CN102927926B - 一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法。该方法对光纤陀螺线形测量***中的光纤陀螺施加预先定义的角速度交变调制信号，同时进行线形测量，收集包含角速度交变调制的输出数据，对数据进行解算得到包含有调制信号的角速度和不包含调制信号的角速度，将包含有调制信号的角速度数据与预先定义的角速度调制信号数据进行对比，得到修正系数，利用得到的修正系数对不包含调制信号的角速度数据进行修正，进而提高线形测量精度。本发明适用于道路交通领域中各类公路、桥梁和隧道的线形检测，具有快捷简单、连续性好、实时性高等优点。

Description

一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法

技术领域

本发明涉及用于道路交通领域中公路、桥梁和隧道的结构线形检测***的校正方法。

背景技术

公路路基的变形监测桥梁和隧道的变形监测对于保证交通工程的结构安全至关重要。公路中软土地路基很容易发生沉降、错差等变形问题。普通的检测手段无法满足高精度的长距离引测。桥梁结构在外力作用下会产生变形，而各种病害如裂缝、预应力损失等最终也导致桥梁线形发生变化，线形位移是判断桥梁安全的最重要而且直观的参考指标。隧道在长期的运营及使用过程中，最关心的安全问题就是防止隧道坍塌，及时快速把握隧道沿程走向及围岩条件较差区域的环向变形是确保隧道运营安全的重要工作。

道路交通领域的变形监测对精度要求必须符合相应的国家评定标准。例如对于目前常见的斜拉索桥中，如果主跨分别为钢箱架加劲梁，预应力混凝土梁和钢桁架加劲梁，跨中挠度最大允许变形为跨径的1/400，1/500和1/800。如果跨径为500m，则上述桥梁跨中挠度最大允许值分别为1.25m，1m和0.625m。然而每年观测数据显示，对于有下挠变形趋势的大型桥梁主跨跨中下挠每年只有2-3毫米，中小型桥梁跨中下挠甚至只有1-2毫米。据此，对线形测量***的精度要求在毫米量级。

公路、桥梁和隧道线形检测常规方法主要采用光学仪器通过建立水准控制网进行测量，长期监测主要采用连通管测试***、激光测量***、光电图像式测量***以及GPS法等新型测试方法。

水准控制网的建立工程复杂，耗时长，受环境影响较大。连通管测试***通过测量各测点与基准点的液面压力差来得到各测点的挠度值。不仅需要预铺水管，而且在使用过程中存在着响应时间慢，施工及维护成本高等缺点。激光测量***和光电图像式测量***主要是通过光学***捕捉光斑或成像的位置变化得出光源的相对位置变化。这两种测量***都必须在桥上安装固定设备作为参考点，当设备移动后无法获得最初的测量基准状态，无法满足长期测量要求，而且不同气候条件对测量有影响。

GPS技术接收导航卫星的载波相位差分数据实时测定站点的三维坐标，是一种新型的实时测量技术。GPS受外界大气影响小，可以在暴风雨中进行监测，可以实现三维坐标的自动监测。然而该技术存在着垂直高程精度较差、无法达到毫米精度的缺点，且成本高，无法大规模开展应用。此外进行多点精确测量方式时，要求每点静止测试时间较长，测试慢。

上述技术除了存在各自不同的应用局限外，还由于通过为数不多的测点来拟合检测对象的挠度线形，因此均存在线形不连续的问题。

采用光纤角速度传感器可进行连续角度测量，通过换算得到连续线形坐标数据，有效克服以上各技术的缺陷。该方法具有快速方便、操作简单、连续性好，以及实时性高等优点。可在不妨碍交通的情况下进行定期或非定期的各种路面、隧道的线形快速检测。

光纤角速度传感器，即光纤陀螺，具有高可靠，长寿命，启动快，质量轻体积小精度高的优点，在惯性导航和工程测量领域应用广泛。光纤陀螺的基本参数决定其稳定性和准确性，这些基本参数包括零偏、零偏稳定性，随机游走系数，标度因数，标度因数非线性，不对称性及重复性。然而由于光纤陀螺各部件的稳定性和光源的漂移等等因素，光纤陀螺的输出不可避免的出现误差。光纤陀螺输出误差包括零偏相关误差和标度因数误差。零偏(重复性)随机漂移，环境敏感性漂移和输出量化噪声造成零偏值的误差，标度因数的不对称性非线性重复性和温度灵敏度等等影响标度因数的精确性。随着时间漂移和温度变化，陀螺误差将随之增加。

在桥梁线形测量过程中，光纤陀螺由载体牵引在桥面和路面前进，通过对角速度和里程仪信号的积分运算得到线形曲线坐标的增量，进一步积分得到全部测量采样点相对于起点的坐标。由于积分计算固有的误差形成机理，造成坐标计算值的误差将随着测量时间的增加而增大。因此采用这种连续测量技术进行测量时，随着测量进程的进行，误差呈逐渐发散扩大的趋势。因此有必要采用标定方法对测量数据进行标定，减小线形测量过程中的***误差。

既有专利(申请号：201010574097.9和200910073154.2)，针对光纤陀螺***本身提出一种结合GPS数据的姿态解算和滤波方法，上述两份专利只针对光纤陀螺捷联惯导***提出根据GPS数据进行实时校正的算法，不涉及到轨迹测量误差的及时校正。

