激光陀螺是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件,具有啟動時間短、精度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn),在航空、航天以及導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。棱鏡式激光陀螺采用全反射棱鏡構(gòu)成閉合光路,具有背向散射小、免鍍膜等優(yōu)點(diǎn)。但這種陀螺突出的問題是光路在棱鏡中傳輸距離較長,光學(xué)穩(wěn)定性容易受到溫度變化的影響。此外,為了避免傳統(tǒng)壓電陶瓷推拉反射鏡穩(wěn)頻帶來的棱鏡應(yīng)力雙折射效應(yīng),這種陀螺采用加熱器作為穩(wěn)頻伺服機(jī)構(gòu),通過控制諧振腔內(nèi)一段氣體的折射率,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻控制。但在變溫環(huán)境中,外界熱量傳遞到腔體內(nèi)部的熱弛豫現(xiàn)象、陀螺自身發(fā)熱、溫度引起的物理和幾何特性變化等,均會影響激光陀螺的零偏穩(wěn)定性。本論文針對溫度對棱鏡式激光陀螺的影響,分別從陀螺的內(nèi)部穩(wěn)頻控制參數(shù)和整體零偏兩個方面進(jìn)行溫度補(bǔ)償。論文的主要研究內(nèi)容有:第一,介紹激光陀螺的工作原理及誤差理論,重點(diǎn)介紹棱鏡式激光陀螺的結(jié)構(gòu)特征,分析這種陀螺的溫度特性。第二,根據(jù)棱鏡式激光陀螺穩(wěn)頻熱傳導(dǎo)存在熱馳豫的特點(diǎn),采用有限元分析法構(gòu)建分析模型,仿真環(huán)境溫度變化條件下,陀螺穩(wěn)頻通道內(nèi)氣體溫度場的分布情況,總結(jié)熱馳豫對諧振腔穩(wěn)頻工作的影響。第三,根據(jù)穩(wěn)頻控制原理,在穩(wěn)頻控制中加入溫度補(bǔ)償修正項(xiàng),將熱弛豫模型結(jié)合光學(xué)原理分析,最終將熱弛豫歸結(jié)到跳模電壓上。將溫度(-40℃～70℃)每隔10℃一段,分成11段,對陀螺進(jìn)行分溫度段、分參數(shù)段的穩(wěn)頻伺服控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,棱鏡式激光陀螺的零偏穩(wěn)定性得到一定的提高。第四,對陀螺整體進(jìn)行零偏溫度補(bǔ)償時,為了解決陀螺輸出脈沖曲線在擬合過程中的非線性,以及保證模型對環(huán)境的適應(yīng)性,通過對比最小二乘、逐步回歸、樣條插值和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)四種建模方法,提出了帶有重疊區(qū)域的分段最小二乘法,并在靜態(tài)溫度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上引入溫度的導(dǎo)數(shù)和溫度導(dǎo)數(shù)叉乘項(xiàng)以滿足復(fù)雜變溫環(huán)境的要求。第五,經(jīng)過對陀螺變溫測試,分別分析了陀螺有無采用重疊區(qū)域的分段最小二乘法補(bǔ)償后的精度,結(jié)果表明采用重疊區(qū)域的分段最小二乘法對陀螺精度提升效果更加明顯。在此基礎(chǔ)上,分別研究了陀螺未補(bǔ)償、采用靜態(tài)溫度補(bǔ)償模型和復(fù)合溫度補(bǔ)償模型的精度,結(jié)果表明對陀螺采用復(fù)合溫度補(bǔ)償模型,并在參數(shù)辨識過程中采用帶有重疊區(qū)域的分段最小二乘法后,陀螺對變溫環(huán)境適應(yīng)性更好,陀螺精度提高明顯。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN249
【部分圖文】：

