專利名稱：一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖陀螺儀溫度補償方法。
技術背景溫度對光纖陀螺儀尤其是高精度光纖陀螺儀的性能有很大影響，溫度變化 來源于光纖陀螺儀自身發(fā)熱與環(huán)境溫度變化。由于光纖陀螺儀隨溫度變化的不 平穩(wěn)性與時變性，若采用通常的時間序列等基于參數(shù)辨識的技術，則使^^莫型的 準確性較差，補償效果不盡理想。而且，大多數(shù)光纖陀螺儀的溫度模型僅限于 靜態(tài)溫度模型或者是對局部進行溫度監(jiān)測所建立的簡化動態(tài)溫度模型，其遠不 能滿足工程應用中對高精度光纖陀螺儀提出的溫度變化下性能的穩(wěn)定與一致 性。目前所建立的光纖陀螺儀溫度模型，存在的主要問題是對光纖陀螺儀的 溫度場沒有進行系統(tǒng)全面的分析，對所有光學元器件缺乏分析，沒有設定溫度 監(jiān)測點的選取原則，重點只關注光纖環(huán)，忽略了其他重要環(huán)節(jié)，導致建立的模 型沒有體現(xiàn)光纖陀螺真實的溫度場，在系統(tǒng)應用時，光纖陀螺性能隨著外部溫 度變化而劣化。專利公開號CN101013035A,發(fā)明名稱"一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡進行溫度補償 的光纖陀螺"，中公開了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡進行溫度補償?shù)墓饫w陀螺，該陀螺似 采用神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法進行的溫度漂移補償方式，經(jīng)該溫度補償方法獲得的修 正溫度補償系數(shù)是為光纖陀螺高精度輸出提供參數(shù)。該申請中共安裝了 4個傳 感器，分別安裝在光源、Y波導和光纖環(huán)上，其中光纖環(huán)的內(nèi)外側(cè)各安裝一個。 通過這四個傳感器的采集溫度值對上述四路實時溫度進行基于神經(jīng)網(wǎng)絡的溫度 補償，文中的重點是如何基于神經(jīng)網(wǎng)絡的溫度補償，包括神經(jīng)網(wǎng)絡的權值系數(shù) 的提取，溫度補償模型的建立，沒有詳細說明傳感器數(shù)量的確定原則，并且該申請中只是考慮光源、丫波導和光纖環(huán)，沒有考慮探測器和耦合器的溫度，也沒有介紹如何將采集的溫度進行處理。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種光纖陀螺儀分 布式分層級溫度誤差補償方法，該方法能夠系統(tǒng)全面的反映光纖陀螺儀內(nèi)部的 溫度場。本發(fā)明的技術解決方案是 一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方 法，步驟如下(1)將光纖環(huán)、光源、Y波導、探測器、耦合器五個光學元器件作為溫度 監(jiān)測對象，確定各個光學元器件的溫度監(jiān)測點數(shù)量及分布形式；(2 )對所述的各個溫度監(jiān)測點的監(jiān)測值進行自適應遞推最小二乘處理，得 到光纖陀螺儀的溫度輸出值；(3) 利用所述的光纖陀螺儀的溫度輸出值與光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)， 建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型，獲得溫度漂移補償值；(4) 將光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)減去所述的溫度漂移補償值，即對光纖 陀螺儀進行了溫度補償。所述步驟(1)的光纖環(huán)的溫度監(jiān)測點的數(shù)量確定公式為<formula>formula see original document page 5</formula>其中，"為溫度監(jiān)測點個數(shù)； Z為光纖環(huán)長度； D光纖環(huán)直徑；A為光纖環(huán)骨架材料的熱傳導系凄t; "為光纖環(huán)骨架材料的熱膨脹系數(shù)； A為經(jīng)驗參數(shù)，通常在0.85 5.35之間取值。 當所述的光源為摻鉺光纖光源時，其溫度監(jiān)測點的數(shù)量確定公式為<formula>formula see original document page 6</formula>其中，i為摻鉺光纖平均波長；A，p為泵浦波長；P，p為泵浦功率；A'為經(jīng)驗參數(shù)，通常在50~80之間取值。 