一种八质量MEMS陀螺模态频率分析方法

针对结构八质量MEMS陀螺在工作模态频率迭代设计过程中效率低下的问题,提出了一种模态频率解析分析方法。首先,根据八质量MEMS陀螺谐振子的构成方式是由集总质量按旋转对称的排布方式通过单向刚度柔性梁连接形成整体的特点,将其等效简化成一个质量-弹簧模型。然后,采用拉格朗日方程建立16自由度的质量-弹簧等效模型的动力学方程;考虑到八质量MEMS陀螺的工作模态振型特点,对动力学方程做出针对性的简化,提取其中的质量矩阵和刚度矩阵,求解质量矩阵和刚度矩阵行列式的特征值,通过逆推法筛选出符合工作模态振型特点的特征值,即为所需的工作模态频率。本文所提出的解析分析方法与有限元仿真频率偏差为12.8%,验证了所建频率分析模型的可行性。与有限元仿真所需的复杂建模流程相比,这种模态频率分析方法只需柔性梁的刚度以及质量块的质量,便能计算出工作模态的频率,因而能有效开展全局动力学模态分析,获取动力学最优解。     

MEMS陀螺随机误差的建模与分析

为了更全面地了解微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪的随机漂移误差随时间变化的特性,利用动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪输出信号特性进行了全面分析.首先介绍了Allan方差和动态Allan方差分析法原理,然后分别利用Allan方差分析法和动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪的实测数据进行了特性研究与性能分析.研究结果表明:速率斜坡、量化噪声和速率随机游走是MEMS陀螺的主要随机噪声,并且MEMS陀螺的随机漂移具有随时间变化的不稳定性.动态Allan方差不仅可以分离和辨识出MEMS陀螺的主要随机误差源,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,因此动态Allan方差较经典Allan方差分析法能够更全面地表征MEMS陀螺仪的性能.     

MEMS陀螺半实物仿真系统设计

微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)陀螺是基于科氏力原理,用于检测外部旋转的一种角速度传感器。由于MEMS陀螺本身性能的限制,其内部机理研究和接口电路设计的进程发展缓慢。本文通过分析MEMS陀螺的数学模型,并通过将RLC电路与MEMS陀螺特征方程形式进行对比,说明了借助RLC电路建立MEMS陀螺半实物仿真 (Hardware-in-loop Simulation,HILS) 系统模型的可行性。在充分考虑了实际MEMS陀螺的输入/输出项、耦合项和谐振频率调节等完整功能的前提下,完成了MEMS陀螺的HILS系统模型各个功能模块的设计。本文设计的MEMS陀螺的HILS系统模型可实现实际MEMS陀螺的输入输出、谐振频率调节以及角速度检测,并通过一系列实验证实了其性能的可靠性,本设计为将HILS方法应用于MEMS陀螺研究提供了有效的依据。     

MEMS陀螺双通道数字接口系统设计

针对现有的MEMS陀螺接口系统只能对一个陀螺进行测控导致标定测控效率低下的问题,提出了一种新型的可同时对两个陀螺进行测控的MEMS陀螺双通道接口系统架构,并设计了一套与之对应的MEMS陀螺双通道测控电路,包括前端模拟电路、后端数字系统和人机交互终端。通过设计的人机交互系统对整个系统的全部功能进行了测试,其中扫频、锁相、稳幅、线性度和零偏稳定性等功能均能正常运行,在实际使用测试中相较于单通道接口系统测控效率提升到2倍以上。     

国外MEMS陀螺及组合力学环境适应性技术研究进展

针对工程使用过程中,振动、冲击和过载等力学输入造成微机电(Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 陀螺及组合性能恶化的问题,对国外MEMS陀螺及组合力学环境适应性技术研究进展进行了梳理。从敏感结构、封装体、器件/系统层级,设计、加工工艺、封装和系统集成等角度,介绍国外主流的力学环境适应性技术方法,为国内相关技术的研究提供参考。     

MEMS陀螺噪声理论与模型综述

工作在闭环检测模式下的MEMS陀螺具有较好的整体性能,是目前具有发展潜力的微陀螺方案之一。但是多个闭环的存在使得测控系统噪声源变多,通过构建噪声模型可以量化各噪声源对零偏输出的贡献,并且探明结构和电路参数对噪声性能指标的影响,从而调整设计参数与控制方式,优化设计。首先阐述了MEMS陀螺谐振系统中的噪声源———热噪声和闪频噪声产生机理,然后将陀螺噪声模型分为相位噪声模型和幅度噪声模型,分别讨论国内外研究机构噪声建模的进展,如针对幅度频率耦合导致的额外相位噪声,讨论了非线性相位噪声模型和幅度噪声模型。非线性相位噪声模型通过引入非线性刚度来完善相位噪声谱表达式,幅度噪声模型通过考虑不同输入点的噪声在力平衡环路的传递过程来量化各噪声源影响因素。最后,对噪声模型的发展进行了展望,可以通过构建与调幅陀螺相联系的相位噪声模型和零偏不稳定性噪声模型,实现对陀螺噪声分析的完善。     

