试。完成10G下各个转角的测试后，返回步骤(2)进行下一温度点的调节。
(4)改变磁场方向，其扫描范围为0～360°。初始方向与光纤陀螺主轴平行，每转10°记录光纤陀螺的输出、对应的温度、磁场强度以及转角，设某个采样点陀螺的零偏为δ(Tk,Hk,θk)，其中Tk为对应温度值，Hk为磁场强度，θk为转角大小。
(5)完成试验后，采用记录的数据标定每个温度区间的交联耦合误差模型。标定后获得了每个温区特有的交联耦合误差模型，分别用于各自温度的误差补偿。
本领域技术人员应理解，磁场、温度以及角度的调节步长可以根据需要设置，磁场、温度以及角度的调节步长不应当理解为对本发明的限制，任何可行的步长调节在本发明的保护范围内。
步骤四：实时检测光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的标定后的所述交联耦合误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。根据温度选择对应交联耦合误差模型的模型，计算误差，提高了计算精度。
另一方面提供一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿系统，内置多个针对不同温度区间的交联耦合误差模型；获取光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的标定后的所述交联耦合误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
多个针对不同温度区间的交联耦合误差模型的构建包括：
(1)将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间。
(2)每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；
(3)将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定。
进一步地，所述交联耦合误差模型为：
Y＝δB·δT·δθ
其中
Figure BDA0003322417870000061
其中Y为非互易误差，δB,δT,δθ分别磁场误差项，温度误差项和主偏角误差项，H为磁场值，b0、b1、b2为磁场项对应的系数，T为温度值，a0、a1、a2、a3为各温度项对应的系数，θ为光纤陀螺主轴偏角，是光纤陀螺主轴与磁场强度方向的夹角，k0、k1、k2为主偏角项对应的系数；b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、k0、k1、k2的值均由回归分析的方法确定。
提供一种光纤陀螺，包括所述的磁温交联耦合误差的分段补偿系统。补偿系统直接实施于光纤陀螺，对其输出进行补偿，以提高其精度。
综上所述，本发明涉及一种光纤陀螺、磁温交联耦合误差的分段补偿方法及系统，将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间；在每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定；实时检测光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的交联耦合误差模型计算误差并补偿。本发明的分段补偿方法及系统，可以解决传统光纤陀螺磁温交联耦合误差采用单一模型进行建模和补偿适配性较差的问题，对不同分段区间建立不同阶次的误差模型，提高光纤陀螺温度误差补偿精度。采用该方法补充的光纤陀螺的温度稳定性更高，精度更高。
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)

1.一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，包括：
将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间；
在每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；
将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定；
实时检测光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的标定后的所述交联耦合误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，工作温度范围划分为多个温度区间为：每20℃一个温度区间。
3.根据权利要求1所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，所述交联耦合误差模型为：
Y＝δB·δT·δθ
其中
Figure FDA0003322417860000011
其中Y为非互易误差，δB,δT,δθ分别磁场误差项，温度误差项和主偏角误差项，H为磁场值，b0、b1、b2为磁场项对应的系数，T为温度值，a0、a1、a2、a3为温度项对应的系数，θ为光纤陀螺主轴偏角，是光纤陀螺主轴与磁场强度方向的夹角，k0、k1、k2为主偏角项对应的系数；b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、k0、k1、k2的值均由回归分析的方法确定。
4.根据权利要求1所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定，包括：
(1)将光纤陀螺放置于温度场和磁场内，温度和磁场能够以固定补偿调整；
(2)判断是否全部温度值的调整，如果是则完成测试进入步骤(5)，否则调整温度值；
(3)判断是否完成该温度值下全部磁场范围的调整，如果是则返回步骤(2)，否则，待温度值稳定后调整磁场强度；
(4)待磁场强度稳定后，调整磁场方向，磁场方向扫描范围为0～360°，每转特定度数记录光纤陀螺的输出、对应的温度Tk、磁场强度Hk以及转角θk；返回步骤(3)；
(5)采用记录的数据标定每个温度区间的交联耦合误差模型。
5.根据权利要求4所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，温度的调整范围为-20℃～40℃，步长为2℃。
6.根据权利要求5所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，磁场范围为0G～10G，步长为1G。
7.根据权利要求6所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿方法，其特征在于，磁场的初始方向与光纤陀螺主轴平行，转动角度步长为10°。
8.一种光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿系统，其特征在于，内置多个针对不同温度区间的交联耦合误差模型；获取光纤陀螺工作温度，基于工作温度所处的温度区间，选择对应的标定后的所述交联耦合误差模型计算误差，并对所述误差进行补偿。
9.根据权利要求8所述的光纤陀螺磁温交联耦合误差的分段补偿系统，其特征在于，多个针对不同温度区间的交联耦合误差模型的构建包括：将光纤陀螺的工作温度范围划分为多个温度区间；
每个温度区间建立基于温度和磁场强度的交联耦合误差模型；
将光纤陀螺放置于变化的温度场和磁场内，改变温度、磁场强度和磁场角度，对每个温度区间的所述交联耦合误差模型进行标定；
所述交联耦合误差模型为：
Y＝δB·δT·δθ
其中
Figure FDA0003322417860000031
其中Y为非互易误差，δB,δT,δθ分别磁场误差项，温度误差项和主偏角误差项，H为磁场值，b0、b1、b2为磁场项对应的系数，T为温度值，a0、a1、a2、a3为温度项对应的系数，θ为光纤陀螺主轴偏角，是光纤陀螺主轴与磁场强度方向的夹角，k0、k1、k2为主偏角项对应的系数；b0、b1、b2、a0、a1、a2、a3、k0、k1、k2的值均由回归分析的方法确定。
10.一种光纤陀螺，其特征在于，包括权利要求8或9所述的磁温交联耦合误差的分段补偿系统。
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