專利名稱：一種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補償方法
技術領域：
本發明涉及ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補償方法，它詳細闡述了時間序列分析消 除噪聲以及溫度補償的方法，這種方法應用于光纖陀螺輸出和溫度關系的辨識中，可以有效地辨識出這種關系，建立精確的模型，提高溫度補償的有效性。該技術屬于航空、航天導航技術領域。
(ニ)
背景技術：
光纖陀螺作為ー種發展極為迅速的新型慣性角速度傳感器，以其特有的技術和性能優勢，如全固態結構、可靠性高、壽命長；啟動速度快，響應時間短；測量范國大，動態范圍寬；抗沖擊、振動，耐化學腐蝕；體積小、重量輕、成本低；適合大批量生產等，已經廣泛用于各工程技術領域。工程化的光纖陀螺，為適應不同領域的應用，一般要具有較寬的工作溫度范圍(通常-40°C 60°C)。構成光纖陀螺的主要器件如光纖線圈、集成光學器件、光源、耦合器等對溫度較為敏感，當環境溫度發生變化時，在陀螺的輸出信號中將產生非互易相位誤差，導致光纖陀螺零偏和標度因數的不穩定，并最終影響光纖陀螺在不同溫度下的檢測精度。因此，進行光纖陀螺溫度特性的研究并對其實施溫度漂移誤差補償，以提高陀螺在不同溫度條件下的適用性，是光纖陀螺走向實用化的必要環節。國內外近年來對光纖陀螺溫度漂移誤差補償進行的各項工作，主要包括光纖陀螺機理結構的改善、硬件溫控措施及軟件補償等內容。對光纖陀螺進行結構改進或對其進行硬件溫控受到成本及技術等多方面制約，帶有硬件溫控的光纖陀螺結構復雜、功耗大，啟動時間長，不適應快速啟動的要求，而軟件補償可改善這ー缺陷，更易于實現。補償光纖陀螺溫度漂移誤差的方法主要包括下述幾個方面(I)光纖陀螺結構及組成部件的改進。可選擇熱膨脹系數和折射率溫度系數低的石英材料制作纖芯，采用熱傳導系數高的光線外涂復合材料使各光纖層之間形成“熱短路”
坐寸o(2)改善光纖環繞制技木。為減少熱致非互易性，同時考慮到微彎損耗，光纖環通常采用如下四種繞制方法1)柱形繞法；。2)對稱繞法；3)雙極對稱繞法；4)四級對稱繞法。(3)對光纖陀螺進行溫度控制。光纖陀螺中的光學元器件性能隨溫度的變化，及電路部分各器件發熱不同造成的陀螺內部溫度場的非線性變化，都會影響陀螺工作的熱平衡狀態，直接造成光纖陀螺的零偏漂移。使光纖陀螺迅速進入并穩定工作在熱平衡狀態，會極大地改善陀螺的輸出特性。(4)誤差建模及補償對于給定的光纖陀螺，在一定的溫度變化情況下，產生的非互易相位噪聲是確定的。因此，對光纖陀螺溫度特性進行實驗研究，建立溫度漂移誤差模型并實施溫度補償是解決光纖陀螺溫度漂移問題的有效手段之一。目前常用的模型主要有如下幾種1)線性模型或多項式模型；2)神經網絡模型；3)小波網絡；4)模糊邏輯；5)受控馬氏鏈模型；6)支持向量機。其中多項式模型及神經網絡模型應用最為廣泛。時間序列分析是ー種時域分析方法，不僅研究過程的確定性變化，而且更著重于研究過程的隨機性變化，是ー種對有序的隨機數據進行分析和研究，將現在時刻的值用過去時刻的值表示，并預測系統未來值的數據處理方法。時間序列分析法建模就是對所觀測到的時間序列數據yu y2,…，7 擬合出適用的時間序列模型。建模內容包括數據的采集、數據的統計分析(平穩性分析和相關函數分析)與預處理、模型形式的選取、模型參數的估計、模型適用性檢驗等問題，其中模型參數的選擇最關鍵，其次是模型的適用性檢驗。對于光纖陀螺的建模一般采用自回歸模型(AR模型)、自回歸-滑動平均混合模型(ARMA模型)。當輸出序列是非平穩時間序列時，一般采用自回歸差分滑動平均模型(ARIMA模型)。在時間序列分析中，用相鄰觀測數據或一定間隔的觀測數據的差分方法，能方便地除去序列中的非周期性或周期性趨勢項，利于對光纖輸出數據進行模型參數辨識和噪聲統計特性計算。在求出模型參數和噪聲統計特性的基礎上，通過卡爾曼濾波/平滑技術可達到良好的消噪效果。本發明提出了通過大量實驗得到的數據，經過時間序列分析方法建立陀螺零偏隨機誤差模型，通過卡爾曼濾波技術進行消噪處理；并在此基礎上進行溫度模型結構和參數 辨識，建立光纖陀螺溫度漂移誤差模型，實現溫度補償。該方法能夠更有效的辨識出陀螺零偏溫度特性，建立精確的模型進行實時補償，滿足工程化要求。
發明內容