基于支持度的MEMS陀螺信息融合方法

为了解决微机械电子系统(MEMS, micro electronic mechanical system) 惯性器件测量准确度低、噪声大、长时间单独使用导航误差积累大等缺点,提出了一种MEMS陀螺阵列结构设计,在完成微型惯性测量单元(MIMU, micro inertial measurement unit)的标定后,采用基于支持度的信息融合方法对陀螺阵列输出进行信息融合。试验结果表明：该结构设计和信息融合方法能够有效的提高MIMU的测量准确度,具有一定的工程应用价值。     

MEMS陀螺阵列的RCC-OBE估计融合方法

为提高微机电系统（MEMS）陀螺的精度,提出一种基于松弛Chebyshev中心（RCC）的最优定界椭球（OBE）算法,并用于陀螺阵列信号的融合。以单个陀螺误差输出模型为基础,建立了阵列系统的机动融合模型;由于噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,运用OBE算法实现角速率信号的稳健估计;在OBE算法中,往往采用椭球几何中心作为真实值的点估计,但该中心并没有理论上的最优特性,而可行集的Chebyshev中心具有很多优良特性,同时,考虑到准确的Chebyshev中心求解十分困难,转而求解可行集的RCC,作为速率信号的点估计,设计了以RCC作为输出的OBE更新过程和新的参数优化准则。采用6个陀螺构成的阵列进行了验证试验,结果表明基于该算法的阵列估计融合方法在获得角速率保证边界的基础上,可以进一步提高MEMS陀螺精度。      

小波阈值去噪法在MEMS陀螺信号处理中的应用

近年来MEMS陀螺发展迅速,应用广泛,但性能参差不齐。为改善MEMS陀螺的输出信号性能,综述了近年来小波阈值去噪法在该领域内的研究进展情况。重点从阈值函数的不同改进形式、阈值选取方式的不同以及分解层数三方面对比分析各小波阈值去噪法之间的优缺点。通过现阶段的去噪效果评判标准,结合MEMS陀螺信号的特点,对近年来小波阈值去噪的应用情况进行分析说明,总结小波阈值去噪法在不同使用条件下对MEMS陀螺信号处理上的优势与不足,为后续相关研究提供一定的参考价值。     

MEMS陀螺旋转导航误差的分析与仿真

目前基于高精度陀螺导航的旋转调制技术研究及应用已相当成熟,为实现低成本、低精度微机电系统(MicroelectromechanicalSystems,MEMS)陀螺的高精度应用,文章引入旋转调制技术。对旋转调制前后导航误差进行了理论分析和仿真,对比了相同条件下对不同精度陀螺的调制效果,分析了影响陀螺误差调制的因素。仿真结果表明,相同条件下低精度MEMS陀螺的旋转调制效果比高精度陀螺更加明显,在100s内导航误差降低了30%以上。另外,对旋转导航误差的分析表明,研制高精度旋转调制转台是提高MEMS陀螺旋转调制精度的关键技术。     

频率分集阵列对干涉仪的角度欺骗效果

针对干涉仪的测向隐蔽性问题,提出了一种基于频率分集阵列（FDA）对干涉仪的角度欺骗方法。干涉仪通过求取各天线接收到信号的相位差确定信号到达角,而FDA由于各阵元具有微小频偏造成其相位差并不满足求解关系,从而实现角度欺骗。首先,利用模型建立法和欧拉公式法2种方法建立了FDA波束相位模型;然后,从建立的2种模型出发,论证了FDA发出信号对干涉仪具有角度欺骗效果;最后,仿真分析了干扰距离、阵元间距、发射频率、频率增量等因素的影响。理论分析与仿真结果表明,FDA对处于远场的干涉仪目标有良好的欺骗效果。      

参数自适应误差自校准的Sigma-Delta闭环微机械陀螺仪

提出并实现了一种用于MEMS谐振陀螺仪的新型自适应自校准多级噪声整形(MASH) 微机电sigmadelta闭环测控电路方案。该技术针对高精度MEMS音叉陀螺仪的误差校准, 开发了在线自适应误差校准的MASH2-0闭环测控电路,且无需使用任何额外的机械校准方法。该技术不仅可以有效地消除由于MEMS音叉陀螺仪敏感元件加工误差和接口测控电路之间的参数失配在输出端产生的误差影响,并且能够校正由非理想信号传递函数而导致的信号链路传输中的频谱失真和增益失配。试验结果表明,与传统的闭环MEMS陀螺仪相比,所提出的自适应MASH2-0闭环测控电路技术可以实现更好的系统稳定性、动态范围和噪声性能。     

