程建華, 齊　兵, 趙　琳

(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)的設(shè)計

程建華, 齊兵, 趙琳

(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償準(zhǔn)確性不高的問題,設(shè)計了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)。根據(jù)對熱致非互易相位延遲的深入分析,對不同條件下的熱致非互異性相位延遲進行了定性的分析和定量的仿真;建立了基于溫度、溫度變化量和溫度相乘量的溫漂誤差模型;設(shè)計了基于升降溫實驗的溫漂誤差補償模型辨識方法,并采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精確辨識該溫漂誤差模型參數(shù);基于TMS320F28335、高精度溫度測量單元、解編碼電路和輔助電路設(shè)計,完成了溫漂誤差補償系統(tǒng)設(shè)計;提出了用于評估溫漂誤差補償系統(tǒng)的均方差評估公式。論文給出了溫漂誤差補償系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)步驟。溫補實驗對比結(jié)果表明,該溫漂誤差補償系統(tǒng)的補償精度高、可靠性好,能夠?qū)⒐饫w陀螺儀輸出精度提高一個數(shù)量級,可廣泛用于干涉式光纖陀螺儀的溫漂誤差補償。

關(guān)鍵詞：干涉式光纖陀螺儀; 溫漂誤差; RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 溫度乘積量; 均方差評估

0引言

光學(xué)陀螺儀是目前中、高精度捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)廣泛采用的核心部件,主要包括干涉式光纖陀螺儀和激光陀螺儀。相比于激光陀螺儀,干涉式光纖陀螺儀具有啟動快、成本低、可靠性高以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,而且不存在閉鎖效應(yīng),能夠準(zhǔn)確測量較小的角速度[1]。因此,干涉式光纖陀螺儀越來越多的被用于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中。

環(huán)境溫度是影響干涉式光纖陀螺儀精度特性的一個重要因素[2]。這是因為環(huán)境溫度變化會影響光纖環(huán)的物理特性,由此產(chǎn)生的熱致非互易性相位延遲會導(dǎo)致干涉式光纖陀螺儀產(chǎn)生不可忽視的溫度漂移誤差,進而激勵慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生速度和方位誤差,以及隨時間累積的位置誤差[3]。這對于連續(xù)長時間工作的應(yīng)用領(lǐng)域,如船用慣導(dǎo)系統(tǒng),將產(chǎn)生重大的影響。例如,以輸出精度為±0.01(°)/h的光纖陀螺儀為例,若光纖環(huán)溫度變化10oC,光纖陀螺儀輸出0.15(°)/h的溫度漂移誤差,這會激勵慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生十分明顯的導(dǎo)航誤差,并使得慣導(dǎo)系統(tǒng)的實際導(dǎo)航性能無法滿足導(dǎo)航性能要求[4]。因此,建立干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)是十分必要的。

目前,已有多種干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)用于補償溫漂誤差。文獻[5]給出了一種基于(back-propagation artificial neural network, BP-ANN) 的光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光纖環(huán)溫度和光纖環(huán)溫度變化量作為系統(tǒng)輸入,以光纖陀螺儀輸出作為系統(tǒng)輸出。該系統(tǒng)提升了補償實時性,但沒有克服BP-ANN存在局部最小值的缺點。為克服局部最小值,文獻[6]采用RBF-ANN代替BP-ANN,采用系統(tǒng)運行時間作為系統(tǒng)輸入,光纖陀螺儀輸出作為系統(tǒng)輸出。該系統(tǒng)雖然克服了局部最小值,但是降低了系統(tǒng)通用性。為兼顧提高系統(tǒng)通用性,文獻[7]提出了一種以光纖環(huán)溫度作為系統(tǒng)輸入,光纖陀螺儀輸出作為系統(tǒng)輸出且基于RBF-ANN的溫漂誤差補償系統(tǒng)。在克服了局部最小值的基礎(chǔ)上,該系統(tǒng)提高了補償精度和通用性,但由于系統(tǒng)輸入過少,其逼近非線性模型的能力沒有得到有效提升。因此,文獻[8-9]提出了一種基于RBF-ANN和多輸入變量的溫漂誤差補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖環(huán)溫度和光纖環(huán)溫度變化量作為系統(tǒng)輸入,采用光纖陀螺儀輸出作為系統(tǒng)輸出。該系統(tǒng)將溫度補償精度提高了一個數(shù)量級,而且將系統(tǒng)啟動時間提高了50%。但是,由于光纖環(huán)溫度變化量比較微弱,其在優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時所起的作用不太明顯。

