光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究

　　在当前光纤陀螺的工艺基础上，抑制温度效应误差的方法主要有两种：温度控制与温度误差软件补偿。
　　温度控制方法（简称“温控”）主要通过温控电路在工作中不断监测并修正光纤陀螺的温度，使陀螺工作于一个较稳定的温度环境[10]，从而有效地抑制了温度效应，提高了光纤陀螺的测量精度。但是，此方法不但增加了系统复杂性、功耗和体积，同时延长了光纤惯导系统的启动时间。因此，在一些工程应用场合不适合采用温控方案。
　　温度误差软件补偿方法（简称“温补”）是指通过对实际光纤陀螺系统进行温度试验测试，辨识出其在各种温度条件变化时的误差模型，进而在电路芯片中编入程序，实现对温度效应误差的实时补偿。相比于温控，温补是一种基于数学建模的方法，额外增加的硬件较少，对系统启动时间的影响较小，是提高光纤陀螺使用精度的重要途径。
　　3 温补建模方法
　　光纤陀螺温度效应误差的高精度建模是温补技术的主要技术难点。
　　建模方法一般可分为两大类：一类是机理分析法；另一类是系统辨识法。
　　机理分析法是根据对象的相关特性，分析变量的因果关系，总结出反映其内部机理的规律，建立具有明确物理意义的数学模型。上文中的式（2）与式（3）即是由此方法分析得到的模型公式。但是，由于目前对于光纤陀螺温度效应的相关研究并未彻底成熟（如绝对温度变化引发温度效应误差的机理尚未完全明确），使用系统辨识法很难完全建立出温度效应误差模型。
   系统辨识法将研究对象看作一个“黑箱”系统，不探究其内部机理，只运用统计分析算法处理系统的输入、输出数据，最后按照一定准则选取与数据拟合得最好的模型。在光纤陀螺温度效应误差的模型辨识过程中，可以应用智能算法来提高拟合精度，如小波理论、马尔科夫链、模糊逻辑、BP神经网络、RBF神经网络等。但这些系统辨识的“黑箱”方法并未分析误差机理与构成，缺乏实际物理意义，适应性相对较差，距离工程应用还需做大量工作。
　　文章将这两种方法结合起来，把光纤陀螺的温度效应误差看成是一个“灰盒”模型。在建模过程中，通过机理分析确定一种合适的模型，再按照某种参数估计方法进行具体的辨识，使模型能够最优的描述光纤陀螺温度漂移的本质。参数估计方法使用基于最小二乘法的多项式拟合。该方法具有无偏性、最优性等特点，计算量较小，模型直观明了，同时兼顾个别点与整体误差问题。模型建立流程如图1所示。
　　结合第1章的光纤陀螺温度效应误差分析与温循实验数据特征，选取了绝对温度、温度变化率和温度梯度变化率这三个量为自变量，建立二次误差模型，按照温度导数的特征进行数据分类，对每类数据分别进行参数拟合得到多套模型参数，确定最终的误差模型。
　　4 温补技术的实现
　　搭建系统，采用DSP与FPGA技术，实现对光纤陀螺温度效应误差的在线补偿。
　　4.1 测温方案设计
　　根据光纤惯导系统组成与各单元结构布局，分析热源分布特征，得到系统内部温度场按空间分布和随时间变化的大致关系，进而确定测温传感器的合理布局，使测得的温度能够实时反映温度场的变化，为温度效应误差建模提供有效的温度场数据。
　　4.2 温补程序编写
　　在温箱中反复进行温循实验，获得多种温度条件下光纤陀螺与测温传感器的输出数据。使用第3章中的方法，建立温度效应误差模型，根据模型编写相关程序并写入DSP中。
　　4.3 温补电路设计
　　温补电路主要构成及原理如图2所示。
　　系统先将铂电阻测温电桥输出的模拟量转换成数字信号，再将温度数字信号和光纤陀螺输出信号在FPGA中进行处理，锁存后发给DSP进行温补计算，将计算结果返回FPGA进行D/F转换，最后通过光电耦合器得到补偿后的陀螺输出量。
　　4.4 实验验证
　　适当更改温度条件，多次重复试验，验证温补方法的效果。某型光纤陀螺在补偿前后的精度分别为0.0445°/h和0.0065°/h，精度提高了约7倍。
　　5 结束语
　　在分析光纤陀螺温度效应误差成因的基础上，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的在线补偿。仿真试验结果表明，使用该温补方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级，且具有较好的实用性与适应性。
　　参考文献
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　　[2]王巍，张桂才，骆玉玲.光纤陀螺误差分析及其抑制措施[J].导弹与航天运载技术，1994，2：29-35.
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