已知初始匹配对的图像四元松弛匹配算法

提出了已知初始匹配对的四元松弛匹配算法,该算法以向量旋转角的旋转和缩放不变性特征作为匹配对的优化准则,首先计算向量旋转角度差值,然后通过构造支持度函数和剔除策略选出最优匹配对.在初始错误匹配比例较高和游动误差较大的情况下能够实现正确匹配.通过大量图像实验证明,该算法在匹配速度和正确率上优于桑农松弛匹配算法.     

基于双镜反射法的亚角秒级小角度测量

针对工程应用中对静态或低频动态微小角度的高精度测量需求,基于双平面镜多次反射增大光线反射角的方法构建了一种二维偏转角度测量装置。分析了双镜反射法的计算原理,提出了一种评价测角不确定度的方法,进行了光路仿真和实测数据的比对,结果表明：利用该方法的测角装置可实现优于0.1″的测角精度,且测量结果稳定可靠,适用于静态或低频动态微小角度的精确测量。     

直接数字频率合成器(DDS)及其性能分析

介绍了直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)的组成、工作原理及性能;运用信号系统理论和方法详细分析了DDS的相位噪声、杂散噪声、数字化截断误差对输出波形的影响以及DAC非线性对频谱纯度的影响等;还给出了相应的分析计算公式和响应曲线;得出的结论对提高DDS输出信号的质量有一定意义.     

基于级数反演的星弹双基俯冲前视成像算法

由于导弹在俯冲阶段存在垂直向加速度;速度的大小和方向在不断变化;弹头沿曲线运动;导致瞬时斜距十分复杂;造成严重的距离徙动现象;方位向和距离向存在严重的二维耦合问题。针对此问题提出了一种基于级数反演的星弹双基俯冲前视成像算法。该算法根据星弹双基系统特性;搭建了星弹双基轨迹模型;在距离频域方位时域进行多普勒频率校正;再利用级数反演的思想;推导出回波信号的二维频谱表达式;接着在二维频域上进行距离徙动校正和距离向、方位向压缩;确定目标成像位置;完成成像聚焦。最后通过计算量的分析和仿真验证了算法的可行性和有效性。该算法可实现对多目标的探测和区分;对军方察打一体化研究具有理论指导意义;对中国军事行动方面具有一定价值。     

数字化干涉仪测角技术

数字化干涉仪测角采用的是高精度数字鉴相技术,该技术与传统的模拟鉴相技术相比可以大幅度提高鉴相精度,从而满足高精度干涉仪测角的要求。基于数字干涉仪鉴相算法,通过两路正交本振信号分别与两路待测相信号相乘,使用CIC 滤波器除乘积中的高频信号,最后通过CORDIC 算法计算出相位差。经过干涉仪测角模拟器上测试结果表明,其数字鉴相误差小于0.2°。     

导频脉冲载波频率的快速捕获与跟踪

针对短时导频脉冲载波频率的同步问题,提出一种快速捕获和跟踪方法.该方法采用相位推算法进行快速载波频率初估计,完成频率的捕获.相位推算法首先利用最小二乘法估计实采样点的相位,再应用相位解卷、一元线性回归和最小二乘法拟合求取信号频率的估值,其测频精度优于常用的Prony算法,在高信噪比情况下逼近实正弦信号的Cramer-Rao界.应用数字下变频和Kay算法实现频率的跟踪,通过建立仿真模型,验证其跟踪精度优于叉积自动频率控制环.在给出的设计实例中,对于脉宽为1ms的导频脉冲,在信噪比大于13dB的情况下,环路频率跟踪的最大误差小于3Hz.      

基于F-P腔的激光频率稳定传递方法

量子传感的发展需要频率高度稳定的激光器为基础,且实现大失谐激光频率稳定通常是提高其精度和灵敏度的关键。针对大失谐激光稳频问题,提出了一种利用法布里-珀罗（F-P）腔传递激光频率稳定性的方法。以饱和吸收稳频法锁定的激光器频率为参考,基于锁相原理,锁定F-P腔长度。利用F-P腔长度这个稳定的参考点,实现目标激光器的频率的精确锁定。实验将目标激光器波长锁定于767.001 nm,失谐频率为150 GHz,锁定后的频率漂移为1 MHz/h。该方法解决了激光大失谐稳频问题,对工程实践和科学研究有重要意义。