棱镜式激光陀螺温度补偿研究

发布时间:2020-11-19 17:02
   激光陀螺是捷联式惯性导航系统的核心器件,具有启动时间短、精度高、功耗小等优点,在航空、航天以及导弹制导等领域发挥着重要作用。棱镜式激光陀螺采用全反射棱镜构成闭合光路,具有背向散射小、免镀膜等优点。但这种陀螺突出的问题是光路在棱镜中传输距离较长,光学稳定性容易受到温度变化的影响。此外,为了避免传统压电陶瓷推拉反射镜稳频带来的棱镜应力双折射效应,这种陀螺采用加热器作为稳频伺服机构,通过控制谐振腔内一段气体的折射率,实现稳频控制。但在变温环境中,外界热量传递到腔体内部的热弛豫现象、陀螺自身发热、温度引起的物理和几何特性变化等,均会影响激光陀螺的零偏稳定性。本论文针对温度对棱镜式激光陀螺的影响,分别从陀螺的内部稳频控制参数和整体零偏两个方面进行温度补偿。论文的主要研究内容有:第一,介绍激光陀螺的工作原理及误差理论,重点介绍棱镜式激光陀螺的结构特征,分析这种陀螺的温度特性。第二,根据棱镜式激光陀螺稳频热传导存在热驰豫的特点,采用有限元分析法构建分析模型,仿真环境温度变化条件下,陀螺稳频通道内气体温度场的分布情况,总结热驰豫对谐振腔稳频工作的影响。第三,根据稳频控制原理,在稳频控制中加入温度补偿修正项,将热弛豫模型结合光学原理分析,最终将热弛豫归结到跳模电压上。将温度(-40℃~70℃)每隔10℃一段,分成11段,对陀螺进行分温度段、分参数段的稳频伺服控制。经实验验证,棱镜式激光陀螺的零偏稳定性得到一定的提高。第四,对陀螺整体进行零偏温度补偿时,为了解决陀螺输出脉冲曲线在拟合过程中的非线性,以及保证模型对环境的适应性,通过对比最小二乘、逐步回归、样条插值和神经网络四种建模方法,提出了带有重叠区域的分段最小二乘法,并在静态温度补偿的基础上引入温度的导数和温度导数叉乘项以满足复杂变温环境的要求。第五,经过对陀螺变温测试,分别分析了陀螺有无采用重叠区域的分段最小二乘法补偿后的精度,结果表明采用重叠区域的分段最小二乘法对陀螺精度提升效果更加明显。在此基础上,分别研究了陀螺未补偿、采用静态温度补偿模型和复合温度补偿模型的精度,结果表明对陀螺采用复合温度补偿模型,并在参数辨识过程中采用带有重叠区域的分段最小二乘法后,陀螺对变温环境适应性更好,陀螺精度提高明显。
【学位单位】:西安理工大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2020
【中图分类】:TN249
【部分图文】:

网格划分,有限元模型,温度,谐振腔


3棱镜激光陀螺稳频系统温度补偿研究23图3-5有限元模型网格划分图Fig.3-5DiagramoftheFiniteElementMeshDivision采用ANSYS软件瞬态温度场分析模块,模拟25oC→-40oC、-40oC→25oC、25oC→70oC、70oC→25oC四个温度段下,腔内、外的热弛豫效应。经过进行多次ANSYS瞬态温度场分析,考虑到分析时间在11000s时,稳频气体通道的温度与谐振腔外表面温度温差几乎为0,所以最终取瞬态分析时间为11000s,计算时间步长为10s,瞬态分析过程共进行1100个子步计算,环境温度变化按照实验中温箱设置的温升速率和温降速率,取值为1oC/min,温度达到变温目标温度后进行保温,即对应二维模型的三个面施加分段函数的温度载荷。保温过程要保证最终稳频气体中心位置处温度与谐振腔外表面温度误差尽可能小,根据热传导理论不可能为0。接下来,我们根据四个温度段的计算结果说明TRPLG稳频通道的热弛豫效应,如图3-6~3-9所示,分别为四个温度段下热量从谐振腔表面传递到谐振腔内稳频气体后的温度场分布等值图,以及谐振腔外表面温度和稳频气体中心位置处温度随时间变化的曲线图。等值图中温度高低由红色到蓝色依次递减,曲线图中蓝色虚线表示TRPLG谐振腔外表面温度随时间变化情况,红色实现表示稳频气体中心温度随时间变化情况。(a)等值图(b)曲线图图3-625oC→70oC谐振腔和稳频气体通道温度随时间变化图Fig.3-6TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom-25oCto70oC

变化图,谐振腔,气体,温度


3棱镜激光陀螺稳频系统温度补偿研究23图3-5有限元模型网格划分图Fig.3-5DiagramoftheFiniteElementMeshDivision采用ANSYS软件瞬态温度场分析模块,模拟25oC→-40oC、-40oC→25oC、25oC→70oC、70oC→25oC四个温度段下,腔内、外的热弛豫效应。经过进行多次ANSYS瞬态温度场分析,考虑到分析时间在11000s时,稳频气体通道的温度与谐振腔外表面温度温差几乎为0,所以最终取瞬态分析时间为11000s,计算时间步长为10s,瞬态分析过程共进行1100个子步计算,环境温度变化按照实验中温箱设置的温升速率和温降速率,取值为1oC/min,温度达到变温目标温度后进行保温,即对应二维模型的三个面施加分段函数的温度载荷。保温过程要保证最终稳频气体中心位置处温度与谐振腔外表面温度误差尽可能小,根据热传导理论不可能为0。接下来,我们根据四个温度段的计算结果说明TRPLG稳频通道的热弛豫效应,如图3-6~3-9所示,分别为四个温度段下热量从谐振腔表面传递到谐振腔内稳频气体后的温度场分布等值图,以及谐振腔外表面温度和稳频气体中心位置处温度随时间变化的曲线图。等值图中温度高低由红色到蓝色依次递减,曲线图中蓝色虚线表示TRPLG谐振腔外表面温度随时间变化情况,红色实现表示稳频气体中心温度随时间变化情况。(a)等值图(b)曲线图图3-625oC→70oC谐振腔和稳频气体通道温度随时间变化图Fig.3-6TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom-25oCto70oC

环形图,谐振腔,环形,等值图


西安理工大学硕士学位论文24(a)等值图(b)曲线图图3-770oC→25oC环形谐振腔和稳频气体通道温度随时间变化图Fig.3-7TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom70oCto25oC(a)等值图(b)曲线图图3-825oC→-40oC环形谐振腔和稳频气体通道温度随时间变化图Fig.3-8TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom25oCto-40oC(a)等值图(b)曲线图图3-9-40oC→25oC环形谐振腔和稳频气体通道温度随时间变化图Fig.3-9TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom-40oCto25oC
【参考文献】

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本文编号:2890232

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