光纤陀螺随机误差模型分析

陀螺仪的工作精度决定着惯性参考系统的精度,为了减小陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估计与精确建模.提出应用ARMA,Allan方差分析法及功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)分析法联合对光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)的误差特性及建模技术进行了研究.利用Allan方差及PSD分析法对光纤陀螺输出信号的分析,有效地分离并确定影响光纤陀螺输出性能的几种主要随机误差源,并对所建立的光纤陀螺ARMA模型和AR模型的精度进行了评估.对光纤陀螺实测数据的分析表明Allan方差分析法与PSD分析法对光纤陀螺噪声分析结果具有一致性,时序ARMA模型是建立光纤陀螺随机误差模型的一种有效方法.      

高精度光纤陀螺高带宽信号检测方案

研究兼顾静态性能和力学环境适应性的信号检测方案是高精度光纤陀螺实用化的迫切要求.分析了高精度光纤陀螺全数字闭环信号检测过程,推导了系统的闭环传递函数.一般的基频调制使检测系统的采样周期长、带宽低,反馈不能很好地补偿因力学环境产生的高频噪声信号,会破坏系统闭环,产生较大的动态误差.设计了三倍频调制/解调数字闭环信号检测方案,使采样周期是基频调制方案的1/3,有效提高了系统带宽.两种方案的力学环境实验和静态实验结果对比说明,三倍频方案明显提高了高精度光纤陀螺的力学环境适应性,同时静态性能不受影响,能够满足实际应用的要求.      

弹载微小型化三轴一体光纤陀螺组合设计

为满足新一代导弹用三轴一体光纤陀螺组合高精度、集成化、高可靠等技术要求,通过采用光学及电子元器件系统级封装技术（System In a Package,SIP）实现陀螺敏感组件模块化设计,采用陀螺敏感组件热隔离设计等方法,在优化三轴一体光纤陀螺组合返修性和总体设计接口适配性的前提下,提高了产品角速度测量性能指标。产品实测零偏稳定性达到0.037o/h,冲击振动及温度环境适应性优异,并与导弹飞行控制系统集成实现光电探测、惯性导航及姿态控制等功能。     

数字闭环光纤陀螺死区非线性机理

死区非线性是数字闭环光纤陀螺的非线性误差之一,抑制死区非线性可以减小数字闭环光纤陀螺的输出噪声和漂移.分析了死区与分辨率和阈值的关系,给出了数字闭环光纤陀螺死区的定义和测量方法.提出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及进入相位调制器的调制误差信号是产生死区的干扰源.给出了干扰信号的频率和相位特征,并分析了干扰信号跟踪、锁定输入信号的过程.将反馈干扰通道的部分积分模型和理想的数字闭环光纤陀螺模型结合,建立了带死区的陀螺模型.基于陀螺模型及相位调制信号与死区的关系,推导出了死区产生的条件及死区造成的陀螺输出偏差.死区影响因素的仿真结果和实验结果验证了陀螺模型和死区产生条件的正确性.      

卫星用光纤陀螺三轴组合的关键技术

研究了空间环境对光纤陀螺各项指标的影响,设计了一种新颖的卫星用光纤陀螺三轴组合.针对空间辐射、温度循环和真空环境对光纤陀螺的影响进行了模拟实验,通过分析实验数据得到了空间环境对光纤陀螺主要参数的影响机理.利用最小二乘滤波的方法建立了偏置误差模型,利用查表法建立了标度因数误差模型,并用现场可编程门阵列(FPGA)实时进行零偏和标度因数补偿,补偿后陀螺输出零偏稳定性为0.1(°)/h.同时详细分析了陀螺在空间低角速度环境下产生死区的原因,并利用周期相位扰动调制的方法消除了死区.在卫星用光纤陀螺三轴组合的设计中,实现了光源复用和冗余、空间主动和被动防护措施、在轨故障诊断等技术.      

基于DSP的全数字闭环光纤陀螺

介绍了一种采用DSP(Digital Signal Processor)技术实现的全数字闭环光纤陀螺.该闭环光纤陀螺采用以多功能集成光学器件为核心的全保偏结构,以方波为偏置调制,数字阶梯波反馈.文中对该闭环光纤陀螺的前置放大、信号检测、数字解调、数字滤波等部分进行了设计和实现,对采用DSP技术解决系统精度和实时性矛盾的方案进行了讨论,并对闭环光纤陀螺的性能和参数进行了理论分析和实验测试.测试结果表明系统达到了小于0.3/h的零漂和100×10^－6的非线性度指标.     

三轴一体光纤陀螺高精度标定方法

针对三轴一体光纤陀螺,定义了标定转换模型,理论上分析了标定过程中各项参数之间相互影响以及地球转速影响导致标定精度较低的问题.针对零偏、标度因数和安装误差角提出一种各项分离测试的高精度标定方法,并将此方法实际应用于某三轴一体高精度光纤陀螺捷联系统,得到了陀螺标定结果.对标定结果进行了误差检验测试以及应用标定结果后进行了系统静、动态测试.测试结果表明:经过标定过程后陀螺精度以及系统测试结果均达到了预期性能要求,验证了标定方法的正确性和实用性.     

基于4态马尔可夫链的光纤陀螺随机调制

在数字闭环光纤陀螺中,由调制信号引起的电串扰(即调制串扰)会导致零偏稳定性、死区和线性度等指标恶化.为了消除调制串扰信号的影响,提出了基于4态马尔可夫链的随机调制方法.将一个4状态马尔可夫链引入到随机调制中,该马尔可夫链利用正弦函数的周期性和状态转移方向的等概率性,产生出了相互统计独立的调制信号和解调信号,由于解调信号为等概率取值-1,1的零均值随机序列,所以在理想情况下调制信号及电串扰信号和解调信号相关的结果为零.仿真和实验结果表明,基于4态马尔可夫链的随机调制方法对调制串扰信号的抑制可达1×103倍,消除了调制串扰信号对陀螺零偏稳定性、死区和线性度等指标的影响.      

