提高光纤陀螺开机零偏稳定性的调制方法

针对光纤陀螺在开机启动时零偏不稳定的问题,从机理上分析了2π电压初始对准及前向增益变化对零偏的影响.提出了一种新的组合调制方法,通过4种状态的调制、解调,实现了对Y波导2π电压的快速调整,有效缩短2π电压在陀螺开机时的初始对准时间,由5min缩短至1 s,克服了目前方波调制的缺陷.经频域分析和实验验证,该组合调制方法还可以抑制由调制引起的交叉干扰,能够有效抑制前向增益变化对陀螺零偏的影响,从而使前向增益变化导致的陀螺开机零偏变化由0.03(°)/h减小至0.01(°)/h.     

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.      

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.      

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.     

光纤陀螺温度影响与误差补偿

温度性能是光纤陀螺工程化面临的难题之一,建立温度模型是提高光纤陀螺温度性能的有效方法.从理论上推导了光纤陀螺零偏、标度因数温度误差是由于热作用于光纤环导致光路非互易性所引起.分析了光纤陀螺热源产生的两个主要原因:光纤陀螺内部有源器件工作过程中产生的热;外界环境温度变化引起光纤环内部温度场分布变化.二者对光纤陀螺的影响是随机的,引起的光纤陀螺零偏漂移和标度因数误差可以通过建立温度模型进行补偿.采用线性回归方法,建立了光纤陀螺零偏温度漂移模型和标度因数温度模型,对光纤陀螺输出数据进行补偿,有效改善了光纤陀螺温度性能,实验验证了模型的正确型和补偿算法的有效性.      

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。     

光纤陀螺零偏温度误差补偿方法分析

根据光纤陀螺光纤环受温度效应影响的机理，分析了光纤陀螺零偏产生温度误差的原因，提出了光纤陀螺基于光纤环附近多点温度的误差补偿方法，建立光纤陀螺零偏随光纤环附近多点温度及温度变化率变化的数学补偿模型。根据全温温度实验，分析光纤陀螺零偏随温度变化的规律，确定补偿模型的补偿系数，对光纤陀螺零偏进行温度误差补偿。并将多点温度补偿方法与传统的基于单点温度补偿方案的补偿效果进行对比分析。结果表明，基于两点及以上温度的温度误差补偿模型能将全温零偏稳定性降低2个数量级，全温极差降低1个数量级，优于基于单点类的温度补偿方案，且具有很高的工程应用价值。     

旋转式光纤陀螺惯导系统随机误差抑制技术

采用旋转调制技术能够有效降低陀螺常值漂移和加速度计常值零偏对导航系统精度的影响,但其对陀螺随机漂移和噪声几乎没有抑制作用.惯导系统在随机干扰的作用下输出误差将发散,影响系统长时间的导航定位能力.通过对抑制随机干扰误差的阻尼技术进行研究,提出一种具有阻尼特性的旋转式光纤陀螺惯导系统,利用阻尼技术抑制随机干扰对导航系统精度的影响.从仿真结果可以看出,具有阻尼特性的单轴旋转光纤陀螺惯导系统精度提高1倍以上.当系统采用更高精度的惯性仪表时,随机误差的阻尼抑制效果将更明显.     

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.      

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.      

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.