一种光纤陀螺全温非正交角偏差的通用误差补偿方法与流程

本发明涉及一种三轴光纤陀螺的误差补偿方法，尤其是涉及一种光纤陀螺全温非正交角偏差的通用误差补偿方法。

背景技术：

光纤陀螺仪在实际使用过程中，根据应用的领域不同，需要测试与补偿的误差项也不尽相同，大多数领域中需要研究的误差项为陀螺零偏误差和标度因数误差，但是，当光纤陀螺仪应用在飞机或弹上时，光纤陀螺仪非正交角误差将是一个比标度因数误差量更重要的误差项，特别是光纤陀螺仪要求具有较宽的工作温度范围(-45℃～+75℃)时，非正交角误差就是一个必须要考虑的误差项。

光纤陀螺仪非正交角是一个综合误差项,是由多个误差项累加而来，如主体结构件的稳定性、安装面误差和光纤环形变等。非正交角误差可以分为常值误差和温度敏感误差。常值误差主要由陀螺主体结构件加工精度、陀螺安装面平面度和光纤环安装误差等因素导致，常值误差不随陀螺仪的使用环境变化而发生变化。温度敏感误差是指光纤陀螺仪非正交角受温度变化而产生的变化量，其受温度影响主要是由以下几种原因导致：一是组成陀螺的几大光学器件，如光源、耦合器、Y波导、探测器、光纤环等，受温度影响比较敏感，工作环境温度发生变化时,光纤陀螺零偏和标度因数变化，光纤陀螺非正交角也发生偏移；二是光纤环采用保偏光纤绕制，绕制过程中一般热固化胶进行固定，固化胶的用量在实际绕环中很难控制，光纤环内部胶分布不均匀会导致光纤环受温度影响产生物理尺寸形变；三是光纤环在绕制过程中，内部应力释放不均匀，导致在温度不同的情况下导光特性发生了改变，光纤环随制造工艺的不同，其光学参数很难确定，误差产生机理定位十分困难，因此，在现有的工艺条件下，发明一套适用于所有光纤陀螺产品的非正交角全温误差的补偿方法至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于所有光纤陀螺产品的光纤陀螺全温非正交角偏差的通用误差补偿方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光纤陀螺全温非正交角偏差的通用误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对三轴光纤陀螺进行不同温度下的非正交角测量，分别获得三个坐标轴的非正交角随温度变化数据，例如以X轴为基准轴，Y或Z在X轴上的投影分量即为Y或Z相对于X轴的非正角性，由此可求得非正交角；

S2，将步骤S1获得的数据按温度进行分段；

S3，利用分段的数据使用查表法获得参数K_{I_j}的值，并利用式(1)对光纤陀螺的测量值x、y、z进行误差补偿，获得输出值X、Y、Z：

式中，K_{I_j}表示j轴与基准轴I的夹角的余弦值，I＝x或y或z，j＝x或y或z，I≠j，Nx、Ny、Nz分别为三轴光纤陀螺x、y、z轴绝对零偏值，绝对零偏值即当输入角速率为零时光纤陀螺输出量。

所述的步骤S3包括以下步骤：

S31，读取光纤陀螺测量值x、y、z，并将其转换为浮点型数值；

S32，利用式(1)进行浮点型矩阵运算，对浮点型数值x、y、z进行补偿，得到浮点型输出值X、Y、Z；

S33，将浮点型输出值X、Y、Z转换为整型数值作为输出值。

所述的步骤S1中，温度变化范围为-45℃～75℃。

作为优选方案，所述的步骤S2中，每个区间温度增量为5℃～20℃。

作为进一步的优选方案，所述的步骤S2中，每个区间温度增量为10℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过对非正交角随温度变化数据进行分段，可获得准确的光纤陀螺非正交角温度特性，通过对区间的温度增量进行设置，使用查表法获得参数K_{I_j}和N_j的值，可获得不同的误差补偿精度，从而达到误差补偿要求。

(2)误差补偿计算为浮点型计算，计算精度高。

(3)非正交角随温度变化数据的温度变化范围为-45℃～75℃，涵盖了光纤陀螺使用环境温度的最大变化范围，能实现所有可能温度情况下的温度补偿。

(4)将每个区间温度增量设为10℃，同时考虑了大部分光纤陀螺应用范围以及误差补偿的计算速度，综合成本低。

(5)补偿方法简单，可行性高，适用于所有三轴光纤陀螺的非正交角误差补偿。

附图说明

图1为本发明补偿方法的流程图；

图2为实施例1的光纤陀螺补偿前非正交角温度特性曲线图；

图3为实施例1的光纤陀螺补偿后非正交角温度特性曲线图；

图4为实施例2的光纤陀螺补偿前非正交角温度特性曲线图；

图5为实施例2的光纤陀螺补偿后非正交角温度特性曲线图；

图6为实施例3的光纤陀螺补偿前非正交角温度特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，一种光纤陀螺全温非正交角偏差的通用误差补偿方法，包括以下步骤：