3棱鏡激光陀螺穩(wěn)頻系統(tǒng)溫度補(bǔ)償研究23圖3-5有限元模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3-5DiagramoftheFiniteElementMeshDivision采用ANSYS軟件瞬態(tài)溫度場分析模塊，模擬25oC→-40oC、-40oC→25oC、25oC→70oC、70oC→25oC四個溫度段下，腔內(nèi)、外的熱弛豫效應(yīng)。經(jīng)過進(jìn)行多次ANSYS瞬態(tài)溫度場分析，考慮到分析時間在11000s時，穩(wěn)頻氣體通道的溫度與諧振腔外表面溫度溫差幾乎為0，所以最終取瞬態(tài)分析時間為11000s，計算時間步長為10s，瞬態(tài)分析過程共進(jìn)行1100個子步計算，環(huán)境溫度變化按照實(shí)驗(yàn)中溫箱設(shè)置的溫升速率和溫降速率，取值為1oC/min，溫度達(dá)到變溫目標(biāo)溫度后進(jìn)行保溫，即對應(yīng)二維模型的三個面施加分段函數(shù)的溫度載荷。保溫過程要保證最終穩(wěn)頻氣體中心位置處溫度與諧振腔外表面溫度誤差盡可能小，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論不可能為0。接下來，我們根據(jù)四個溫度段的計算結(jié)果說明TRPLG穩(wěn)頻通道的熱弛豫效應(yīng)，如圖3-6~3-9所示，分別為四個溫度段下熱量從諧振腔表面?zhèn)鬟f到諧振腔內(nèi)穩(wěn)頻氣體后的溫度場分布等值圖，以及諧振腔外表面溫度和穩(wěn)頻氣體中心位置處溫度隨時間變化的曲線圖。等值圖中溫度高低由紅色到藍(lán)色依次遞減，曲線圖中藍(lán)色虛線表示TRPLG諧振腔外表面溫度隨時間變化情況，紅色實(shí)現(xiàn)表示穩(wěn)頻氣體中心溫度隨時間變化情況。(a)等值圖(b)曲線圖圖3-625oC→70oC諧振腔和穩(wěn)頻氣體通道溫度隨時間變化圖Fig.3-6TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom-25oCto70oC

3棱鏡激光陀螺穩(wěn)頻系統(tǒng)溫度補(bǔ)償研究23圖3-5有限元模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3-5DiagramoftheFiniteElementMeshDivision采用ANSYS軟件瞬態(tài)溫度場分析模塊，模擬25oC→-40oC、-40oC→25oC、25oC→70oC、70oC→25oC四個溫度段下，腔內(nèi)、外的熱弛豫效應(yīng)。經(jīng)過進(jìn)行多次ANSYS瞬態(tài)溫度場分析，考慮到分析時間在11000s時，穩(wěn)頻氣體通道的溫度與諧振腔外表面溫度溫差幾乎為0，所以最終取瞬態(tài)分析時間為11000s，計算時間步長為10s，瞬態(tài)分析過程共進(jìn)行1100個子步計算，環(huán)境溫度變化按照實(shí)驗(yàn)中溫箱設(shè)置的溫升速率和溫降速率，取值為1oC/min，溫度達(dá)到變溫目標(biāo)溫度后進(jìn)行保溫，即對應(yīng)二維模型的三個面施加分段函數(shù)的溫度載荷。保溫過程要保證最終穩(wěn)頻氣體中心位置處溫度與諧振腔外表面溫度誤差盡可能小，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論不可能為0。接下來，我們根據(jù)四個溫度段的計算結(jié)果說明TRPLG穩(wěn)頻通道的熱弛豫效應(yīng)，如圖3-6~3-9所示，分別為四個溫度段下熱量從諧振腔表面?zhèn)鬟f到諧振腔內(nèi)穩(wěn)頻氣體后的溫度場分布等值圖，以及諧振腔外表面溫度和穩(wěn)頻氣體中心位置處溫度隨時間變化的曲線圖。等值圖中溫度高低由紅色到藍(lán)色依次遞減，曲線圖中藍(lán)色虛線表示TRPLG諧振腔外表面溫度隨時間變化情況，紅色實(shí)現(xiàn)表示穩(wěn)頻氣體中心溫度隨時間變化情況。(a)等值圖(b)曲線圖圖3-625oC→70oC諧振腔和穩(wěn)頻氣體通道溫度隨時間變化圖Fig.3-6TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom-25oCto70oC

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文24(a)等值圖(b)曲線圖圖3-770oC→25oC環(huán)形諧振腔和穩(wěn)頻氣體通道溫度隨時間變化圖Fig.3-7TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom70oCto25oC(a)等值圖(b)曲線圖圖3-825oC→-40oC環(huán)形諧振腔和穩(wěn)頻氣體通道溫度隨時間變化圖Fig.3-8TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom25oCto-40oC(a)等值圖(b)曲線圖圖3-9-40oC→25oC環(huán)形諧振腔和穩(wěn)頻氣體通道溫度隨時間變化圖Fig.3-9TemperatureVariationsoftheRingResonatorandFrequency-stabilizingGasChanneloverTimeintheTemperaturefrom-40oCto25oC
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2890232