光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法研究

摘要

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。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2课题相关技术的国内外发展现状

1．2．1光纤陀螺仪发展现状

1．2．2光纤陀螺仪温度控制技术发展现状

1．2．3光纤陀螺仪温漂误差补偿技术发展现状

1．3论文主要工作及章节安排

第2章光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法总体方案

2．1总体需求分析

2．1．1功能需求分析

2．1．2性能需求分析

2．2关键技术分析

2．3 关键技术总体方案设计

2．3．1精密温度测量方案设计

2．3．2小温变梯度控制方案设计

2．3．3光纤陀螺仪温漂误差补偿方案设计

2．4本章小结

第3章基于序列激励控制的精密测温方法研究

3．1 概述

3．2测温电路非线性误差消除方法研究

3．3测温回路误差抑制方法研究

3．3．1热电动势消除方法研究

3．3．2自热效应抑制方法研究

3．3．3 AD采样误差消除方法研究

3．4大温宽下精密测温回路参数优化设计

3．5测温性能考核

3．6本章小结

第4章小温变梯度精密温度控制方法研究

4．1概述

4．2温度控制方法设计

4．3基于Smith预估器的小温变梯度控制方法研究

4．3．1 Smith预估器

4．3．2温控箱参数估计必要性分析

4．4基于离散近似估计的温控箱参数估计方法研究

4．4．1离散近似估计模型研究

4．4．2温控箱参数DA模型建立

4．5综合性能考核与分析

4．5．1综合性能考核实验

4．5．2温控箱参数估计性能分析

4．5．3小温变梯度控制性能分析

4．6本章小结

第5章光纤陀螺仪温漂误差建模方法研究

5．1概述

5．2光纤陀螺仪温漂误差估计模型的优化设计

5．2．1光纤陀螺仪温漂误差构成分析

5．2．2传统型光纤陀螺仪温漂误差建模方法研究

5．2．3温漂误差诱因的深入探索

5．3 改进型光纤陀螺仪温漂误差估计模型研究

5．3．1温漂误差测试方法设计

5．3．2温漂误差估计模型建立方法研究

5．3．3温漂误差估计模型建模过程分析

5．4温漂误差估计性能考核与分析

5．4．1改进型光纤陀螺仪温漂误差估计模型性能分析

5．4．2改进前后温漂误差估计性能对比分析

5．5本章小结

第6章光纤陀螺仪温漂误差精密补偿方法性能对比分析

6．1 综合性能考核实验

6．2稳态性能对比分析

6．3动态性能对比分析

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