基于此,本文設(shè)計了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和溫度相乘量的干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)。針對船用領(lǐng)域的環(huán)境溫度特性[10],基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和溫度相乘量的干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)能夠有效減小光纖陀螺儀的溫度漂移誤差,并且能夠?qū)⒐饫w陀螺儀輸出精度提高一個數(shù)量級。這對于提高光纖陀螺儀的準(zhǔn)確性和有效性,確保捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

1溫漂誤差補償系統(tǒng)總體方案

干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)主要由高精度溫度測量單元和溫度補償單元組成,其總體方案如圖1所示。

圖1　總體方案設(shè)計圖

首先,溫度補償單元按照通訊規(guī)約解碼干涉式光纖陀螺儀輸出。然后,基于高精度溫度測量單元輸出的溫度相關(guān)量,溫度補償系統(tǒng)實時計算干涉式光纖陀螺儀的溫漂誤差,并將該溫漂誤差補償?shù)礁缮媸焦饫w陀螺儀輸出。最后,按照通訊規(guī)約編碼補償后的干涉式光纖陀螺儀輸出,從而完成溫漂誤差補償。

作為干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,高精度溫度測量單元需消除測溫電路中的非線性誤差,降低溫度傳感器PT1000的自熱效應(yīng),抑制熱電動勢對測溫精度的影響[11];溫度補償單元需減小溫漂誤差補償模型的非線性誤差,并力求優(yōu)化溫漂誤差補償模型結(jié)構(gòu),提高溫度補償精度,基于軟件編程的補償算法需提升溫漂誤差補償模型的可操作性。該溫漂誤差補償系統(tǒng)具有補償精度高、通用性好和易于實現(xiàn)等優(yōu)點,可廣泛用于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中。

2溫漂誤差補償模型的設(shè)計

對于干涉式光纖陀螺儀來說,若一束光分別沿著順時針方向(clockwise, CW)和逆時針方向(conuter clockwise, CCW)通過長度為L、折射率為n的同一光纖環(huán)時,光纖環(huán)上距離端點A為Z處的溫度變化導(dǎo)致該點的熱致非互易相位延遲如式(1)所示:

(1)

式中,?T(z,t)/?t為光纖環(huán)上Z點的溫度變化量;n為光纖折射率;λ為光波波長;αT為光纖熱脹系數(shù);c為Y波導(dǎo)中的光速[12]。由式(1)可知,光纖陀螺儀的熱致非互易相位延遲與光纖環(huán)溫度T、光纖環(huán)溫度變化量?T/?t有關(guān),基于此,可建立溫漂誤差補償模型為

(2)

由式(1)可知,干涉式光纖陀螺儀的熱致非互易相位延遲還與光纖折射率?n/?t有關(guān)。已知光纖折射率可表示為n(λ,T,ε),其中λ為光波波長,T為環(huán)境溫度,ε為所受應(yīng)力。在環(huán)境溫度為T0下,光纖折射率的溫度系數(shù)CT為

(3)

假設(shè)長度為L的光纖置于環(huán)境溫度為T0的測試環(huán)境中,則有如下光程平衡方程[13]:

(4)

式中,L0(T0)為理論光程;L(T0)為實際光程;x為光纖端到掃描反射鏡的距離。當(dāng)環(huán)境溫度升高時,由于熱膨脹效應(yīng),此時的光程平衡方程為