既有专利(申请号：CN201210116750.6)中，提出了采用光纤陀螺线形测量***测量桥梁的线形和刚性曲线的方法，并且提到了多种减小误差的方法，但是该专利仅采用对数据的分析达到减小误差的目的，并没有外在的标定校正方法。

发明内容

本发明涉及一种对基于角速度传感器的连续测量技术进行校正的方法。光纤陀螺线形测量***包括距离传感器和角速度传感器。现在一般采用光纤陀螺仪作为角速度传感单元。沿X轴的光纤陀螺的误差模型为

$D=(K+\mathrm{\ΔK}){\mathrm{\ω}}_x+D_0+D_{T}T+D_{\stackrel{\·}{T}}\stackrel{.}{T}+D_{M}M+K_{\mathrm{xy}}{\mathrm{\ω}}_y+K_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\ω}}_z+\mathrm{\ϵ}$

式中，K为标度因数，ΔK为标度因数的非线性误差。ω_x沿测量轴X轴测得的角速度值，ω_y，ω_z分别为xy和xz两轴的失准角相关角速度，K_xy，K_xz为相关标度因数，ε为随机误差。

该误差模型中，标度因数和零偏，测量轴和其他轴的失准角，以及随机误差均影响陀螺的最终输出值。通过静置校正可以去掉零偏常值误差、失准角和随机误差的影响，然而无法根本消除标度因数和零偏漂移误差，以及随机误差。因此在线形测试过程中，为了实时校正这三种误差，需要采用动态实时的校正方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法，该方法对光纤陀螺线形测量***中的光纤陀螺施加预先定义的角速度交变调制信号，同时进行线形测量，收集包含角速度交变调制的输出数据，对数据进行解算得到包含有调制信号的角速度和不包含调制信号的角速度，将包含有调制信号的角速度数据与预先定义的角速度调制信号数据进行对比，得到修正系数，利用得到的修正系数对不包含调制信号的角速度数据进行修正，修正后的角速度数据进行线形曲线解算。本发明中线形曲线的解算方法参照专利CN20121()116750.6。

具体方法步骤为：

1)预先定义一种角速度交变调制信号；

2)对光纤陀螺线形测量***中的光纤陀螺施加步骤1)的预先定义的角速度交变调制信号，同时进行线形测量，收集包含角速度交变调制的输出数据；

3)对数据进行解算得到包含有调制信号的角速度和不包含调制信号的角速度；

4)将包含有调制信号的角速度与预先定义的角速度调制信号进行对比，得到修正系数；

5)利用得到的修正系数对不包含调制信号的角速度进行修正；

6)对修正后的不包含调制信号的角速度数据进行线形曲线解算。

本发明中，预先定义的角速度调制交变信号由机械轮或压电陶瓷实现。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的一种具体实施例装置示意图；

图中：1为光纤陀螺，2为固定陀螺用的托板，3为固定点，4为外加激振装置。

具体实施方式

本发明的一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法流程图如图1所示。

先确定幅值恒定频率恒定的交变调制信号，给陀螺施加该交变调制信号，同时进行线形测量，分离出包含有交变调制信号的角速度数据，与先确定的幅值恒定频率恒定的交变调制信号数据对比，得到校正系数，利用该校正系数，修正不包含有交变调制信号的角速度数据，即得到经过修正的角速度数据，然后利用线形曲线解算公式解算。

线形曲线的解算方法参照专利CN201210116750.6。

本发明的一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法装置的具体实施例如图2所示，采用一个压电陶瓷PZT激振装置4对安装于托板2上的光纤陀螺1进行交变调制，托板一侧经固定点3固定。

可以预见，对于本领域的技术人员而言，可以基于本发明精神开发多种应用实例，凡是不脱离本发明精神或范围的修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法，其特征是：该方法对光纤陀螺线形测量***中的光纤陀螺施加预先定义的角速度交变调制信号，同时进行线形测量，收集包含角速度交变调制的输出数据，对数据进行解算得到包含有调制信号的角速度和不包含调制信号的角速度，将包含有调制信号的角速度数据与预先定义的角速度调制信号数据进行对比，得到修正系数,利用得到的修正系数对不包含调制信号的角速度数据进行修正，修正后的角速度数据进行线形曲线解算。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法，其特征在于方法步骤为：

  1）预先定义一种角速度交变调制信号；

  2）对光纤陀螺线形测量***中的光纤陀螺施加步骤1)的预先定义的角速度交变调制信号，同时进行线形测量，收集包含角速度交变调制的输出数据；

  3）对数据进行解算得到包含有调制信号的角速度和不包含调制信号的角速度；

  4）将包含有调制信号的角速度与预先定义的角速度调制信号进行对比，得到修正系数；

  5）利用得到的修正系数对不包含调制信号的角速度进行修正；

  6）对修正后的不包含调制信号的角速度数据进行线形曲线解算。

3.如权利要求1或2所述的一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法，其特征在于，预先定义的角速度调制交变信号由机械轮实现。

4.如权利要求1或2所述的一种基于光纤陀螺的线形测量***动态校正方法，其特征在于，预先定义的角速度调制交变信号由压电陶瓷部件实现。