S1，对三轴光纤陀螺进行不同温度下的非正交角测量，分别获得三个坐标轴的非正交角随温度变化数据，例如，以X轴为基准轴，Y或Z在X轴上的投影分量即为Y或Z相对于X轴的非正角性，由此可求得非正交角。

以-45℃～75℃为温度变化范围，即全温梯度下的非正交角测量，涵盖了光纤陀螺使用环境温度的最大变化范围，能实现所有可能温度情况下的温度补偿；在非正交角测量中，横坐标表示温度，单位为℃，纵坐标表示非正交角，单位为ˊ。

S2，将步骤S1获得的数据按温度进行分段；

S3，利用分段的数据使用查表法获得参数K_{I_j}的值，并对光纤陀螺的测量值x、y、z进行误差补偿，获得输出值X、Y、Z，具体包括以下步骤：

S31，读取光纤陀螺测量值x、y、z，并将其转换为浮点型数值；

S32，利用式(1)进行浮点型矩阵运算，对浮点型数值x、y、z进行补偿，即用表格中对应区间段的非正交角误差量进行补偿，得到浮点型输出值X、Y、Z；

式中，K_{I_j}表示j轴与基准轴I的夹角的余弦值，夹角即90°减去计算得到的j轴与基准轴I的非正交角，I＝x或y或z，j＝x或y或z，I≠j，Nx、Ny、Nz分别为三轴光纤陀螺x、y、z轴绝对零偏值。

S33，将浮点型输出值X、Y、Z转换为整型数值作为输出值。

因直接读取的光纤陀螺产品输出值为整型，补偿的非正交角相对于输出值而言，是一个小量，为保证其精度，需要进行浮点型的矩阵乘法器，故将测量值x、y、z转换为浮点数；补偿后的结果为浮点数，此处将补偿结果转换为整型并输出，严禁丢失精度。

由于每个光纤陀螺产品的非正交角的变化量随温度变化的变化量基本是不一致的，故需要选取多只产品进行全温梯度下的非正交角测量试验，对这些数据进行分析其随温度的变化特性，得出分段及表格。

本实施例选取1501001Y产品作为研究对象，从图2所示的1501001Y产品随温度变化的非正交特性可以看出，非正交角随温度升高而降低，其全温变化量达12ˊ，若是每20℃进行分段求K_{I_j}、Nx，非正交角全温变化量补偿精度可达到4ˊ；若是每10℃进行分段求K_{I_j}、Nx，非正交角全温变化量补偿精度可达到2ˊ；若是每5℃进行分段求K_{I_j}、Nx，非正交角全温变化量补偿精度可达到0.6ˊ。

鉴于光纤陀螺的应用范围，正常情况下，低精度光纤陀螺的非正交角全温变化量要求为12ˊ，中精度光纤陀螺的非正交角全温变化量要求为8ˊ，高精度光纤陀螺的非正交角全温变化量要求为4ˊ，当然，不排除个别应用情况对该指标提出过高的要求。鉴于市场应用情况，在进行非正交角误差补偿时，以每10℃进行分段补偿最为合适。分段区间长度越短，补偿计算速度越慢。

利用本发明的补偿方法对图2的曲线取其临界温度点的K_{I_j}、Nx进行补偿， 得到图3所示的补偿后非正交角温度特性曲线图，可见补偿后其非正交角全温变化量在2ˊ左右。

实施例2

本实施例选取1501002Y产品作为研究对象，从图4所示的1501002Y产品随温度变化的非正交特性可以看出，非正交角随温度升高而升高，其全温变化量达8ˊ，若是每20℃进行分段求K_{I_j}、Nx，非正交角全温变化量补偿精度可达到4ˊ；若是每10℃进行分段求K_{I_j}、Nx，非正交角全温变化量补偿精度可达到0.5ˊ；若是每5℃进行分段求K_{I_j}、Nx，非正交角全温变化量补偿精度可达到0.3ˊ。

同理，鉴于光纤陀螺的应用范围以及市场应用情况，在进行非正交角误差补偿时，以每10℃进行分段补偿。

利用本发明的补偿方法对图4的曲线取其中间温度点的K_{I_j}、Nx进行补偿，得到图5所示的补偿后非正交角温度特性曲线图，可见补偿后其非正交角全温变化量在0.5ˊ左右。

实施例3

本实施例选取1501003Y产品作为研究对象，从图6所示的1501003Y产品随温度变化的非正交特性可以看出，非正交角随温度升高而升高，其全温变化量只有0.8ˊ，鉴于补偿前变化量本身较小，已经可以达到高精度的要求，故未对其进行误差补偿。

实施例1～3的三种曲线非常有代表性，基本上表示了光纤陀螺的所有非正交角的温度特性。以上实施例表明，非正交角补偿前全温变化量最高达12ˊ，补偿后全温变化量小于2ˊ，本发明的补偿方法大大提高了光纤陀螺仪的全温性能，适用于所有光纤陀螺仪。