(5)

式中,αT=5.5×10-7/oC為光纖熱脹系數(shù);Δx為掃描反射鏡位移量。

將式(4)代入式(5)中可得

(6)

聯(lián)立式(3)和式(6)可得

(7)

將式(7)代入式(1)中,化簡后可得

(8)

式中,ΔT=?T(z,t)/?t。根據(jù)線脹系數(shù)公式:

dz=L-L0=αTL0T

(9)

將式(9)代入式(8)可得

(10)

為說明溫度乘積量T×ΔT在提高溫漂誤差補償系統(tǒng)補償精度方面起到的關(guān)鍵作用,基于Matlab的3組仿真實驗分別給出了不同實驗條件下由溫度乘積量T×ΔT所導(dǎo)致的光纖陀螺儀的熱致非互易相位延遲。已知光纖熱脹系數(shù)為αT=5.5×10-7/℃,假設(shè)光纖環(huán)長度L0=1 000m,同時令波長為1 550nm的光波射入光纖環(huán)。仿真實驗條件如表1所示。

表1　仿真實驗條件

任選光纖環(huán)上一點作為參考點,例如,距離端點0.25L0處的某點。當(dāng)參考點附近的環(huán)境溫度按表1所示的溫度變化區(qū)間從-10oC變化到40oC時,此時的熱致非互易相位延遲如圖2所示。

圖2　熱致非互易相位延遲仿真結(jié)果

如圖2可知,由溫度乘積量T×ΔT導(dǎo)致的熱致非互易相位延遲的最大值超過0.2(°)/h,這對于高精度光纖陀螺儀來說影響極大?；诖丝芍?引入溫度乘積量T×ΔT會大大提高光纖陀螺儀的實際輸出精度。因此,溫度乘積量T×ΔT是建立溫漂誤差補償模型是不可忽視的因素,同時也是提高光纖陀螺儀精度的關(guān)鍵因素。基于此,重新建立改進型溫漂誤差補償模型為

(11)

已知溫漂誤差補償模型是先驗?zāi)Ｐ?并且環(huán)境溫度與光纖陀螺儀輸出具有明顯的非線性關(guān)系。根據(jù)映射網(wǎng)絡(luò)存在定理,1個3層前向網(wǎng)絡(luò)能在任意期望精度上逼近任意連續(xù)函數(shù)。而且,具備準(zhǔn)確逼近非線性模型能力的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠避免局部最小值。因此,基于補償模型最優(yōu)化和最簡化考慮,采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立改進型溫漂誤差補償模型,其具體形式如下所示:

(12)

3溫漂誤差補償模型辨識方法

溫漂誤差補償模型辨識的優(yōu)劣決定了干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)的補償性能。因此,針對船用光纖陀螺儀應(yīng)用,基于集成了高精度轉(zhuǎn)臺的高低溫箱(SET-Z-021UF),設(shè)計了干涉式光纖陀螺儀的升降溫實驗,實驗步驟如下:

步驟 1將所選光纖陀螺儀安裝于高精度轉(zhuǎn)臺,同時記錄實驗時高精度轉(zhuǎn)臺的具體指向。

步驟 2將環(huán)境溫度降低至-10oC,待光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出穩(wěn)定后,記錄光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出。

步驟 3將環(huán)境溫度升高溫度至40oC,并保證光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出維持穩(wěn)定2 h,同時記錄下升溫過程中的光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出。

步驟 4將環(huán)境溫度降低溫度至-10oC,并保證光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出維持穩(wěn)定2 h,同時記錄下降溫過程中的光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出。

