专利名称：一种基于时间序列分析消噪的光纤陀螺温度补偿方法
技术领域：
本发明涉及ー种基于时间序列分析消噪的光纤陀螺温度补偿方法，它详细阐述了时间序列分析消 除噪声以及温度补偿的方法，这种方法应用于光纤陀螺输出和温度关系的辨识中，可以有效地辨识出这种关系，建立精确的模型，提高温度补偿的有效性。该技术属于航空、航天导航技术领域。
(ニ)
背景技术：
光纤陀螺作为ー种发展极为迅速的新型惯性角速度传感器，以其特有的技术和性能优势，如全固态结构、可靠性高、寿命长；启动速度快，响应时间短；测量范国大，动态范围宽；抗冲击、振动，耐化学腐蚀；体积小、重量轻、成本低；适合大批量生产等，已经广泛用于各工程技术领域。工程化的光纤陀螺，为适应不同领域的应用，一般要具有较宽的工作温度范围(通常-40°C 60°C)。构成光纤陀螺的主要器件如光纤线圈、集成光学器件、光源、耦合器等对温度较为敏感，当环境温度发生变化时，在陀螺的输出信号中将产生非互易相位误差，导致光纤陀螺零偏和标度因数的不稳定，并最终影响光纤陀螺在不同温度下的检测精度。因此，进行光纤陀螺温度特性的研究并对其实施温度漂移误差补偿，以提高陀螺在不同温度条件下的适用性，是光纤陀螺走向实用化的必要环节。国内外近年来对光纤陀螺温度漂移误差补偿进行的各项工作，主要包括光纤陀螺机理结构的改善、硬件温控措施及软件补偿等内容。对光纤陀螺进行结构改进或对其进行硬件温控受到成本及技术等多方面制约，带有硬件温控的光纤陀螺结构复杂、功耗大，启动时间长，不适应快速启动的要求，而软件补偿可改善这ー缺陷，更易于实现。补偿光纤陀螺温度漂移误差的方法主要包括下述几个方面(I)光纤陀螺结构及组成部件的改进。可选择热膨胀系数和折射率温度系数低的石英材料制作纤芯，采用热传导系数高的光线外涂复合材料使各光纤层之间形成“热短路”
坐寸o(2)改善光纤环绕制技木。为减少热致非互易性，同时考虑到微弯损耗，光纤环通常采用如下四种绕制方法1)柱形绕法；。2)对称绕法；3)双极对称绕法；4)四级对称绕法。(3)对光纤陀螺进行温度控制。光纤陀螺中的光学元器件性能随温度的变化，及电路部分各器件发热不同造成的陀螺内部温度场的非线性变化，都会影响陀螺工作的热平衡状态，直接造成光纤陀螺的零偏漂移。使光纤陀螺迅速进入并稳定工作在热平衡状态，会极大地改善陀螺的输出特性。(4)误差建模及补偿对于给定的光纤陀螺，在一定的温度变化情况下，产生的非互易相位噪声是确定的。因此，对光纤陀螺温度特性进行实验研究，建立温度漂移误差模型并实施温度补偿是解决光纤陀螺温度漂移问题的有效手段之一。目前常用的模型主要有如下几种1)线性模型或多项式模型；2)神经网络模型；3)小波网络；4)模糊逻辑；5)受控马氏链模型；6)支持向量机。其中多项式模型及神经网络模型应用最为广泛。时间序列分析是ー种时域分析方法，不仅研究过程的确定性变化，而且更着重于研究过程的随机性变化，是ー种对有序的随机数据进行分析和研究，将现在时刻的值用过去时刻的值表示，并预测系统未来值的数据处理方法。时间序列分析法建模就是对所观测到的时间序列数据yu y2,…，7 拟合出适用的时间序列模型。建模内容包括数据的采集、数据的统计分析(平稳性分析和相关函数分析)与预处理、模型形式的选取、模型參数的估计、模型适用性检验等问题，其中模型參数的选择最关键，其次是模型的适用性检验。对于光纤陀螺的建模一般采用自回归模型(AR模型)、自回归-滑动平均混合模型(ARMA模型)。当输出序列是非平稳时间序列时，一般采用自回归差分滑动平均模型(ARIMA模型)。在时间序列分析中，用相邻观测数据或一定间隔的观测数据的差分方法，能方便地除去序列中的非周期性或周期性趋势项，利于对光纤输出数据进行模型參数辨识和噪声统计特性计算。在求出模型參数和噪声统计特性的基础上，通过卡尔曼滤波/平滑技术可达到良好的消噪效果。本发明提出了通过大量实验得到的数据，经过时间序列分析方法建立陀螺零偏随机误差模型，通过卡尔曼滤波技术进行消噪处理；并在此基础上进行温度模型结构和參数 辨识，建立光纤陀螺温度漂移误差模型，实现温度补偿。该方法能够更有效的辨识出陀螺零偏温度特性，建立精确的模型进行实时补偿，满足工程化要求。

发明内容