所述步驟(1 )中的分布形式一^:采用對稱均布。所述的Y波導、探測器、耦合器溫度監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)經(jīng)驗確定， 一般取 1個，放置在Y波導、探測器、耦合器的外殼的正中央。所述的建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型選取三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡5, o即輸入層與輸出 層均取一個節(jié)點，隱含層取5個節(jié)點，隱節(jié)點的激發(fā)函數(shù)選擇公式BP神經(jīng)網(wǎng)絡的權值調(diào)整^^式<formula>formula see original document page 6</formula>1200Z(o廣A)2 ，，式中，J(0=ld-=丄|^2(0為誤差目標函數(shù)，A是經(jīng)t次權值調(diào)整后BP網(wǎng)絡的實際輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為(1 )本發(fā)明通過將光纖環(huán)、光源、Y波導、探測器、耦合器五個光學元器 件作為溫度監(jiān)測對象，并且確定各個溫度監(jiān)測點的數(shù)量及分布方式，并對釆集 的溫度處理后進行溫度補償，該方法能夠系統(tǒng)全面的反映光纖陀螺儀內(nèi)部的溫 度場，提高光纖陀螺儀在溫度變化條件下的精度。(2)本發(fā)明采用自適應遞推最小二乘處理五大光學元器件的溫度采集值， 確保了神經(jīng)網(wǎng)絡模型的真實與全面。


圖1為本發(fā)明方法流程圖；圖2為本發(fā)明的光纖陀螺儀原理圖及溫度傳感器布局示意圖； 圖3為本發(fā)明的光纖環(huán)溫度監(jiān)測點分布圖； 圖4為本發(fā)明的光源溫度監(jiān)測點分布圖； 圖5為本發(fā)明的Y波導溫度監(jiān)測點分布圖； 圖6為本發(fā)明的探測器溫度監(jiān)測點分布圖； 圖7為本發(fā)明的耦合器溫度監(jiān)測點分布圖； 圖8為本發(fā)明的BP學習方法流程圖； 圖9為本發(fā)明的BP網(wǎng)絡輸出曲線與實際輸出曲線對比； 圖10為本發(fā)明的光纖陀螺儀溫度補償后輸出曲線。
具體實施方式
下面結(jié)合具體的實施例，詳細介紹本發(fā)明方法。如圖1、 2所示，本發(fā)明一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方法的 步驟如下(1)將光纖環(huán)、光源、Y波導、探測器、耦合器五個光學元器件作為溫度 監(jiān)測對象，確定各個光學元器件的溫度監(jiān)測點數(shù)量及分布形式； 利用公式(1)可以獲取光纖環(huán)所需的溫度監(jiān)測點的數(shù)量(i)其中，"為溫度監(jiān)測點個數(shù)；丄為光纖環(huán)長度(m);"光纖環(huán)直徑(附)；義為光纖環(huán)骨架材料的熱傳導系數(shù)(『/(附.K)); 為光纖環(huán)骨架材料的熱膨脹系數(shù)(); A為經(jīng)驗參數(shù)(個/Vi7 )，通常在0.85 5.35之間取值。 光纖環(huán)溫度場和光纖環(huán)的長度與光纖環(huán)直徑的乘積直接相關，即 "oc(丄.Dr,而光纖環(huán)骨架材料對光纖環(huán)的散熱與熱膨脹影響很大，散熱與膨脹的性能決定溫度監(jiān)測點的多少，而且散熱與膨脹通常是相互作用，相互影響，
確定"oc(A)"3,因此，"=Z.D.(A)2 ,為了更好的反映光纖陀螺儀的研制工
a Va 」
藝，通常需要增加一個經(jīng)驗參數(shù)A進行調(diào)整，以獲得更好的溫度場監(jiān)測效果。 最終，光纖環(huán)溫度監(jiān)測點數(shù)量的計算公式如公式(1 )所示。
通過計算本實施例中光纖環(huán)的溫度監(jiān)測點數(shù)量為10，如圖3所示，光纖環(huán) 外層均布4個，光纖環(huán)內(nèi)層均布4個，光纖環(huán)上下各一個。
本發(fā)明中所述的光源可以采用SLD，也可以采用摻鉺光纖光源，對于SLD 溫度監(jiān)測點一般取1個，對于摻鉺光纖光源所需的溫度監(jiān)測點利用公式(2) 可以獲取
其中，I為摻鉺光纖平均波長(，)； 義戶p為泵浦波長("w ); A，為泵浦功率(『)；
