光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法研究

发布时间：2020-11-15 09:47

　　 光纤陀螺仪作为新型捷联惯性系统的核心部件,其光学组件和电学组件普遍具有较为显著的温度依赖性,这使得光纤陀螺仪对环境温度较为敏感,进而导致捷联惯性系统精度显著降低。因此,提高光纤陀螺仪对外部以及自身环境温度的适应性,进而保证捷联惯导系统实际精度,研究光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法具有重要意义。论文以船用光纤惯性导航系统为研究背景,以实验室在研光纤陀螺仪为研究对象,研究一种光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法,保证光纤陀螺仪精准地、实时地、稳定地输出载体角速度,实现提高光纤陀螺仪环境适应性的目的。论文的主要研究工作具体从以下几方面展开:阐述论文的研究背景和研究意义,深入调研并且详细分析光纤陀螺仪、光纤陀螺仪温控技术、光纤陀螺仪温漂误差补偿技术的国内外发展现状,进而确定光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法的总体需求和关键技术,并据此提出温度控制和温漂误差补偿相结合的光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法的总体方案。为提升温度测量的精度,提出基于序列激励控制的精密测温方法。选用铂电阻Pt1000为测温传感器,研究基于阻值比较法的测温电路,消除测温电路中的非线性误差;研究并设计序列激励控制方法,消除测温回路中的热电动势,并有效抑制自热效应;研究并提出AD同步采样方法,消除因激励源和参考源不稳定而导致的AD采样误差;优化设计大温宽下精密测温方法参数;研究基于分段线性拟合的温度校正方法,减小拟合误差并提高计算实时性;根据测温噪声特性,设计低通滤波算法,减小随机干扰对测温精度的影响。然后,利用恒温槽对该精密测温方法开展长时间考核。为解决光纤陀螺仪环境适应性较差的问题,在阐述Smith预估器提升PID温度控制系统控制效能的基础上,提出基于Smith预估器的小温变梯度控制方法。针对Smith预估器存在控制效能降低的情况,通过仿真分析Smith预估器与温控箱参数不匹配对系统控制效能的影响,从数字控制系统的采样信号特性出发,设计可精确估计温控箱参数的离散近似估计模型为Smith预估器参数更新提供参考。根据温控箱内部温度样本精确辨识温控箱参数并建立离散近似估计模型,进而实时更新Smith预估器参数,及时调节温度控制量以实现温控箱内部温度小温变梯度变化,最终精确地、平稳地稳定于目标温度。最后,设计温度升降实验,根据实验结果从动态特性和稳态特性两方面对DA模型和Fuzzy模型的参数估计性能进行对比分析,并对小温变梯度控制进行性能分析。为解决光纤环存在较强温度依赖性的问题,分析光纤陀螺仪温漂误差的产生机理,探索出影响光纤陀螺仪温漂误差的另一重要因素,即温度复合量。利用温度复合量改造传统型光纤陀螺仪温漂误差估计模型,建立基于温度、温度变化量和温度复合量的改进型光纤陀螺仪温漂误差估计模型。基于温度升降实验,测试实验室在研光纤陀螺仪,根据光纤环温度相关量和光纤陀螺仪温漂误差,利用RBF神经网络建立改进型光纤陀螺仪温漂误差估计模型。然后,设计温度升降实验分别考核传统型光纤陀螺仪温漂误差估计模型和改进光纤陀螺仪温漂误差估计模型,并对其性能进行对比分析。为考核光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法的综合性能,以光纤陀螺仪输出角速度的精准性和稳定性作为考核依据,设计温度升降实验分别对基于温控、基于温补、温控和温补相结合的三种方法进行性能考核,并对其考核结果进行对比分析。考核结果表明,经光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法补偿后,温控箱内部温度变化梯度显著减小至约为原值的60%,PID温度控制系统的超调量基本消除;精密补偿后光纤陀螺仪的输出精度能达到?0.05°/h,精密补偿后的输出均方差较精密补偿前的输出均方差提高约为两个数量级,平均提高到精密补偿前输出均方差的1.932%。基于此,温控和温补相结合的光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法能够有效减小温度变化梯度,提升光纤陀螺仪的环境适应性,确保温控箱内部温度长时间相对稳定,进而提升光纤陀螺仪的精准性和实时性;能够精准地补偿光纤陀螺仪温漂误差漂移,有效地解耦光纤环的温度依赖性,保证光纤陀螺仪精准地、稳定地输出角速度。对于保证惯性导航系统能够在不同工作环境下精确地、稳定可靠地运行来说,光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法具有重要意义。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN96
【部分图文】：

图 2.1 测温电路原理图Fig.2.1 Schematic diagram of temperature measuring circuit，1R 为 Pt1000，2R 为参考电阻，3R 、4R 为分压电阻，5R 、6R 为增益可、9R 和10R 为导线电阻，1V 为铂电阻两端电压，2V 为参考电阻两端电压用于建立激励序列的激励开关。图 2.2 给出了精密测温方法总体方案

为了有效削减 Pt1000 的自热效应对测温准确性的影响，研究并设计序列激励 Pt1000 的实际工作时间以有效抑制 Pt1000 的自发热量，从而提高温度测量精方便于其他外围设备进行实时通讯，设计 RS422 通讯接口实时与各设备的数据。.2 小温变梯度控制方案设计对于具有显著温度依赖性的光纤和环境适应性的光纤陀螺仪来说，光纤环温度温漂误差的大小，同时也决定了其输出准确性。为了准确估计光纤陀螺仪温漂误光纤陀螺仪输出角速度信息的精确性，维持温控箱内部温度缓慢且平稳的变化分必要的。温控箱内部温度缓慢且平稳地变化利于光纤环物理特性的建立，利制干涉信号测量偏差和测量噪声，利于提高光纤陀螺仪的环境适应性。由于 PI术被普遍地应用于温度控制系统中，其控制对象为温控箱，为了提高 PID 控制性温控箱内部温度缓慢且平稳地变化，针对 PID 控制特性而设计的 Smith 预估器适的选择。图 2.3 给出了基于 Smith 预估器的小温变梯度控制方法的总体方案

进而实时补偿光纤陀螺仪温漂误差。改进型光纤陀螺仪温漂误差估计模型的总体方案如图2.5 所示。图 2.5 改进型光纤陀螺仪温漂误差估计模型总体方案Fig.2.5 General scheme of modified estimation model for temperature drift error of FOG首先，在-10℃～40℃温度范围内，利用温控系统以 5℃温度增量改变目标温度，并记录下各个温度变化过程中光纤陀螺仪输出的角速度。根据温度梯度效应可知，温控箱中各点的实际温度与目标温度存在偏差，此时，光纤环处的实际温度不能完全等价于目标温度。因此，在光纤环处布置温度传感器，利用温控系统实时测量光纤环的实际温度。然后，用光纤陀螺仪输出实测值减去光纤陀螺仪输出参考值即可求得由于温度变化而造成的光纤陀螺仪温漂误差。利用所求的光纤陀螺仪温漂误差和光纤环的温度相关量T 、 T 和T T 训练 RBF 神经网络，直至经过光纤陀螺仪温漂误差估计值补偿过的光纤陀螺仪输出满足指标要求，此时，光纤陀螺仪温漂误差估计模型建立完毕。当完成光纤环温度测量后，便可根据光纤陀螺仪温漂误差估计模型得到光纤陀螺仪温漂误差估计值，将光纤陀螺仪输出实测值减去光纤陀螺仪温漂误差后即可获得温漂误差补偿后的光纤陀螺仪输出。
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本文编号：2884624