步驟 5求取升降溫過程中的光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出的平均值。

高低溫箱溫度變化流程圖如圖3所示。

圖3　高低溫箱溫度變化流程圖

該升降溫實驗的優(yōu)勢在于,其完全能夠考核出在-10～40oC范圍內(nèi)光纖陀螺儀的溫度特性;高性能的高低溫箱和高精度溫度測量系統(tǒng)為溫度數(shù)據(jù)的有效性和可靠性提供了有力的保障;求取升降溫過程中的光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出的平均值能夠減小偶然誤差,提高數(shù)據(jù)的可信性;高精度轉(zhuǎn)臺為評估溫漂誤差補償模型的補償效果提供了精確的理論值。

根據(jù)式(12),改進型溫漂誤差補償模型的輸入量為T、ΔT和T×ΔT,其中T可由溫度實驗直接獲得。ΔT可由式(13)得到:

(13)

T×ΔT可由式(14)得到:

(14)

利用所得到的T、ΔT、T×ΔT和光纖陀螺儀輸出建立改進型溫度漂移誤差補償模型,具體步驟如下所示:

步驟 1分別進行兩組溫度實驗,任取其中一組實驗數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本,選擇另一組為驗證樣本。

步驟 2令訓(xùn)練樣本中的光纖陀螺儀輸出減去光纖陀螺儀輸出均值,即可得到光纖陀螺儀的溫漂偏差Q。

步驟 3利用訓(xùn)練樣本中的T、ΔT、T×ΔT和溫漂偏差Q訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),直至RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與溫漂偏差Q對應(yīng)值的差值滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

步驟 4用光纖陀螺儀輸出減去實測溫度下的光纖陀螺儀溫度漂移誤差即可得到補償后的光纖陀螺儀輸出。

步驟 5利用驗證樣本檢驗該溫度漂移誤差補償模型的補償準(zhǔn)確性。

基于以上各步驟建立的改進型溫漂誤差補償模型具有普遍適用于各型光纖陀螺儀。該溫漂誤差補償模型結(jié)構(gòu)辨識方法具有較高的準(zhǔn)確性和通用性。該辨識方法可操作性強,易于實現(xiàn),并且具有良好的適用性,能夠不依賴特定的樣本數(shù)據(jù)建立溫漂誤差補償模型,適用于各種類型的溫漂誤差補償系統(tǒng)。

由于溫漂誤差補償模型是基于Matlab訓(xùn)練的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的,利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù),通過軟件編程即可實現(xiàn)溫漂誤差補償模型。溫漂誤差補償模型由隱含層輸出表達(dá)式a1和模型輸出表達(dá)式a2構(gòu)成。隱含層輸出表達(dá)式a1如下所示:

(15)

(16)

(17)

模型輸出表達(dá)式a2如下所示:

a2=LW(2,1)a1+b2

(18)

式中,a2為模型輸出;LW(2,1)為權(quán)值矩陣;b2為偏差向量。a1、a2的計算流程如圖4所示。

圖4　a1、a2計算框圖

4溫漂誤差補償模型的具體實現(xiàn)

干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)主要包括微控制器、高精度溫度測量電路、解編碼電路和輔助電路。

(1) 選用DSP處理器TMS320F28335作為微控制器,其具有性能高、精度高、成本低、功耗低等優(yōu)點。該處理器支持動態(tài)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)配置,其主頻最高可配置為150MHz。其內(nèi)核采用1.9V供電,外圍設(shè)備采用3.3V供電,可工作在低功耗模式,大大降低控制器的整體功耗。

(2) 高精度溫度測量電路基于阻值比較法,利用差分放大器INA118消除導(dǎo)線電阻誤差,利用序列激勵電壓電路消除熱電動勢并降低PT1000的自熱效應(yīng),利用具有同步采樣功能的18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7608完成溫度信號的轉(zhuǎn)換。

(3) 解編碼電路利用芯片MAX3077實現(xiàn)串口與RS422設(shè)備之間的通訊,從而實現(xiàn)光纖陀螺儀和溫漂誤差補償系統(tǒng)之間、溫漂誤差補償系統(tǒng)和上位機之間的信息交換。

