高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数。在数字测高仪探测中，高分辩率的多普勒频移一般在漂移测量中获得，但这种测量方式探测的频点少，不能获得扰动的高度剖面；而在频高图模式下，虽然工作的频点多，能够获得电子浓度的高度剖面的信息，但探测的多普勒频移的分辩率低，无法用来精确检测电离层扰动。实际的电离层高频回波一般为窄带信号，由此本文中提出了一种新的分析方法，利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据，通过反傅里叶变换还原成时域信号，采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差，获得高精度多普勒频高图。作为实例，利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据，得到了多频点的多普勒频移曲线。结果表明：在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图，这在电离层扰动探测和研究中很在意义。     

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.      

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.     

再生分频器中滤波器的研究

再生分频器以其优越的相位噪声性能 ,在频率合成中有着重要作用。滤波器是再生分频器的重要组成部分 ,分析了其相移对分频器稳定性和实现分频的重要作用 ,并以 2GHz再生分频器中滤波器的设计为基础 ,比较了 3种微带滤波器的性能 ,说明了再生分频器中滤波器设计要注意的问题和解决方法。     

电离层中小尺度扰动的多频多普勒快速探测与分析

电离层反射回波的高频多普勒频移测量是研究电离层扰动的重要方法之一.利用基于单频信号相位变化率测量的实时探测方法,获取连续高精度多频多普勒频高图,以实现中小尺度电离层扰动的快速探测研究.该方法被应用于敏捷式高性能电离层无线电多频探测系统样机平台.经验证在该平台上获取的多普勒频移分辨率可达0.039Hz,频高图探测周期最短小于1min.基于这种快速探测方法和平台在武汉观测站进行了较长时间的观测和数据采集,获得高精度多普勒频移并反演出电子浓度等值面法向运动速度,得到电离层反射寻常波的多普勒频高图和垂直扰动速度等信息,进而推演出电离层扰动随时间和空间的实时变化特征.对这些时域信号进行频谱分析,初步结果显示这些扰动主要是由极区活动激发的中国中部地区冬季出现率较高的中尺度TID.此外,对三种常用的电离层扰动反演分析方法进行了对比研究,结果显示电离层扰动的变化趋势基本一致,说明观测数据和研究方法可靠稳定,为多频多点电离层扰动的传播特性观测研究提供了基础.      

典型电离层多普勒记录及其讨论

由于地面电离层多普勒频率偏移测量具有时间连续、设备相对简便等固有特征，它特别适合于扰监测。本文在整理北京大学电离层高频多普勒台站观测资料的基础上，给出了一些典型电离层多普勒效应观测现象，这些现象反映了多普勒的细致分析对电离层形态学研究有其特殊意义。利用IRI模型，对多普勒频移的太阳耀斑效应及电离层不规则结构对多普勒频移的影响进行了模拟计算，理论结果与观测基本一致，从而大体上解释了这些响应的物理机制。论文最后对观测到的一种特殊的记录类型－－S型描迹的具体成因作了详细的分析和讨论，指出在一定条件下，以一定相位速度水平传播的声重波可以产生这类记录，给出了相位速度和振幅等声重波参数与记录描迹形状的关系，这对从多普勒频移记录推演电离层中的波动特征有一定的帮助。     

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.      

对超小型磁控管微波腔频移的分析

用AnsoftHFSS仿真软件建立了超小型氢频标磁控管微波腔的模型结构,对仿真设计微波腔的各种频移进行了分析。     

基于可观测度分析和模型预测的空间自标定方法

光纤陀螺以其优点适合空间飞行器定姿要求,但长期在轨飞行必须对光纤陀螺进行自标定。通常采用高维复杂陀螺模型计算实时性误差,而采用舍去状态量的降维模型影响系统定姿精度。针对这一问题,通过星敏感器观测,对高维陀螺模型进行可观测度分析,提出了一种基于模型预测的降维模型,将可观测度较低的状态作为模型误差进行预测估计,保证了系统精度并大大减小了计算量。半物理仿真结果表明此算法精度略高于高维模型自标定方法,计算量仅为高维模型的1/10,显著提高了系统的实时性。     

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.     

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.      

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。      

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.     

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.