数字闭环光纤陀螺振动误差分析

光纤陀螺的振动误差直接影响其使用精度.为解决振动问题,分析了陀螺振动特性的主要误差源.推导了闭环光纤陀螺光功率和输出关系的表达式,得出了光纤缺陷以及光纤、器件尾纤受振动产生寄生应力导致传输光偏振性能和光强变化是引起振动误差的根本原因的结论;对陀螺振动性能受结构谐振的影响进行了有限元分析和试验验证;提出了改善光纤陀螺振动性能的具体措施,包括光纤环及尾纤固化工艺、优化结构设计以及改进闭环控制.结果表明,经改进后的陀螺,振动条件下其动态精度接近静态指标,满足使用要求.      

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.     

光纤陀螺系统热建模及仿真

在热状态方程的数学离散的基础上,从系统的角度出发,建立某一高精度光纤陀螺的热模型,介绍光纤陀螺电子系统热模型的建立过程,包括结构体几何模型的建立、内部热源模型的建立以及热敏光纤环体模型的建立.模型建立的方法不仅适用于研究对象,对于结构和组成类似的其他类型的陀螺也是适用的.并通过稳态热仿真研究了系统内热点分布及温度场分布;瞬态仿真分析了陀螺在常温(25.6℃)、低温(-40℃)以及高温(+60℃)环境下,启动过程中陀螺内部温度的变化,实验测试对比分析验证了模型的正确性.在此基础上得出了几个有意义的结论,这将有益于高精度光纤陀螺的工程化.      

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.      

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.      

光纤陀螺随机漂移模型

随机漂移是光纤陀螺的主要误差,建立数学模型在输出中补偿是抑制该项误差、提高光纤陀螺精度的有效方法.光纤陀螺静态输出为随机过程,对该随机过程的平稳性和正态性进行分析,拟合趋势项、周期项并补偿,使其成为平稳随机序列.采用时间序列分析法建立光纤陀螺随机漂移模型,根据随机漂移自相关和偏相关系数的特性辨识模型的类型和阶数,利用最小二乘方法估计模型参数,得到光纤陀螺随机漂移模型为AR(2).对陀螺输出数据补偿,检验模型的适用性.结果表明,该模型具有很好的适用性,能够有效抑制随机漂移,提高光纤陀螺精度,可以作为惯导系统卡尔曼滤波器状态变量的数学模型.      

陀螺组件结构动态特性分析和减振设计

针对惯性姿态敏感器陀螺组件结构设计中出现的随机振动响应量级过大的问题进行分析研究.建立了陀螺组件结构的动力学模型,通过安装金属橡胶减振器并在结构中合理布置高阻尼比的阻尼材料综合解决陀螺头部振动响应过大的问题.对结构设计方案进行数值仿真和振动试验,结果表明,金属橡胶减振器和约束阻尼结构的应用能有效降低陀螺头部的高频响应,保证了陀螺仪在发射段环境条件下的可靠性.     

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.      

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.      

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.      

光纤陀螺磁敏感性的试验研究

光纤环是光纤陀螺的敏感部件.除Sagnac效应外,磁光法拉第(Faraday)效应也是光纤陀螺中实际存在的非互易效应.磁光法拉第效应是由于光纤制作工艺和光纤环绕制过程中存在的剩余双折射和光纤扭曲产生的,会在陀螺输出零位中附加一个固定偏置.借助有限元分析法,推导了微段光纤磁光法拉第效应的琼斯矩阵;建立了光纤环受磁场影响的数学模型;采用亥姆霍兹线圈进行了试验验证.试验结果证明了光纤陀螺磁敏感轴是存在并且可以确定的,提出了降低陀螺受磁场影响的具体措施.     

结构材料对光纤陀螺动态性能的影响

光纤陀螺（FOG,Fiber-Optic Gyroscope）在动态运用过程中输出易产生非互易性误差,分析FOG产生振动误差的原因,提出结构材料的性质对FOG动态性能有显著的影响.对作为FOG结构核心的本体采用不同结构材料,分别建立对应的FOG有限元模型,进行模态分析以及谐响应分析,定性分析结构材料的比刚度对FOG动态性能的影响,通过扫频振动和随机振动实验验证模型建立的正确性.结果表明,将比刚度高的铍铝材料替换铝合金材料应用在FOG本体上,能将FOG的一阶固有频率由1 452 Hz提高至2 213 Hz,可显著提高FOG的动态输出精度,并减小FOG整体质量,特别适用于轻小型FOG.      

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.      

光纤陀螺随机调制的理论分析及实验

偏置稳定性是描述陀螺性能的重要指标,而电路中的交叉干扰是导致陀螺输出漂移的重要原因.采用随机调制的方法能够减小陀螺中交叉干扰产生的输出漂移.采用快速傅立叶变换(FFT)的方法对方波调制和随机调制产生的交叉干扰进行了分析,分析结果表明,采用方波调制时,交叉干扰与方波同频,无法滤除,导致陀螺输出的偏置误差以及陀螺输出对光强的依赖性;而采用随机调制,交叉干扰与方波频率不同,能够滤除,从而减小交叉干扰带来的随机漂移.采用的随机调制为-3π/2,-π/2,π/2,3π/2调制,能够保证陀螺工作点在灵敏度最高的偏置点上,其频谱主要成分为方波基波的偶次谐波,通过陀螺电路中的滤波,能够将其滤掉,消除交叉干扰对陀螺输出带来的干扰.对方波调制和随机调制分别进行了实验,通过实验,证明了该方法的正确性,得到了随机调制能够抑制光纤陀螺中由于交叉干扰产生的输出漂移的结论.     

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.      

基于AR模型光纤陀螺温度建模方法研究

针对光纤陀螺随机误差信号特点,在分析其一般时间序列模型的基础上,将AR建模方法运用于随机误差信号的建模,得到陀螺随温度变化的真实趋势,然后利用数学方法建立陀螺的动态温度误差模型,对陀螺的输出进行实时补偿.经过仿真分析表明,通过以上方法的处理后,陀螺在-20℃～50℃全温范围内的零偏极差不超过0.2(°)/h,大幅度提高了陀螺的精度性能.     

压电悬臂梁智能元数字仿真模型设计及分析

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

光纤陀螺随机漂移误差补偿适用性方法

针对传统方法在建立时间序列模型基础上应用卡尔曼滤波器去除陀螺随机噪声误差的缺陷,提出了一种适于在线补偿光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyrosope)随机误差的滤波方法.当建立的时间序列模型系数出现偏差时,通过引入虚拟噪声,来补偿滤波过程由于系统模型时变和未知噪声而引入的误差,实现了对陀螺随机漂移误差的高精度滤波处理.其次,利用Allan 方差分析法分离并确定了光纤陀螺的主要随机误差源,并对建立的光纤陀螺时间序列模型及滤波方法的适用性及精度进行了评估.通过对光纤陀螺实测数据的分析表明,速率斜坡、速率随机游走和零偏稳定性为FOG的主要随机噪声,所提出的自适应滤波算法能够适应陀螺漂移的时变特点,是一种有效的去除光纤陀螺随机漂移噪声方法.