(4) 輔助電路主要完成電源的轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)采用12V輸入,利用MIW3025將12V電壓轉(zhuǎn)換為±5V為高精度溫度測量電路供電,利用MIW3022將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V,利用TPS767D318將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V和1.9V為微處理器供電。并且,各級電壓均采用濾波和穩(wěn)壓,保證系統(tǒng)正常工作。

干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)的實物圖如圖5所示。

圖5　溫漂誤差補償系統(tǒng)實物圖

5實驗驗證

根據(jù)升降溫實驗的具體步驟,任選某型光纖陀螺儀作為北向陀螺進行升降溫實驗。然后,基于升降溫實驗結(jié)果,利用光纖環(huán)溫度T、光纖環(huán)溫度變化量ΔT、光纖環(huán)溫度乘積量T×ΔT和光纖陀螺儀輸出訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)式(15)和式(18),對已經(jīng)建立的干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)進行軟件編程,并將程序下載到微控制器TMS320F28335中。

然后,再次利用升降溫實驗對建立完畢的干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)進行5組隨機驗證測試。驗證測試實驗的具體步驟如下:

步驟 1將環(huán)境溫度降到-10oC,并保證待光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出穩(wěn)定后,記錄光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出。

步驟 2利用高低溫箱以10oC/h的溫變間隔將環(huán)境溫度升高溫度至40oC,同時記錄下升溫過程中的光纖環(huán)溫度和光纖陀螺儀輸出。

為方便驗證溫漂誤差補償系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,令高精度轉(zhuǎn)臺精確指北,此時光纖陀螺儀輸出值為0°/h?；诖?在-10～40oC溫度范圍內(nèi),干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)估計出的溫漂誤差如圖6所示。溫度補償前后的驗證測試實驗結(jié)果如圖7所示。

圖6　溫漂誤差補償系統(tǒng)溫漂誤差估計值

圖7　溫度補償前后驗證測試實驗結(jié)果

為檢驗溫度補償?shù)臏?zhǔn)確度,采用均方差評估公式評估溫漂誤差補償系統(tǒng)。均方差評估公式如式(19)所示:

ERR=MSE(d-a)

(19)

式中,ERR代表所求的均方差;MSE代表均方差求取公式;d代表待評估數(shù)據(jù);a代表待評估數(shù)據(jù)真值,此時a=0°/h。均方差評估公式利用預(yù)估值與真值的差值均方差來評估兩組數(shù)據(jù)的緊密程度,均方差越小則兩組數(shù)據(jù)的緊密程度越高,改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)的補償精度越高。改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)的溫度補償前后均方差如表2所示。

表2　測試均方差

由圖6和圖7可知,改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確估計光纖陀螺儀的溫漂誤差,并且能夠有效地提高光纖陀螺儀的準(zhǔn)確性;由表2可知,補償后均方差比補償前均方差明顯減小,經(jīng)過溫漂誤差補償系統(tǒng)補償后的光纖陀螺儀輸出提高了一個數(shù)量級。

已知傳統(tǒng)的溫漂誤差補償系統(tǒng)和改進型溫漂誤差補償模型分別如式(20)和式(21)所示:

(20)

(21)

為說明改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)的溫度補償精度優(yōu)于傳統(tǒng)的溫漂誤差補償系統(tǒng),基于升降溫實驗,以0.5oC/min溫變速率將環(huán)境溫度從-10oC提高到40oC,并對改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)進行5組實際測試。同時,為驗證溫漂誤差補償系統(tǒng)的通用性,令高精度轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180°。此時,光纖陀螺儀原始數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)的溫漂誤差補償系統(tǒng)和改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8　傳統(tǒng)和改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)實測結(jié)果

根據(jù)式(19)可得,原始數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的溫漂誤差補償系統(tǒng)和改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)的均方差評估公式如下所示:

ERR1=MSE(d-a)

(22)

ERR2=MSE(d(T,ΔT)-a)

(23)

ERR3=MSE(d(T,ΔT,T×ΔT)-a)

(24)