本發明提供了ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補償方法。該方法利用時間序列分析建立光纖陀螺零偏的隨機誤差模型，在求出模型參數和噪聲統計特性的基礎上，采用卡爾曼濾波實現光纖陀螺零偏數據中噪聲的降低，有效辨識出陀螺零偏溫度特性，最后對消噪后的陀螺數據建立溫度漂移誤差的多項式模型，用最小二乗法求得模型參數，實現光纖陀螺的溫度漂移誤差補償。本發明ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補償方法，該方法具體步驟如下步驟ー設計溫度特性測試實驗方案，對光纖陀螺進行定點溫度實驗，采集陀螺數據。溫度實驗采用靜態測試，其中，X，Y，Z軸光纖陀螺分別指向東、北、天。為了研究溫度對光纖陀螺零偏的影響，分別在-30°C、-20°C、-1 (TC、(TC、I (TC、20°C、30°C、40°C、50°C、60°C環境溫度下(或根據工作溫度確定所選溫度點)，對光纖陀螺進行高低溫測試。在每ー個溫度點保溫兩小時后測量一小吋，并通過采集軟件記錄光纖陀螺自身的溫度和相應光纖陀螺零偏值。步驟ニ 對陀螺零偏數據進行時間序列分析，建立光纖陀螺隨機誤差的數學模型。如圖I所示，具體的建模步驟為(I)對陀螺測試樣本數據進行統計檢驗和預處理。首先剔除數據中的異常值，其次進行平穩性檢驗，如發現為非平穩的，應剔除其中確定性的趨勢項，再次進行周期性檢驗，如發現潛周期分量，應剔除其中能量較大的潛周期分量，最后對去除了趨勢項和潛周期分量的殘差序列進行正態性檢驗。如果經過檢驗的陀螺測試數據的殘差序列是非正態時間序列，應進行差分處理使之成為正態時間序列，然后建立隨機誤差模型。具體方法如下。
I)數據異常值剔除本發明采用拉依達準則判別異常值。假定數據的總體是正態分布，則P(|x-u I >3 O )<0. 003 (5-1)其中X為隨機變量，U和O為數據總體的數學期望和標準差，P為滿足括號內條件的概率。設數據為X1, X2,，Xn，均值為i,殘差為Vk(k=l, 2，…，n)，標準差為
權利要求
1.ー種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補償方法，其特征在于該方法具體歩驟如下 步驟ー設計溫度特性測試實驗方案，對光纖陀螺進行定點溫度實驗，采集陀螺數據；溫度實驗采用靜態測試，其中，X，Y，Z軸光纖陀螺分別指向東、北、天；為了研究溫度對光纖陀螺零偏的影響，分別在-30°C、-20°C、-10°C、(TC、10°C、20 V、30°C、40 V、50°C、60で環境溫度下，對光纖陀螺進行高低溫測試；在每ー個溫度點保溫兩小時后測量ー小時，并通過采集軟件記錄光纖陀螺自身的溫度和相應光纖陀螺零偏值； 步驟ニ 對陀螺零偏數據進行時間序列分析，建立光纖陀螺隨機誤差的數學模型；其具體的建模步驟為 (I)對陀螺測試樣本數據進行統計檢驗和預處理，首先剔除數據中的異常值，其次進行平穩性檢驗，如發現為非平穩的，應剔除其中確定性的趨勢項，再次進行周期性檢驗，如發現潛周期分量，應剔除其中能量較大的潛周期分量，最后對去除了趨勢項和潛周期分量的殘差序列進行正態性檢驗；如果經過檢驗的陀螺測試數據的殘差序列是非正態時間序列，應進行差分處理使之成為正態時間序列，然后建立隨機誤差模型；具體方法如下 1)數據異常值剔除 采用拉依達準則判別異常值；假定數據的總體是正態分布，則
全文摘要
一種基于時間序列分析消噪的光纖陀螺溫度補償方法，它有四個步驟步驟一設計實驗方案，對光纖陀螺進行定點高低溫測試實驗，利用采集軟件進行數據采集。步驟二對陀螺零偏數據進行時間序列分析，建立光纖陀螺隨機誤差的數學模型。步驟三采用卡爾曼濾波算法濾除光纖陀螺零偏數據中的隨機噪聲。步驟四利用卡爾曼濾波消噪后的數據對光纖陀螺溫度漂移誤差模型結構進行辨識，并對辨識后模型進行解算參數。本發明經過時間序列分析和卡爾曼濾波消噪處理，并進行溫度漂移誤差模型結構和參數辨識，建立光纖陀螺靜態溫度漂移誤差多項式模型。該方法完全符合工程上的實時補償要求，在航空航天導航技術領域里具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號G01C25/00GK102650527SQ20121016695
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者周小紅, 宋凝芳, 宋來亮, 晁代宏, 王振飛 申請人:北京航空航天大學