A'為經(jīng)驗參數(shù)(個/『)，通常在50 80之間取值。 摻鉺光纖光源的溫度場主要與摻鉺光纖平均波長、泵浦波長、泵浦功率相 關。溫度監(jiān)測點的數(shù)量和4參鉺光纖平均波長與泵浦功率的乘積呈正比關系，即 "《I.A，，而與泵浦波長成反比關系，即"ocl/ ，，為了更好的反映光纖陀螺 儀的研制工藝，通常需要增加一個經(jīng)驗參數(shù)A'進行調(diào)整，以獲得更好的溫度場 監(jiān)測效果。最終，摻鉺光纖光源溫度監(jiān)測點數(shù)量的計算公式如公式(2 )所示。 通過計算本實施例中榜彿光纖光源的溫度監(jiān)測點數(shù)量為4,如圖4所示， 泵浦激光器放置1個，在光纖線圏周圍按圓周呈120度均布。
所述的Y波導、探測器、耦合器溫度監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)經(jīng)驗確定， 一般取 1個，放置在丫波導、探測器、耦合器的外殼的正中央，分別如圖5 7所示。
(2 )對所述的各個溫度監(jiān)測點的監(jiān)測值進行自適應遞推最小二乘處理，得 到光纖陀螺儀的溫度輸出值；確定了上述五大光學元器件的溫度監(jiān)測點后，對光纖環(huán)的溫度輸出值進行
加權處理，可利用公式(3)獲得
r, =o.i3'(7; +r3 +r5 +r8) +0.095. (r2 +r4 +r6 +r7) + o.055《r9 +r10) (3)
光源的溫度輸出值可利用公式(4)獲得
rs =o.i2-(7;+r2+r3) + o.65'r4 (4)
丫波導的溫度輸出值為7;，探測器的溫度輸出值為z;,耦合器的溫度輸出 值l。
對上面得到的五個溫度值進行自適應遞推最小二乘處理，利用公式(5)獲 取光纖陀螺儀的溫度值
T = 0.4-7}+0.25Ts+0.1Tr+0.2-7;+0.05《 (5)
(3)利用所述的光纖陀螺儀的溫度輸出值與光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)，
建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，獲得溫度漂移補償值；過程如下
第一步，選擇高精度高低溫試驗箱，在給定的溫度范圍內(nèi)(本例中取
-20~+40°C),多次進行高精度光纖陀螺儀一次通電試驗，獲取多組試驗樣本。 第二步，輸入樣本集丁=-20: 0.05: 40，輸出樣本集O二f(T)。 第三步，選取三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡Nu,"即輸入層與輸出層均取一個節(jié)點，
隱含層取5個節(jié)點。隱節(jié)點的激發(fā)函數(shù)選擇7>式(6)所示的非對稱型Sigmoid
函數(shù)
第四步，取定權值調(diào)整公式:
(,+ 1) = ,-0.5|^ + 0.1[ _1)] (7)
1200
Z(o廣A)2 112。。
式中，-=丄|> (0為誤差目標函數(shù)。(^是經(jīng)t次權值調(diào)整
后BP網(wǎng)絡的實際輸出)
第五步，按圖8的流程進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡建模。隨機設置權值的初始值，經(jīng)過500次訓練，誤差目標函數(shù)J(0已幾乎不再減小。如圖9所示，BP模型輸 出曲線能完好地逼近實際光纖陀螺儀的輸出曲線。
第六步，將建立BP網(wǎng)絡模型代入光纖陀螺儀實際輸出中，獲得光纖陀螺 儀的溫度漂移補償值。
第七步，將光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)減去所述的溫度漂移補償值，即對 光纖陀螺儀進行了溫度補償，補償后的結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出， 補償后光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性(0.005。/h)較補償前的零偏穩(wěn)定性(0.06°/h) 提高近10倍。
本發(fā)明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1、一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方法，其特征在于步驟如下(1)將光纖環(huán)、光源、Y波導、探測器、耦合器五個光學元器件作為溫度監(jiān)測對象，確定各個光學元器件的溫度監(jiān)測點數(shù)量及分布形式；(2)對所述的各個溫度監(jiān)測點的監(jiān)測值進行自適應遞推最小二乘處理，得到光纖陀螺儀的溫度輸出值；(3)利用所述的光纖陀螺儀的溫度輸出值與光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型，獲得溫度漂移補償值；(4)將光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)減去所述的溫度漂移補償值，即對光纖陀螺儀進行了溫度補償。
