光纤陀螺温度漂移误差的建模与补偿综述

结合近年来国内外的科研成果,介绍了光纤陀螺温度效应机理,综述了温度漂移误差的建模与补偿方法,并着重介绍了软件建模补偿的进展状况.当前,软件建模补偿的方法得到了广泛的应用,对于中低精度光纤陀螺,补偿后的精度普遍能够达到使用要求;对于中高精度光纤陀螺,也能够做到有条件的适用,但是距离实际应用还有待于进一步的提高.最后,结合自己对于中高精度光纤陀螺温度补偿的工作情况,针对温度试验的设计、软件建模的方法等提出了几点看法.     

基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法

传统光纤陀螺温度误差采用单一模型进行建模与补偿,存在模型适配性较差的问题。考虑到光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异,为提高光纤陀螺温度误差补偿精度,提出了基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法。设计了-15⁵0℃区间内温度实验,在大量实测数据分析基础上,将陀螺温度特性按照低、中、高三个温度区间,分别建立三种不同阶次的温度误差模型。采用分段拟合的方法进行误差建模,并利用所建模型对光纤陀螺进行了温度误差补偿。实测数据表明,提出方法能够有效改善光纤陀螺的温度漂移,补偿后漂移标准差减少66.67%。     

基于模糊逻辑的光纤陀螺温度补偿技术

为了消除温度效应并提高陀螺精度,将模糊逻辑应用于光纤陀螺的温度漂移模型的辨识和自补偿中方案中。在模糊逻辑理论的框架下,根据光纤陀螺系统的模糊信息,建立模糊规则,进行模糊推理,实现对陀螺输出的近似辨识。此方法对其他没有温度相似性的陀螺也适用。在实际验证实验中,针对不同的陀螺,通过预先实验建立各自的规则表,然后进行实时补偿,在全温度范围内陀螺的零偏稳定性从0.3647(o)/h减小到0.0868(o)/h,陀螺预热时间缩短到30s以内。目前,在陀螺工艺条件还不够稳定的状态下,此方案是实用和可行的。     

一种光纤陀螺温度误差分段补偿新方法（英文）

分析了光纤陀螺的温度特性,设计了大范围的温度测试,研究了不同温度和温度变化率对光纤陀螺输出的影响,研究了光纤陀螺在不同温度范围内的温度特性。为了提高温度误差补偿精度,根据陀螺温度特性将温度分为低、中、高三个区间,分别利用人工神经网络进行误差建模,提出了一种多模型分段拟合的新方法。根据建立的模型进行温度误差补偿,补偿结果表明,建立的模型能有效地减小了光纤陀螺的温度漂移,精度提高了一个量级。     

优化BP神经网络的光纤陀螺温度漂移建模与补偿

光纤陀螺(FOG)温度漂移误差是影响其输出精度的主要误差源之一。针对基于传统BP神经网络FOG温度误差补偿方案适用性较差的问题,提出了优化预测数据的BP神经网络补偿算法,利用最优线性平滑技术以及滑动平均技术对神经网络待补偿数据进行预处理,可以有效减小FOG输出白噪声对温度漂移网络模型补偿精度的干扰,优化神经网络模型的补偿效果。使用FOG温度漂移实测数据对所提出的优化算法进行验证,结果表明利用本文提出的两种建模及补偿方案进行补偿后的FOG温度漂移数据标准差相比传统BP神经网络补偿方法减少50%以上。     

基于双模型的光纤陀螺温度补偿方法（英文）

基于Sagnac效应的光纤陀螺(FOG),因其自身的优点广泛地应用在捷联惯性导航系统中(SINS)。然而,温度对FOG的影响包括常值影响和随机影响,仍是制约光纤陀螺性能的关键因素之一。针对不同性质的漂移,首先建立基于相关性分析的多项式模型补偿常值漂移;然后结合时间序列分析的方法,利用Kalman滤波抑制经多项式模型补偿后残差信号中的随机成分,进一步提高FOG的精度。单轴光纤陀螺试验结果表明,传统的单多项式补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h仅提高到0.04(°)/h;采用常值和随机的双补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h提高到了0.01(°)/h。证明了双温度建模与补偿方法的有效性,在工程上有一定的参考价值。     

光纤陀螺温度漂移多变量模型研究

—温度漂移大是光纤陀螺进入工程应用所面临的最大难题之一。本文采用软件手段，通过对光纤陀螺温度漂移测试数据的分析，建立了光纤陀螺温度漂移的多变量自回归数学模型。此数学模型于实际情况具有很好的吻合性，不仅具有理论意义且具有实用价值，为解决光纤陀螺的温度漂移奠定了基础。     