式中，a=180°/h,所求的均方差如表3所示。

表3　均方差對比值

基于圖8可知,改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)準(zhǔn)確估計出光纖陀螺儀的溫漂誤差,并且大大降低溫度對光纖陀螺儀的影響。由表3可知,改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)的均方差均小于原始數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的溫漂誤差補償系統(tǒng)的均方差,補償精度提高了一個數(shù)量級。因此,改進型溫漂誤差補償系統(tǒng)不僅能夠保證光纖陀螺儀的連續(xù)性和準(zhǔn)確性,而且還提高了光纖陀螺儀的實際輸出精度。

6結(jié)論

本文通過對影響熱致非互易性相位延遲的關(guān)鍵因素的定性和定量的分析,建立了基于溫度T、溫度變化量ΔT和溫度相乘量T×ΔT的溫漂誤差模型,利用基于升降溫實驗和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫漂誤差補償模型辨識方法精確辨識溫漂誤差模型參數(shù),采用TMS320F28335、高精度溫度測量單元、解編碼電路和輔助電路設(shè)計完成了溫漂誤差補償系統(tǒng)的設(shè)計,并利用均方差評估公式對溫漂誤差補償系統(tǒng)的溫度補償效果進行了有效的評估。根據(jù)評估結(jié)果可知,干涉式光纖陀螺儀溫漂誤差補償系統(tǒng)能夠有效抑制光纖陀螺儀的溫度漂移誤差,保證了補償后的光纖陀螺儀輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性,同時使得光纖陀螺儀的實際輸出精度提高了一個數(shù)量級。該溫漂誤差補償系統(tǒng)還是一種通用模型,適用于各類需要溫度補償?shù)膱龊稀Ｒ虼?對于需要高度小型化和良好穩(wěn)定性的慣性導(dǎo)航設(shè)備的工業(yè)生產(chǎn)以及軍事領(lǐng)域來說,該溫漂誤差補償系統(tǒng)具有重要的實際意義。

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齊兵(1985-),男,博士研究生,主要研究方向為慣性器件溫度特性研究與溫度補償。

E-mail:qibing336699@163.com

程建華(1977-),男,副教授,博士,主要研究方向為慣性導(dǎo)航與定位技術(shù)、組合導(dǎo)航技術(shù)。

E-mail:ins_cheng@163.com

趙琳(1968-),男,教授,博士,主要研究方向為慣性導(dǎo)航與定位技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、組合導(dǎo)航技術(shù)。

E-mail:zhaolin@hrbeu.edu.cn

Design of compensation system for temperature drift errors of interferometric fiber optical gyroscopes

CHENG Jian-hua, QI Bing, ZHAO Lin

(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:In order to solve the problem that temperature drift errors (TDE) of interferometric fiber optical gyroscopes (IFOG) can not be compensated exactly, a modified compensation system for TDE of IFOG is designed with radial basis function artificial neural network (RBF-ANN). According to the detailed analysis of the thermal induced nonreciprocity phase delay, a TDE model is built based on the temperature, temperature variation and temperature product term; the RBF-ANN is trained to identify the parameters of the TDE model precisely; the compensation system is realized based on a microcontroller TMS320F28335, a high-precision temperature measurement unit, a decode-encode unit and an auxiliary unit. The methods to design the compensation system and the realization steps are shown in this article. The comparable results of temperature experiments show that the compensation system is high-accurate and well-reliable, and the actual output precision of IFOG can be raised to a high order of magnitude. The modified compensation system for TDE of IFOG can be used in compensation for TDE of IFOG.

Keywords:interferometric fiber optical gyroscopes(IFOG); temperature drift errors (TDE); radial basis function artificial neural network (RBF-ANN); temperature product term; mean square deviation

收稿日期：2015-04-20；修回日期：2015-09-26；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-02-15。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61374007，61273081，61104036)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(HEUCFX41309)資助課題

中圖分類號：U 666.1

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.06.25

作者簡介：

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160215.1450.016.html