CN113865619B - 一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，通过在光纤环内外设置温度采集点，对温度采集点进行实时采集，得到温度数据；建立相应温度权重模型，并对模型中的权重进行设置；剔出故障温度点及温度信息并实时调整温度权重模型参数；最后将补偿参考温度点设置在光纤陀螺工作温度范围外，计算补偿系数，根据补偿系数对光纤陀螺各个温度点的输出进行补偿，同时计算解调值和输出各个温度的输出值。本发明有效的提高高精度光纤陀螺全温零偏稳定性，并减少或消除高精度光纤陀螺升温和降温过程中输出曲线不一致的情况。经过测试本发明同时减少或消除高精度光纤陀螺全温标度测试时升温和降温过程输出曲线不一致以及输出迟滞的问题。

Description

一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺性能改善领域，尤其是一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法。
背景技术
高精度光纤陀螺是一种无转动部件、全固态的高精度角速率传感器，具有体积小、精度高、全固态、使用寿命长、动态范围大等优点。基于高精度光纤陀螺的捷联式惯性导航系统已被广泛应用于航天航空、舰艇导航等领域。
高精度光纤陀螺全温零偏稳定性是高精度光纤陀螺应用的一个重要技术指标，直接决定了高精度光纤陀螺的环境适应性。对现有高精度光纤陀螺进行温度试验：温循范围-10℃--65℃，-10℃保温3小时；变化速率0.5℃/min，升至65℃，保温5小时；速率0.5℃/min降至-10℃。试验结果为：高精度光纤陀螺零偏在20℃时有明显台阶出现，大小约为0.01°/h。图1为高精度光纤陀螺全温零偏跳台阶示意图；图2为高精度光纤陀螺的温度激励示意图。
从试验结果可以看出高精度光纤陀螺的零偏在20℃上下有明显台阶出现，大小约为0.01°/h，现在高精度光纤陀螺的全温零偏稳定性要求为0.001°/h，0.01°/h的定温极差严重影响了陀螺的全温零偏稳定性，导致陀螺全温零偏稳定性指标超差，不能满足任务要求，严重制约了高精度陀螺的工程化应用，是高精度光纤陀螺工程应用中必须要解决的问题。
同时，由于高精度光纤陀螺光纤环圈的几何尺寸、光源的平均波长也会随温度发生变化，从而导致高精度光纤陀螺的标度因数发生变化。但是从机理上消除温度带来的标度因数变化难度大、成本高。采用温度补偿技术是一种有效提升高精度光纤陀螺标度因数性能的方法。根据建立的高精度光纤陀螺标度因数与温度的模型，采集高精度光纤陀螺的实时温度后对其输出进行补偿，从而达到改善高精度光纤陀螺标度因数性能的目的。具体为：将高精度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30°/s单向旋转。图3所示为试验用温箱设置曲线。对高精度光纤陀螺速率信号输出、光纤环圈温度进行实时采集。
现有高精度光纤陀螺的标度因数补偿是以温度20℃时的输出为基准，各个温度点的输出和20℃时的输出作比较，得到一个乘法系数(21位的数据)。陀螺各个温度点的解调值乘以温度系数作为陀螺输出，以此来实现高精度光纤陀螺的标度因数补偿。寄存器位数变化如图5所示。在现有补偿算法中，大于20℃的系数为21h1000**，等于20℃的系数为21h100000，小于20℃的系数为21h0fff**。陀螺各个温度点的解调值乘以温度系数(21位)右移16位作为陀螺输出。当温度小于20℃时，解调值乘以21h1000**，再右移16位的值等于解调值乘以21h100000，即等于20℃时的零偏值，标度补偿对零偏没有影响。当温度大于20时，解调值乘以21h0fff**，再右移16位的值不等于解调值乘以21h100000(20℃时的零偏值)。输出数据右移16位，等于舍去了16位有效数据，这就产生了精度误差，这个误差就是造成高精度光纤陀螺在20℃上下有定温极差出现的根本原因，同时现有技术无法解决此问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，能够减少或消除高精度光纤陀螺全温标度测试时升温和降温过程输出曲线不一致以及输出迟滞的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤1、在光纤环内外设置温度采集点，对温度采集点进行实时采集，得到各个采集点的温度数据；
步骤2、建立温度权重模型，并根据步骤1的各种温度数据对建立的温度权重模型的权重进行设置；