光纤陀螺随机漂移补偿中的数据融合方法（英文）

为提高光电平台的控制性能和稳定性,以平台反馈回路所用的光纤陀螺传感器为研究对象,对光纤陀螺角速率的历史输出、当前量测以及随机漂移进行融合补偿。采用双自回归模型确定了光纤陀螺时间序列输出的自回归多项式和光纤陀螺随机漂移的自回归关系。以陀螺当前输出为量测量,结合卡尔曼滤波算法将陀螺历史输出和历史随机漂移融合进状态方程,并进行随机漂移在线估计补偿。实验结果表明,光纤陀螺随机漂移的AR模型能达到90%拟合效果,经卡尔曼滤波补偿后随机漂移能降到1/10。该方法能很好地抑制光电平台三个框架轴光纤陀螺的随机漂移,补偿率为80%~90%。     

光纤陀螺敏感线圈的温度漂移特性与绕圈技术研究

敏感线圈的热非互易性是引起光纤陀螺温度漂移的重要因素之一，因而人们多采用四极对称技术（ＱＡＤ）绕制光纤线圈。本文结合光纤陀螺研制中的实际状态，对Ｍｏｈｒ温度模型进行了修正和推广，研究了非理想ＱＡＤ环圈结构的温度漂移特性。这对于光纤陀螺及其环圈的优化设计具有指导意义。     

BP-Bagging模型在光纤陀螺温度补偿中的应用

为了消除光纤陀螺的温度效应并提高陀螺的精度,BP神经网络模型广泛的应用在光纤陀螺的零偏温度漂移辨识和补偿中。然而,单神经网络模型的泛化能力差,影响模型的预测结果。结合神经网络集成学习的思想,利用Bagging集成技术产生差异大、预测能力强的个体网络,提升模型的预测能力。建立光纤陀螺零偏温度的BP-Bagging模型,将其应用在温度补偿中。通过对某型光纤陀螺的零偏漂移数据进行仿真,结果表明:BP-Bagging模型相比线性回归模型、单BP神经网络模型的补偿效果更显著,有效改善了陀螺的零偏稳定性能。     

激光陀螺漂移数据建模及分析

根据激光陀螺漂移数据中存在的多种噪声及其特点，针对激光陀螺漂移数据建模问题，比较了几种建模方法，认为DDS法有较好的实用性，并利用该方法对激光陀螺漂移数据进行了建模，得出了实测的激光陀螺漂移数据的模型。采用了多种检验方法对所建模型进行了检验。检验结果表明，用DDS法对激光陀螺漂移数据建模是合适的。     

基于扫频振动环境的燃气陀螺仪动态漂移控制技术

燃气陀螺仪是一种依靠火药燃气驱动的陀螺本体为机械框架式结构的惯性陀螺仪,它能够准确地测出弹体在飞行过程中随时间变化的姿态角,是弹体控制回路中的关键测量部件,其在不同振动环境中的漂移控制技术对制导武器弹体姿态的准确测量非常重要。本文利用欧拉方法,推导了陀螺仪的测量原理和漂移产生机理,分析了摩擦力矩、不平衡力矩,以及弹体环境施加的外力矩对陀螺漂移度的影响,并设计燃气陀螺仪的扫频振动试验找到陀螺对外加力矩的敏感频率。试验结果表明,在敏感频率400～800Hz范围内,通过改善弹体安装环境,可将陀螺仪漂移从大于3°减少至0.5°范围内。该方案具有较高的工程实用价值。     

陀螺零偏二次模型参数的系统级辨识算法

以单轴旋转光学捷联惯性导航系统为原型,假设水平陀螺常值漂移的影响得以完全调制,方位陀螺漂移为随时间变化的二次模型,在水平阻尼工作模式下推导了系统位置误差与方位陀螺漂移之间严格的数学关系。分别设置了方位陀螺漂移仅有常值项、一次项、二次项和全系数误差的误差模型,利用递推最小二乘算法成功辨识出设定的二次模型中各个参数值。仿真结果表明,常值项首先被辨识出来,估计时间约为14 h,估计误差为6.54e-6(°)/h;一次项系数估计时间约为30 h,估计误差为2.73e-8(°)/h;二次项系数估计时间约为42 h,估计误差为1.51e-9(°)/h;全系数估计需要45 h,估计误差为7.28e-6(°)/h。辨识结果验证了该算法的正确性。实际系统中,可适当增加总的辨识估计时间,以达到更高精度的辨识结果。     

