高精度光纤陀螺过采样技术分析与应用

数字闭环光纤陀螺中，采用AD转换器将模拟信号转换为数字信号，AD转换中的量化噪声将直接影响光纤陀螺的零漂指标。过采样是一种降低量化噪声的技术，过采样过程将噪声功率平均分布到以采样频率为截止频率的频带内，有效降低了直流到奈氏频率中的噪声功率。本文对高精度光纤陀螺中的噪声特征进行分析，针对高精度光纤陀螺中噪声低的特点，设计了适用于高精度光纤陀螺的过采样方案，为解决由于噪声低带来的均值误差，该方案在被测信号中叠加了正态分布的噪声。通过在陀螺中进行实验，证明设计的采样方案对于降低陀螺的零漂性能是有效的。     

基于鲁棒控制的光纤电流互感器的噪声抑制

光纤电流互感器是一类存在模型参数不确定性的系统,为提高系统测量精度,利用鲁棒控制理论提出了系统的鲁棒H_∞控制器设计方案.分析系统的检测原理并建立数学模型.针对光纤电流互感器系统给出控制器设计指标,使得闭环系统渐近稳定且提高系统噪声抑制能力.理论证明控制器设计方案满足设计指标的要求,并利用线性矩阵不等式的可行解给出了控制器的构造方法.最后通过计算机仿真和实验结果证明了此控制器设计方案的可行性和有效性.     

高精度光纤陀螺高带宽信号检测方案

研究兼顾静态性能和力学环境适应性的信号检测方案是高精度光纤陀螺实用化的迫切要求.分析了高精度光纤陀螺全数字闭环信号检测过程,推导了系统的闭环传递函数.一般的基频调制使检测系统的采样周期长、带宽低,反馈不能很好地补偿因力学环境产生的高频噪声信号,会破坏系统闭环,产生较大的动态误差.设计了三倍频调制/解调数字闭环信号检测方案,使采样周期是基频调制方案的1/3,有效提高了系统带宽.两种方案的力学环境实验和静态实验结果对比说明,三倍频方案明显提高了高精度光纤陀螺的力学环境适应性,同时静态性能不受影响,能够满足实际应用的要求.      

质子交换炉温度场均匀性分析与优化

针对质子交换炉的温度场均匀性问题,结合质子交换炉的结构特点,基于FLUENT用户自定义函数（UDF）开发了质子交换炉炉温控制算法,并在此基础上提出了多种加热控温方案;利用FLUENT软件对不同方案下的质子交换炉温度场进行仿真,分析不同控温方式下炉内温度场均匀性与传感器位置布置、加热丝布置高度的关系,找到最佳方案。结果表明:采用三段控温、3个传感器位置分别布置在3段加热丝中间、加热丝布置高度4倍于均匀温区长度时炉内温度场均匀性最好,均匀温区内最大偏差为0.03℃;对于既定结构的立式炉体,增加加热丝布置高度、优化设计传感器布置方案和炉体控温方式可以提高温度场均匀性。该方法为同类电加热炉温度场均匀性的优化设计提供了思路。      

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.      

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.     

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.     

光纤陀螺输出信号的自适应滤波

噪声是影响光纤陀螺零漂指标的主要因素。为了降低光纤陀螺输出信号中的噪声含量,提高光纤陀螺的零漂指标,本文设计了一种自适应滤波器,用于光纤陀螺输出信号的数字滤波。设计的自适应滤波器采用基于最小均方误差准则的LMS算法,该算法的滤波准则是最小均方误差,采用递推的方法实现。设计的自适应滤波算法在数字闭环光纤陀螺中进行了实验,结果表明,设计的自适应滤波器能够降低陀螺输出数据中的白噪声,有效地提高了光纤陀螺的零漂性能。