步骤3、通过均值比较法、数字排序比较法或滑动滤波比较法剔除故障温度点及温度信息并实时调整温度权重模型参数；
步骤4、将补偿参考温度点设置在光纤陀螺工作温度范围外，并计算补偿系数，根据补偿系数对光纤陀螺各个温度点的输出进行补偿，并计算解调值和输出各个温度的输出值。
而且，所述步骤1的具体实现方法为：在光纤环内外对称的位置设置若干温度采集点，各个相邻传感器的角度差相同，同时对设置的若干温度采集点进行温度实时采集，获得实时光纤环内径温度，光纤环外径温度，光纤环内径和外径的温度差和温度梯度。
而且，所述步骤2中建立的温度权重模型为：
Figure BDA0003285125640000021
其中，T为光纤环圈的内径实时温度，ΔT为光纤环内径和光纤环外径温度差，ΔTT为温度梯度，Q1、Q2和Q3为温度权重，在陀螺刚启动，环圈内外径温度差大，可提高Q2和Q3权重，降低Q1权重，随着陀螺温度环境平衡，逐步降低Q2和Q3权重，提高Q1权重。
而且，所述步骤4中的解调值的计算方法为：补偿系数右移16位的值除以21h100000。
而且，所述4中输出各个温度的输出值的计算方法为：解调值与对应温度相乘得到当前温度的输出值。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过在光纤环内外设置温度采集点，对温度采集点进行实时采集，得到各个采集点的温度数据；建立相应温度权重模型，并对模型中的权重进行设置；剔出故障温度点及温度信息并实时调整温度权重模型参数；最后将补偿参考温度点设置在光纤陀螺工作温度范围外，并计算补偿系数，根据补偿系数对光纤陀螺各个温度点的输出进行补偿，并计算解调值和输出各个温度的输出值。本发明可以有效的提高高精度光纤陀螺全温零偏稳定性，并可以减少或消除高精度光纤陀螺升温和降温过程中输出曲线不一致的情况。经过测试本发明同时可以减少或消除高精度光纤陀螺全温标度测试时升温和降温过程输出曲线不一致以及输出迟滞的问题。
附图说明
图1为本发明高精度光纤陀螺标度因数补偿寄存器位数变化示意图；
图2为本发明标度补偿改进后高精度光纤陀螺全温零偏示意图；
图3改进前陀螺全温标度测试时输入输出曲线图；
图4为本发明改进后陀螺全温标度测试时输入输出曲线图；
图5为高精度光纤陀螺全温零偏跳台阶示意图；
图6为高精度光纤陀螺全温零偏温度激励示意图；
图7为高精度光纤陀螺标度因数建模测试温度激励示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在光纤环内外设置温度采集点，对温度采集点进行实时采集，得到各个采集点的温度数据。
高精度光纤陀螺光纤环具有尺寸大，容易受环境温度影响，光纤环本身内、外径所处温度场及温度传导过程均不相同。因此针对高精度光纤陀螺，在光纤环内外对称的位置设置若干温度采集点，各个相邻传感器的角度差相同，同时对设置的若干温度采集点进行温度实时采集，获得实时光纤环内径温度，光纤环外径温度，光纤环内径和外径的温度差和温度梯度等温度权重数据。
步骤2、建立温度权重模型，并根据步骤1的各种温度数据对建立的温度权重模型的权重进行设置。
Figure BDA0003285125640000031
其中，T为光纤环圈内径的实时温度，ΔT为光纤环内径和光纤环外径温度差，ΔTT为温度梯度，Q1、Q2和Q3为温度权重，在陀螺刚启动，环圈内外径温度差大，可提高Q2和Q3权重，降低Q1权重，随着陀螺温度环境平衡，逐步降低Q2和Q3权重，提高Q1权重。本模型基于步骤1的各种温度数据，按照不同权重建立补偿模型。与传统高精度光纤陀螺单点测温，根据温度信息进行多系数补偿的方法相比，具有补偿效果好、智能化、可靠性高等优点。温度权重模型可按照(但不限于)温度信息、内外温度差信息、温度梯度信息并根据陀螺启动时间信息建立，并分配不同的权重，
步骤3、基于步骤1的多点检测手段，可实时判断各检测点温度信息是否可靠，通过均值比较法、数字排序比较法或滑动滤波比较法等剔出故障温度点及温度信息并实时调整温度权重模型参数，使得陀螺输出不因为温度信息错误而出现补偿后输出故障。
步骤4、将补偿参考温度点设置在光纤陀螺工作温度范围外，并计算补偿系数，根据补偿系数对光纤陀螺各个温度点的输出进行补偿，并计算解调值和输出各个温度的输出值。
本步骤的具体实现方法为：为了消除标度补偿引入的精度误差，可以把标度补偿温度基准选在-40℃，那么在-10℃--65℃(高精度光纤陀螺工作某典型环境)范围内，进行标度因数补偿时，补偿系数都为21h1000**，将补偿系数再右移16位的值等于解调值乘以21h100000，各个温度点的补偿系数都相同，不会影响陀螺零偏值。通过解调值和输出各个温度相乘得到光纤陀螺对应温度的输出值。