在飞航导弹中用星敏感器修正捷联惯导陀螺漂移

星敏感器是一种高精度的姿态测量装置。研究了星敏感器和陀螺的特点,对星敏感器工作原理和修正陀螺漂移技术进行了原理分析。在不利用外界提供的姿态和位置信息的情况下,采用卡尔曼滤波的信息融合算法,建立组合导航系统的状态方程和量测方程,利用星敏感器输出的载体相对于惯性空间的姿态信息来修正捷联惯导的陀螺漂移。设计飞航导弹的典型飞行轨迹,通过数学仿真,对上述算法的有效性进行了验证,结果表明星敏感器能够有效地补偿捷联惯导由于陀螺漂移带来的误差,明显提高了导航定位精度。     

基于小波包阈值处理的光纤陀螺信号降噪

在小波变换对陀螺信号处理的基础上提出了用三层小波包消减阈值算法,处理陀螺仪的状态信号,小波包分解得到各个节点的分解系数。通过消减算法使得信号中大于阈值的瞬态高频部分置零,对消减阈值处理后的节点进行重构以消除信号中的噪声和周期分量。软阈值函数通过小波包分解的节点系数均值和方差来构建。仿真实验与已取得很好效果的强制降噪的重构信号和相应的功率谱进行比较,结果表明小波包软阈值降噪比强制降噪在随机漂移补偿上提高了13.1%,零偏改善了0.0526(°)/h。     

温度对四频差动激光陀螺零偏的影响机理

讨论了四频差动激光陀螺温变零偏的产生机理,分析了四频差动激光陀螺工作时的热源及其对陀螺在不同工作阶段的影响,实验证明了温度变化时和频和差频的强烈相关性;通过实验分析了陀螺各部分温度变化对和频和零偏的影响,研究了水晶片在温度变化时的物理性质变化,并定量计算了由其产生的广义法拉第偏频、顺逆时针偏振光差损和左右旋偏振光差损的变化对温变零偏的影响大小,结果表明:顺逆时针偏振光差损和左右旋偏振光差损对和频、差频的不同作用机理使得和频与差频的相关性变差,导致采用以和频为基准对陀螺差频进行补偿的方法具有一定的局限性,从而提出了提高以和频为基准的温补精度的措施。     

恒速偏频激光陀螺系统静基座初始对准中等效东向陀螺漂移估计

以单轴恒速偏频激光陀螺系统为研究对象,在分析IMU传感器误差的基础上,建立了合理有效的静基座初始对准滤波器模型。针对系统连续旋转运行的特性,提出了简洁适用的滤波器估计误差检验方法,利用自主设计的原理样机验证了恒速偏频技术的实际可行性,对滤波算法进行了实验测试。实验结果表明,初始对准滤波算法能够稳定有效地估计IMU传感器误差,且等效东陀螺漂移估计精度优于0.0004(°)/h,该系统具有很高的工程应用潜力。     

大载荷下线振动微机械陀螺谐振频率漂移特性

线振动 MEMS 陀螺在大载荷条件下,驱动轴与检测轴的谐振频率会发生漂移,频差随载荷变大.这类型振动陀螺为了提高灵敏度往往将两个振动轴的谐振频率设计得尽量靠近,但当角速率载荷较大时,两个振动轴的谐振频率将发生分裂漂移,彼此互相远离.漂移量与向心加速度无关,近似与角速率载荷的平方成正比,且两轴的谐振频率越靠近漂移越剧烈.考虑到 Coriolis 效应的弹簧质量块二维振动数学模型可定量描述该现象,表明此现象为线振动陀螺 Coriolis 效应的一部分.理论分析、仿真研究和实验数据的不同角度对这种频率漂移特性的分析结果吻合良好,为进一步结构优化奠定了理论基础.     

用于改善光纤陀螺全温标度因数变化的环圈制作工艺

全温标度因数变化大小直接影响光纤陀螺的应用效果。随着中高精度光纤陀螺在复杂工况下的广泛应用,对陀螺标度因数变化的要求也在不断提高。光纤长度和光纤环平均直径在全温范围内的变化量是全温标度因数变化最大的影响因素。本文介绍了控制该变化量的常规方式,并提出通过不同排纤方式和不同光纤环窗口比的方法来进一步减小这种变化量的方法。通过仿真和试验证实:某型中等精度光纤环在不同制作工艺条件下全温标度因数变化量有将近300×10~(-6)的差值。