光纤陀螺光源驱动技术

为提高光纤陀螺精度, 实现光纤陀螺工程化,设计了高精度恒流源及精密温控电路,用于光纤陀螺光源驱动.结合光纤陀螺特点,讨论了从光纤陀螺耦合器和探测器提取信号进行光反馈控制的方案.测试结果表明, 在变温环境下(-20℃～55℃),恒流精度达到0.06%, 温控精度达到0.1℃,光源出纤功率的变化在0.1%范围内,较通用的光源驱动电路提高了一个数量级.     

间接稳定式光电稳瞄系统误差建模与补偿

为提高间接稳定式光电稳瞄系统的稳定精度,建立了系统的稳定误差模型.研究了基于旋转调制技术的陀螺消噪方法;设计了采用测速发电机和光电码盘组合的测速方法,用以消除码盘的量化噪声;分析了陀螺和摄像机安装偏角与视轴稳定误差之间的关系,提出了基于光电跟踪技术的安装偏角估计方法.实验及仿真结果与理论分析吻合较好.结果表明:对系统进行完整的误差补偿后,采用低精度MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺的间接稳定系统的稳定精度与中等精度光纤陀螺直接稳定系统的稳定精度相当.     

光纤陀螺惯性测量单元数据频混误差仿真分析

导航计算机对光纤陀螺（FOG）测量数据的异步重采样将引起数据的频谱混叠误差。基于FOG信号检测特点,以FOG闭环输出数据更新率、惯性测量单元（IMU）异步通信定时脉冲频率为参量,以载体的正弦干扰频率为变量,以导航计算机接收信号直流（DC）分量的幅值误差抑制为目标,建立了仿真模型。分析了现有内插抽取方案和滑动滤波方案的数据频混误差及延时特性。提出了类盲发变滑窗长度方案,抑制了频混误差响应谱对滑窗长度的敏感性。仿真结果表明,相比滑窗长度偏离最优值4%的滑动滤波方案,变滑窗长度方案的误差最大值从0.056 85降至0.009 737,能更好地适应定时脉冲信号频率抖动或切换的工程应用需求。      

频谱混叠对光纤陀螺振动特性测试的影响

振动过程中的频谱混叠会使光纤陀螺中采样后信号相对于原信号产生失真现象,从而影响测试结果.为了验证频谱混叠带来的影响,并进一步抑制频谱混叠现象的发生,设计实现了一套用于获取光纤陀螺原始输出的闭环数据采集系统（速率可达1 MHz×16 bit）,分析了振动测试过程中光纤陀螺闭环数据的特征,发现目前光纤陀螺中常用滤波器无法有效滤除闭环数据中振动成分,因此可能会由于采样频率设置不当引起频谱混叠;通过matlab仿真和陀螺振动实验对频谱混叠造成的影响进行了验证;针对频谱混叠现象提出了抑制措施.实验结果表明对于采用类似数据采集过程的光纤陀螺,改进后的设计可以有效避免频谱混叠现象的发生.      

数字闭环光纤陀螺频率特性的计算和测试方法

建立数字闭环光纤陀螺FOG(fiber-optics gyroscopes)的数学模型,得到描写模型的差分方程,推导出与之对应的微分方程和传递函数.分析传递函数与FOG模型的误差,得出数字闭环FOG频率特性的计算方法.研究在普通速率转台测试数字闭环FOG频率特性的方法.并将测试数据与计算数据加以比较验证.计算和测试的结果证明了该计算的测试方法是准确和有效的.     

数字闭环光纤陀螺动态特性测试研究

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的新型角速度传感器,带宽远大于机械陀螺,不能用传统机械设备测试其动态特性. 根据全数字闭环光纤陀螺采用数字阶梯波反馈实现闭环工作原理,通过在集成光学调制器上叠加信号,用阶梯波引起的相位差代替外加角速度引起的相位差,设计了动态特性的数字测试方法. 从系统传递函数的推导中得到此方法的等效性, 并实测光纤陀螺的阶跃响应和频率响应,初步得到光纤陀螺带宽超过2kHz的结论.      

光纤陀螺光纤环Shupe误差的多参数影响仿真分析

在光纤陀螺Shupe误差数学离散公式的基础上,建立四极对称法绕制光纤环的有限元模型,分析多材料组成下的光纤环在仿真时所需的综合物性参数.结合光纤陀螺工作环境的载荷和边界条件,对某型光纤环进行数值仿真,定量分析了光纤陀螺在工作温度下光纤环的Shupe误差,验证了模型建立的正确性.在此条件下,分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响.结果表明:通过增加绕制层数,提高导热系数,合理布置热源,可以明显抑制光纤环的Shupe误差,从而提高光纤陀螺的温度性能.      

基于小波变换的光纤周界定位系统

为提高基于双Mach-Zehnder干涉仪结构的光纤周界定位系统的定位精度,对信号频率范围及信噪比对系统定位精度的影响进行了理论分析和仿真研究.在此基础上,提出在选用光缆时需要兼顾对外界振动的敏感性和对外场复杂环境的适应性,以确保在长期可靠运行的前提下,扩展采集信号的频率范围;使用小波阈值降噪算法,提取振动信号的有效频率成分,滤除噪声,提高信噪比.最后进行了监测距离31 km的外场实验,验证了所选用光缆的优良性能和小波降噪算法的有效性.