CN114001726A - 一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法。该光纤陀螺温度漂移补偿装置包括：热成像仪，用于分析光纤陀螺温度场实际分布；温度传感器，用于测量光纤环或壳体温度；多通道AD温度采集板，将模拟信号转化为数字信号并打包输出；补偿计算机，用于漂移分解及多元温度信息计算，并进行温度漂移模型训练、预测及补偿。该光纤陀螺温度漂移补偿方法包括：根据温度场分布确定温度传感器数量与贴附位置；获取陀螺漂移，使用变分模态分解(VMD)提取温度漂移；计算多元温度信息，包括测点温度、测点温度变化率以及测点间温度梯度；基于多元温度信息和SVM/SVR训练光纤陀螺温度漂移模型，进行预测并补偿输出。

Description

一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺领域，涉及信号采集及数字处理方法，尤其涉及一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤环型惯性传感器，具有成本低、可靠性高、动态范围广、发展空间大等特点，广泛应用于战术武器、飞行器、舰船和消费市场等领域。然而由于光纤陀螺常工作在恶劣环境下，光纤环圈易受环境温度影响产生非互异性误差，带来与温度强相关的陀螺漂移。

目前已有的光纤陀螺温度漂移和补偿方法包括最小二程拟合(LSF)、多种神经网络建模以及支持向量机/支持向量回归(SVM/SVR)建模，但这些方法存在着一定的缺陷。LSF模型简单、易在工程中实现，但非线性回归能力弱；神经网络建模非线性逼近能力强，但环境适应性差，会出现“过拟合”现象；SVM/SVR非线性逼近强，可克服“过拟合”现象，有较好的泛化能力，但易受样本数据中非温度噪声的影响。随着光纤陀螺精度的不断提高，为了保证环境适应性，温度漂移建模和补偿成为了亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明提供了一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法，解决高精度光纤陀螺环境适应性要求。

根据本发明的第一方面，一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置，包括热成像仪，用于检测和分析光纤陀螺在变温环境中的温度场实际分布；温度传感器，用于测量贴附点处温度变化；多通道AD温度采集板，将被测点温度模拟信号转化为数字信号，并将数据打包发送至补偿计算机；以及补偿计算机，基于多元温度场及SVM/SVR训练温度漂移模型，在陀螺实际工作中预测陀螺温度漂移，并得到补偿后的陀螺输出。

具体的，所述温度传感器还需要根据温度场实际分布来确定传感器数量和贴附位置；选用模拟式温度传感器，其具有体积小、可靠性高、精度高、量程大、易安装、不影响光纤陀螺结构性能等优势。

具体的，所述补偿计算机还用于测量光纤陀螺原始输出；以及，使用变分模态分解(VMD)分离非温度噪声，并使用样本熵判断数据相关性，得到光纤陀螺温度漂移。

具体的，所述补偿计算机获取由多通道AD温度采集板发送的多路温度数据后，还用于计算测点处温度变化率及测点间的温度梯度；以及，补偿计算机将光纤陀螺温度漂移和多元温度信息分别作为SVM/SVR的样本输出和输入，用于训练光纤陀螺温度漂移模型。

根据本发明的第二方面，一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，光纤陀螺工作在不同变温速率的温控环境下，使用热成像仪检测并分析光纤陀螺温度场实际分布；

步骤2，根据步骤1所得温度场分布，在光纤陀螺壳体表面及光纤环上贴附多路模拟式温度传感器；

步骤3，确定变温方案，对光纤陀螺进行变温试验，得到陀螺漂移与每个测点温度；

步骤41，根据步骤3所得陀螺漂移，采用变分模态分解(VMD)和样本熵去除光纤陀螺非温度噪声IMF分量，提取陀螺温度漂移；

步骤42，根据步骤3所得每个测点的温度数据，计算测点处的温度变化率及测点间的温度梯度；

步骤5，根据步骤4和步骤5所得的多元温度信息与温度漂移，使用支持向量机/支持向量回归(SVM/SVR)训练光纤陀螺温度漂移模型；

步骤6，实际工作时计算陀螺多元温度信息，通过步骤5的训练模型进行预测，并补偿温度漂移。

进一步的，所述步骤1使用热成像仪置分别拍摄陀螺圆截面温度场分布与敏感轴轴向温度场分布，并假设光纤陀螺在工作稳定后出现稳态温度场；以及温度场实际分布还决定所述步骤2中多路模拟式温度传感器的数量与贴附位置。

进一步的，所述步骤3为适应多种温度工况，变温方案采用多段变温速率：±0.5℃/min、±1℃/min、±2℃/min、±3℃/min，温度范围为-40℃到60℃；以及，所述步骤3还通过集成多个AD芯片和主控MCU芯片，自主设计多通道AD温度采集板，将多路温度模拟信号转化为数字信号，并打包发送至补偿计算机中。