如图1所示，光纤陀螺补偿算法示意图。通过算法系数补偿，陀螺输出可以消除标度补偿引入的精度误差。
如图2所示，陀螺输出示意图。通过试验可以发现高精度光纤陀螺的定温极差由0.01°/h可以提高到0.001°/h，陀螺的全温零偏稳定性也达到了小于0.001°/h，全温标度迟滞显现也得到了消除。
如图3和图4所示，由于光纤环采用多点、内外径实时监测的温度采集方式，使得在旋转标度建模时精确的补偿了升温和降温过程标度曲线，能够及时消除温标度测试时升温和降温过程输出曲线不一致以及输出迟滞显现。
下面按照本发明的方法进行实际测试以验证本发明的计算效果。
步骤1、在光纤环内外设置4个温度采集点(含但不限于4点)，采用12点钟位置，3点钟位置，6点钟位置，9点钟位置分布，对温度采集点进行实时采集，得到各个采集点的温度数据；
步骤2、建立温度权重模型，并根据步骤1的各种温度数据对建立的温度权重模型的权重进行设置；
步骤3、通过均值比较法、数字排序比较法或滑动滤波比较法剔除故障温度点及温度信息并实时调整温度权重模型参数；
步骤4、将补偿参考温度点选在-40℃，以-40℃的光纤陀螺输出作为基准，各个温度点的光纤陀螺输出和基准进行比较，通过改进后的算法得到21位的补偿系数。各个温度点的陀螺输出和补偿系数进行补偿后，截取其中的32位数据作为当前温度下的陀螺输出。
对改进后的高精度光纤陀螺进行全温零偏、全温标度试验。通过试验可以发现高精度光纤陀螺的定温极差由0.01°/h可以提高到0.001°/h，陀螺的全温零偏稳定性也达到了小于0.001°/h，全温标度迟滞显现也得到了消除。有效提高了高精度光纤陀螺的环境适应性，可以满足船用设备对高精度光纤陀螺的需求。
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 (4)

1.一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在光纤环内外设置温度采集点，对温度采集点进行实时采集，得到各个采集点的温度数据；
步骤2、建立温度权重模型，并根据步骤1的各种温度数据对建立的温度权重模型的权重进行设置；
温度权重模型为：
Figure QLYQS_1
，
其中，T光纤环圈内径的实时温度，
Figure QLYQS_4
为光纤环内径和光纤环外径温度差，/>
Figure QLYQS_7
为温度梯度，/>
Figure QLYQS_10
、/>
Figure QLYQS_3
和/>
Figure QLYQS_5
为温度权重，在陀螺刚启动，环圈内外径温度差大，可提高/>
Figure QLYQS_8
和
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权重，降低/>
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权重，随着陀螺温度环境平衡，逐步降低/>
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权重，提高/>
Figure QLYQS_12
权重；
步骤3、通过均值比较法、数字排序比较法或滑动滤波比较法剔除故障温度点及温度信息并实时调整温度权重模型参数；
步骤4、将补偿参考温度点设置在光纤陀螺工作温度范围外，并计算补偿系数，根据补偿系数对光纤陀螺各个温度点的输出进行补偿，并计算解调值和输出各个温度的输出值。
2.根据权利要求1所述的一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：在光纤环内外对称的位置设置若干温度采集点，各个相邻传感器的角度差相同，同时对设置的若干温度采集点进行温度实时采集，获得实时光纤环内径温度，光纤环外径温度，光纤环内径和外径的温度差和温度梯度。
3.根据权利要求1所述的一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，其特征在于：所述步骤4中的解调值的计算方法为：补偿系数右移16位的值除以21h100000。
4.根据权利要求1所述的一种改善高精度光纤陀螺全温零偏稳定性的方法，其特征在于：所述步骤4中输出各个温度的输出值的计算方法为：解调值与对应温度相乘得到当前温度的输出值。
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