2、根據(jù)權利要求1所述的一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方 法，其特征在于所述步驟(1 )的光纖環(huán)的溫度監(jiān)測點的數(shù)量確定公式為其中 ，"為溫度監(jiān)測點個數(shù)； 丄為光纖環(huán)長度； "光纖環(huán)直徑；A為光纖環(huán)骨架材料的熱傳導系數(shù)；"為光纖環(huán)骨架材料的熱膨脹系數(shù)；A為經(jīng)驗參數(shù)，通常在0.85 5.35之間取值。
3、根據(jù)權利要求1所述的一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方 法，其特征在于當所述的光源為摻鉺光纖光源時，其溫度監(jiān)測點的數(shù)量確定 公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，X為摻鉺光纖平均波長;、，為泵浦波長；A，為泵浦功率；△'為經(jīng)驗參數(shù)，通常在50~80之間取值。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方 法，其特征在于所述步驟(1)中的分布形式采用對稱均布。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方 法，其特征在于所述的Y波導、探測器、耦合器溫度監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)經(jīng)驗 確定， 一般取1個，放置在丫波導、探測器、耦合器的外殼的正中央。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方 法，其特征在于所述的建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型選取三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡Nn, 15即 輸入層與輸出層均取一個節(jié)點，隱含層取5個節(jié)點，隱節(jié)點的激發(fā)函數(shù)選擇公 式<formula>formula see original document page 3</formula>;c BP神經(jīng)網(wǎng)絡的權值調(diào)整公式<formula>formula see original document page 3</formula>式中<formula>formula see original document page 3</formula> 為誤差目標函數(shù)，A是經(jīng)t次權值調(diào)整后BP網(wǎng)絡的實際輸出。
全文摘要
一種光纖陀螺儀分布式分層級溫度誤差補償方法，步驟如下(1)將光纖環(huán)、光源、Y波導、探測器、耦合器五個光學元器件作為溫度監(jiān)測對象，確定各個光學元器件的溫度監(jiān)測點數(shù)量及分布形式；(2)對所述的各個溫度監(jiān)測點的監(jiān)測值進行自適應遞推最小二乘處理，得到光纖陀螺儀的溫度輸出值；(3)利用所述的光纖陀螺儀的溫度輸出值與光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型，獲得溫度漂移補償值；(4)將光纖陀螺儀的實時輸出數(shù)據(jù)減去所述的溫度漂移補償值，即對光纖陀螺儀進行了溫度補償。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術的不足，能夠系統(tǒng)全面的反映光纖陀螺儀內(nèi)部的溫度場，對光纖陀螺儀在溫度環(huán)境條件下的性能研究與改善具有重要工程意義。
文檔編號G01K11/00GK101408427SQ200810226868
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權日2008年11月19日
發(fā)明者于海成, 彭秋芫, 巍 王, 磊 黃 申請人:中國航天時代電子公司