进一步的，所述步骤41具体包括：

(1)光纤陀螺原始输出信号ω_m减去地球自转天向分量ω_ie cos L，得到光纤陀螺漂移，其中ω_ie代表地球自转角速度，L代表测试环境所在地纬度；

(2)设置VMD参数；

(3)估计分解分量的中心频率ω_k，以及重构相应信号分量u_k，k代表第k个IMF分量；

(4)设置样本熵参数，根据如下公式计算各分量的样本熵：

式中，m表示嵌入维数，r表示容错，B为中间变量；以及根据样本熵分离温度漂移分量和非温度噪声。

进一步的，所述步骤42中温度变化率按如下公式求得：

式中，n为温度传感器数量，

和

表示第i个温度传感器分别在t_k和t_k-1时刻的所测得的温度数据；温度梯度按如下公式估计：

式中，

和

分别表示第i+1个和第i个温度传感器在t_k时刻的所测得的温度数据，

为第i+1个与第i个温度传感器所贴附位置间的距离。

进一步的，所述步骤6具体包括：

(1)设置SVM/SVR参数及其核函数参数；

(2)将陀螺温度漂移、多元温度信息(测点温度、测点温度变化率、测点间温度梯度)分别作为样本输出和输入，训练光纤陀螺温度漂移模型；

(3)在不同变温工况环境，通过训练模型预测温度漂移，得到补偿后的光纤陀螺输出。

本发明的积极效果：

本发明与现有技术相比，具有模型更为准确、补偿精度高、结构简单、适用于复杂工况等显著优点，具体表现在：多元温度场的构造，根据实际温度场确定温度传感器数量及贴附位置，获取并计算多元温度信息；通过VMD分解及样本熵判断提取陀螺温度漂移，克服了EMD及其衍生方法对样本数据要求苛刻等缺点；基于多元温度信息的SVM/SVR建模，更贴近光纤陀螺温漂理论模型，取代了现有方法中的单一样本输入。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本发明至少一个实施方式的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置的架构示意图。

图2是根据本发明至少一个实施方式的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

在本发明的至少一个实施方式中，本发明提供了一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法。

如图1所示，本发明提供的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置包括热成像仪1、光纤陀螺2、温度传感器3、多通道AD温度采集板4、补偿计算机5。其中，热成像仪1用于检测和分析光纤陀螺2的温度场实际分布；温度传感器3用于测量光纤环或壳体温度；多通道AD温度采集板4将温度模拟信号转化为数字信号；以及补偿计算机5，用于测量陀螺原始输出，根据各个被测点温度数据计算多元温度信息，建立温度漂移模型并进行陀螺补偿。

根据热成像仪1分析的温度场，确定温度传感器3的数量和贴附位置；多通道AD温度采集板4上集成有多个AD芯片和MCU主控芯片，可以根据温度传感器3的数量来设置AD通道数，并将数据打包发送至补偿计算机5；补偿计算机5，一方面用于测量光纤陀螺2的漂移原始数据，使用VMD分解和样本熵判断提取出陀螺温度漂移；另一方面根据温度数据计算多元温度信息，包括测点温度、测点温度变化率和测点间的温度梯度；以及用于温度漂移模型训练、预测和补偿。

利用本发明提供的光纤陀螺温度漂移补偿装置能够对陀螺温度漂移进行补偿输出，如图2所示，包括以下步骤：

S1：分析温度场。

S2：确定温度传感器数量和贴附位置。

具体的，使用热成像仪1分析光纤陀螺2的温度场实际分布，在等温线/面区分较为明显位置贴附温度传感器；选用模拟式温度传感器，其具有体积小、精度高、量程大、可靠性高、易安装等优势。

S3：确定变温方案，进行陀螺变温试验。

S31：测量陀螺输出；

S32：测量陀螺温度；

具体的，变温方案中温度范围可设置但不局限于-40℃至60℃；采用多阶段变温速率，可设置但不局限于±0.5℃/min、±1℃/min、±2℃/min、±3℃/min；可在转台温箱中进行变温试验，光纤陀螺2敏感轴指天安装。

进一步的，使用多通道AD温度采集板4将模拟信号转化为数字信号，打包并发送至补偿计算机5中；可选用DSP或FPGA作为采集板的主控芯片，可根据温度传感器数量自由配置AD通道数。

S41：VMD分解，样本熵分析；

具体的，补偿计算机5测得陀螺输出信号后，还包括：

(1)根据如下公式计算光纤陀螺漂移:

ε＝ω_m-ω_ie cos L

其中，ω_m代表陀螺输出信号，ω_ie cos L代表地球自转天向分量，ω_ie代表地球自转角速度，L代表测试环境所处纬度；

(2)设置VMD参数；

(3)估计分解分量的中心频率ω_k，以及重构相应信号分量u_k，k代表第k个IMF分量；

(4)设置样本熵参数，根据如下公式计算各分量的样本熵：

式中，m表示嵌入维数，r表示容错，B为中间变量；以及根据样本熵分离温度漂移分量和非温度噪声。

S42：计算多元温度信息；

具体的，多元温度信息包括测点温度、测点温度变化率、测点间温度梯度，其中温度变化率和温度梯度由补偿计算机5获得的测点温度计算得到。

进一步的，温度变化率按如下公式求得：

式中，n为温度传感器数量，

和

表示第i个温度传感器分别在t_k和t_k-1时刻的所测得的温度数据；

进一步的，温度梯度按如下公式估计：

式中，

和

分别表示第i+1个和第i个温度传感器在t_k时刻的所测得的温度数据，

为第i+1个与第i个温度传感器所贴附位置间的距离。

S5：SVM/SVR温度漂移模型训练；

S6：预测与补偿输出。

具体的，温度漂移模型训练、预测及补偿，包括：

(1)将陀螺温度漂移作为模型训练的输出，将多元温度信息(测点温度、测点温度变化率、测点间温度梯度)作为模型训练的样本输入；

(2)设置SVM/SVR参数，并训练温度漂移模型：

式中，x为样本输入，x_k为支持向量，a_i和

为拉格朗日乘子，C为惩罚因子，g为核函数参数，b为超平面截距常量。

(3)在多种变温工况下实验，通过训练模型预测温度漂移，得到补偿后的光纤陀螺输出。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置，其特征在于，所述装置包括：

热成像仪，用于检测和分析光纤陀螺在变温环境中的温度场实际分布；

温度传感器，用于测量贴附点处光纤环或壳体的温度；

多通道AD温度采集板，将模拟信号转化为数字信号，并将数据打包发送至补偿计算机；

补偿计算机，用于漂移分解及多元温度信息计算，并进行温度漂移模型训练、预测及补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置，其特征在于：所述温度传感器选用模拟式温度传感器，其具有体积小、精度高、量程大、可靠性高、易安装等优势，并根据温度场实际分布在等温线/等温面区分较为明显位置贴附温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置，其特征在于：所述补偿计算机一方面用于测量光纤陀螺的漂移原始数据，使用VMD分解和样本熵判断提取出陀螺温度漂移；另一方面根据温度数据计算多元温度信息，包括测点温度、测点温度变化率和测点间的温度梯度；以及用于温度漂移模型训练、预测和补偿。

4.一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于，所述温度漂移补偿方法包括：

步骤1，使用热成像仪或其他温度成像装置检测并分析被测光纤陀螺温度场的实际分布；

步骤2，根据温度场分布，在光纤陀螺光纤环或壳体表面贴附多路模拟式温度传感器；

步骤3，确定变温方案，对光纤陀螺进行变温试验，得到陀螺漂移与每个测点温度；

步骤41，根据变温试验陀螺漂移输出，采用变分模态分解(VMD)和样本熵去除非温度噪声IMF分量，提取陀螺温度漂移；

步骤42，根据变温试验所测得每个测点温度计算多元温度信息；

步骤5，根据所得的温度漂移与多元温度信息，使用支持向量机/支持向量回归(SVM/SVR)训练光纤陀螺温度漂移模型；

步骤6，实际工作时计算陀螺多元温度信息，通过步骤5所训练模型进行预测，并进行温度漂移补偿。

5.根据权利要求4所述的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于：所述步骤3进行多测点温度采集时，使用多通道AD温度采集板进行模数转换，可根据温度传感器数量自由配置AD温度采集板的测量通道数。

6.根据权利要求4所述的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于：所述步骤41具体包括：(1)采集陀螺原始输出；(2)计算陀螺漂移；(3)设置VMD参数；(4)估计第k个IMF分量的中心频率ω_k及重构相应信号分量u_k；(5)根据样本熵选择。

7.根据权利要求4所述的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于：所述步骤42中多元温度信息包括：测点温度、测点处的温度变化率及测点间的温度梯度。

8.根据权利要求4所述的一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿方法，其特征在于：所述步骤5具体包括：(1)将陀螺温度漂移作为模型训练的输出，将多元温度信息作为模型训练的样本输入，样本输入维数由多元温度信息维数决定；(2)设置SVM/SVR参数，并训练温度漂移模型。

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