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.     

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.      

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.      

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.      

环路参数对数字闭环加速度计动态特性影响

数字闭环石英挠性加速度计在纯积分控制器下带宽仅有10 Hz左右,需要通过调整伺服电路结构参数来改善系统动态性能.针对这一问题,且为保证系统的无差性,设计了位置式比例积分控制器.建立闭环系统数学模型,利用隐函数求解的方法,得到了环路参数（包括采样点数、比例系数及积分系数）与系统闭环带宽的关系,同时分析了环路参数对系统稳定性及静态精度的影响.搭建系统实验样机并进行闭环带宽及零偏稳定性测试.结果表明,闭环系统带宽与环路参数成正相关关系,其中改变比例系数对系统动态特性的影响最为显著.实验结果与理论分析一致,为数字闭环加速度计动态特性调整提供理论依据及实验指导.      

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Sagnac温度传感器信号检测技术

利用光纤Sagnac干涉仪的偏振非互易性PNR(Polarization Non-Reciprocity)可以实现对单温度点的高精度测量.传感头周围温度场的变化引起干涉仪光路中两相干光的相位差变化.通过分析温度传感器的测温原理,得到其输出的线性化模型.采用方波调制解调技术实现了对温度传感器光路系统输出的全数字信号检测.设计了以C8051F060混合信号微控制器为核心的全数字信号检测系统,实现其采样信号和调制信号的相位关系保持.16位高精度模/数转换器的电压采样值通过数字滤波及分段函数解算处理,得到测量温度值的数字输出.这种技术具有实现方便,便于数字化处理及时序控制等优点.通过-15~55℃的全温扫描实验得到的实验数据和理论曲线近乎重合,系统输入/输出成很好的线性关系,线性度达到了10-3量级.实验研究表明这种温度传感器可以实现高精度的温度测量.      

三轴一体轻小型光纤陀螺仪的时序设计

由于光纤陀螺敏感环绕制过程中不能精确控制光纤长度,要求时序产生电路必须在不改动硬件的前提下能跟踪由敏感环光纤长度决定的光纤陀螺特征频率.利用相关检测理论,分析了调制解调信号频率准确度对陀螺标度因数误差的影响.针对三轴一体轻小型光纤陀螺仪,在满足现场可编程逻辑器件(FPGA)专用资源约束的条件下,使用一片FPGA完成了三轴调制解调信号时序的设计,并计算了其在中精度范围内跟踪特征频率的精度.实验结果表明:时序设计满足三轴一体轻小型光纤陀螺仪对调制解调信号频率准确度的要求.      

应用电光移频器的新型光纤陀螺方案分析

光纤陀螺是近年来出现的一种新型角速度敏感元件。目前光纤陀螺研究的关键问题之一是如何扩大其线性动态范围并获得数字输出,解决这一问题的方法之一是利用移频器构成闭环光纤陀螺。本文提出了两种应用电光移频器的闭环光纤陀螺方案,并就移频器参数变化对光纤陀螺性能的影响进行了分析。     

闭环光纤陀螺数字检测电路的集成化

集成化、数字化是光纤陀螺的发展趋势,也是光纤陀螺进入实用化、批生产化的关键.鉴于国内光纤陀螺的发展状况及半导体工艺水平的限制,以高速数字信号处理芯片(DSP)及大规模可编程逻辑器件为基础,对闭环光纤陀螺的数字检测电路的集成和优化进行了研究.测试结果表明:采用集成化设计的光纤陀螺检测电路在性能及可靠性上比分立元件构成的检测电路均有提高和改善.      

高轨微弱信号的跟踪算法分析及仿真

高轨航天器自主导航技术是中国迫切需要发展的航天新技术之一,广泛应用于通信、导航、气象、预警等领域.高轨导航接收机为高轨航天器自主导航定位提供了便捷有效的手段.在高动态环境下,载波频率和相位、伪码相位均随载体运动发生较大变化.由于载体动态引入的多普勒频率变化对伪码跟踪环的影响可通过载波辅助消除,接收机的动态性能主要取决于...     

微波幅相接收机的低中频正交优化结构

为解决微波毫米波幅相接收机的频率偏移超过中频带宽的问题,提出了一种低中频正交接收机结合双边带抑载的优化结构.利用频率误差对消的方法,获得了稳定的低中频信号,不包含微波本振源的频率偏移且保持了2路输入信号之间的相位关系.它的2路中频通道不对称,其中一路用一个晶体振荡器产生的正弦波预调制,对消过程用模拟乘法器和正交解调器在第1中频实现.与频率误差跟踪不同,它避免了锁相环引入的寄生调制和复杂性.分析了其性能,包括I/Q幅相不平衡的误差和校正.概述了一个实际的基于此结构的微波接收机,该接收机的特点是电路结构简单、成本低和小型化,性能测试结果和实际应用表明其具有较高的灵敏度和精度.     

基于扩频体制的短波时号发播新方案及可行性分析

短波授时系统采用扩频信号将有助于提高其授时服务质量。顾及到短波信道的复杂性和系统带宽的有限性，本文提出了一种基于两个扩频信号之间的相对发播时间间隔实现短波时号发播的新方案，并对其可行性进行了分析。阐述了所提方案的基本技术思路，并通过理论分析与比较，验证了所提方案相比于常规方案能够显著降低接收机的时号检测错误概率，可更好地实现协调世界时UTC和世界时UT1两种短波时号的兼容发播，为基于扩频体制的短波时号调制技术的进一步研究提供一种有效途径。     

L波段有源冷噪声源研究

本文介绍了有源冷噪声源的应用背景及发展现状。根据微波场效应晶体管常温下输出稳定低噪声的特性，以Avago公司的两种典型pHEMT晶体管为核心器件进行了ADS仿真设计，研制出两款有源冷噪声源。给出了对设计的两款器件的技术指标进行验证的L波段周期定标辐射计设计框图。仿真结果表明，以pHEMT型晶体管为核心器件设计成的L波段有源冷噪声源能输出稳定低噪声。     

调频引信粗糙面目标与干扰信号识别

为有效识别调频（FM）引信地面目标回波信号和数字射频存储（DRFM）转发式干扰信号,提出了一种对地调频引信粗糙面目标与干扰信号识别方法。建立了对地调频引信粗糙面差频信号模型,利用二维距离-速度提取方法提取其差频频率和多普勒频率,采用差频频率峰值带宽和多普勒频率峰值带宽2个特征量识别地面目标回波信号和DRFM转发式干扰信号,并使用蒙特卡罗仿真和非参数假设统计检验对其进行了验证。结果表明:差频频率峰值带宽和多普勒频率峰值带宽的展宽幅度与引信天线照射范围内粗糙面的大小呈正相关,多普勒频率峰值带宽的展宽与载频成正比,利用峰值带宽特性可有效区分粗糙面目标回波信号和DRFM转发式干扰信号。      

硅谐振式压力微传感器闭环系统

硅谐振压力微传感器在自激振荡回路中采取电阻热激励、电阻拾振时得到的信号,由于有用信号本身的量级小,因而含有严重的同频干扰信号(耦合激励信号),信噪比SNR (Signal Noise Ratio)仅为10^-3数量级.为了提高信噪比,滤除同频干扰,多级放大之后的处理中将锁相环PLL(Phase-Locked Loop)工作原理和分频技术相结合,由锁相环输出作为传感器的激励和鉴相相关信号,搭建硅谐振压力微传感器闭环自激振荡回路.结果表明:采用锁相分频技术的微传感器闭环系统能可靠运行,信噪比低的问题得到了很好解决.     

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。