本发明提供了ー种基于时间序列分析消噪的光纤陀螺温度补偿方法。该方法利用时间序列分析建立光纤陀螺零偏的随机误差模型，在求出模型參数和噪声统计特性的基础上，采用卡尔曼滤波实现光纤陀螺零偏数据中噪声的降低，有效辨识出陀螺零偏温度特性，最后对消噪后的陀螺数据建立温度漂移误差的多项式模型，用最小二乗法求得模型參数，实现光纤陀螺的温度漂移误差补偿。本发明ー种基于时间序列分析消噪的光纤陀螺温度补偿方法，该方法具体步骤如下步骤ー设计温度特性测试实验方案，对光纤陀螺进行定点温度实验，采集陀螺数据。温度实验采用静态测试，其中，X，Y，Z轴光纤陀螺分别指向东、北、天。为了研究温度对光纤陀螺零偏的影响，分别在-30°C、-20°C、-1 (TC、(TC、I (TC、20°C、30°C、40°C、50°C、60°C环境温度下(或根据工作温度确定所选温度点)，对光纤陀螺进行高低温测试。在每ー个温度点保温两小时后測量一小吋，并通过采集软件记录光纤陀螺自身的温度和相应光纤陀螺零偏值。步骤ニ 对陀螺零偏数据进行时间序列分析，建立光纤陀螺随机误差的数学模型。如图I所示，具体的建模步骤为(I)对陀螺测试样本数据进行统计检验和预处理。首先剔除数据中的异常值，其次进行平稳性检验，如发现为非平稳的，应剔除其中确定性的趋势项，再次进行周期性检验，如发现潜周期分量，应剔除其中能量较大的潜周期分量，最后对去除了趋势项和潜周期分量的残差序列进行正态性检验。如果经过检验的陀螺测试数据的残差序列是非正态时间序列，应进行差分处理使之成为正态时间序列，然后建立随机误差模型。具体方法如下。
I)数据异常值剔除本发明采用拉依达准则判别异常值。假定数据的总体是正态分布，则P(|x-u I >3 O )<0. 003 (5-1)其中X为随机变量，U和O为数据总体的数学期望和标准差，P为满足括号内条件的概率。设数据为X1, X2,，Xn，均值为i,残差为Vk(k=l, 2，…，n)，标准差为
权利要求
1.ー种基于时间序列分析消噪的光纤陀螺温度补偿方法，其特征在于该方法具体歩骤如下 步骤ー设计温度特性测试实验方案，对光纤陀螺进行定点温度实验，采集陀螺数据；温度实验采用静态测试，其中，X，Y，Z轴光纤陀螺分别指向东、北、天；为了研究温度对光纤陀螺零偏的影响，分别在-30°C、-20°C、-10°C、(TC、10°C、20 V、30°C、40 V、50°C、60で环境温度下，对光纤陀螺进行高低温测试；在每ー个温度点保温两小时后測量ー小时，并通过采集软件记录光纤陀螺自身的温度和相应光纤陀螺零偏值； 步骤ニ 对陀螺零偏数据进行时间序列分析，建立光纤陀螺随机误差的数学模型；其具体的建模步骤为 (I)对陀螺测试样本数据进行统计检验和预处理，首先剔除数据中的异常值，其次进行平稳性检验，如发现为非平稳的，应剔除其中确定性的趋势项，再次进行周期性检验，如发现潜周期分量，应剔除其中能量较大的潜周期分量，最后对去除了趋势项和潜周期分量的残差序列进行正态性检验；如果经过检验的陀螺测试数据的残差序列是非正态时间序列，应进行差分处理使之成为正态时间序列，然后建立随机误差模型；具体方法如下 1)数据异常值剔除 采用拉依达准则判别异常值；假定数据的总体是正态分布，则
全文摘要
一种基于时间序列分析消噪的光纤陀螺温度补偿方法，它有四个步骤步骤一设计实验方案，对光纤陀螺进行定点高低温测试实验，利用采集软件进行数据采集。步骤二对陀螺零偏数据进行时间序列分析，建立光纤陀螺随机误差的数学模型。步骤三采用卡尔曼滤波算法滤除光纤陀螺零偏数据中的随机噪声。步骤四利用卡尔曼滤波消噪后的数据对光纤陀螺温度漂移误差模型结构进行辨识，并对辨识后模型进行解算参数。本发明经过时间序列分析和卡尔曼滤波消噪处理，并进行温度漂移误差模型结构和参数辨识，建立光纤陀螺静态温度漂移误差多项式模型。该方法完全符合工程上的实时补偿要求，在航空航天导航技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。
文档编号G01C25/00GK102650527SQ20121016695
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者周小红, 宋凝芳, 宋来亮, 晁代宏, 王振飞 申请人:北京航空航天大学