核磁共振陀螺信号仿真及噪声分析

核磁共振陀螺具有体积小、精度高、功耗低等优势,有望成为下一代惯性导航系统的核心部件,目前正受到人们的广泛关注。比较全面的介绍了核磁共振陀螺的基本理论,在此基础上利用时间离散化方法推导并建立了能够充分考虑核磁共振陀螺系统动态特性的仿真模型。利用该模型研究分析了锁相环相位、磁场、温度以及探测光强在1×10-5均方根幅度下均匀白噪声对陀螺信号的影响,发现它们对角随机游走、零偏不稳定性影响依次减小,且都具有自身独特的频率响应特性。其中,锁相环相位噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为5.1985×102(°)/h1/2、3.4593×103(°)/h,而探测光强噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为3.1623×10-1(°)/h1/2、4.7603×10-1(°)/h。该研究对深入分析核磁共振陀螺动力学机理、寻找主要噪声来源、提高陀螺性能具有重要意义。     

可搬运高精度原子干涉陀螺仪

冷原子干涉陀螺仪具有灵敏度高和长期稳定性好等特点,将在长航时高精度惯性导航等领域具有重要的应用前景。介绍了一种可搬运的高精度冷原子陀螺仪,初步实现了物理系统与光学系统的集成,体积分别为0.24m³和0.04m³,整机测试的角随机游走系数为5.3×10^-4(°)/h^1/2,零偏稳定性达到了2.0×10^-4(°)/h@23000s。通过对装置整体优化后,实现了从武汉到北京长达1250km的搬运,在长距离运输后陀螺仪具有良好的稳定性。在北京比测结果中,角随机游走系数为3.1×10^-4(°)/h^1/2,零偏稳定性为3.6×10^-4(°)/h@2000s。     

基于模态匹配和正交抑制的微机电陀螺闭环控制技术研究

模态匹配和力反馈控制可以在不牺牲检测带宽的情况下,利用机械谐振放大特性有效提高微机电陀螺信噪比、改善陀螺性能。结合一款高Q值对称式四质量敏感结构的陀螺表头,在陀螺动力学平均模型基础上,通过对检测模态同相分量和正交分量的控制,实现陀螺的闭环检测控制。基于静电负刚度原理,通过改变陀螺敏感结构梳齿与质量块之间的电压,构建实时正交抑制系统和精确模态匹配环节,推导出陀螺的静电刚度矩阵,完成了对正交耦合信号的实时抑制和驱动、检测模态的精确模态匹配并且实现对两环节的解耦控制。实测结果显示,陀螺频差由24 Hz缩小到0.05 Hz以内,全温条件下,陀螺的正交耦合量由3(°)/s抑制到0.01(°)/s,陀螺全温零偏稳定性由初始的11.48(°)/h改善到1.95(°)/h,验证了实时正交抑制和模态匹配等技术对提升陀螺性能的具体效果。     

基于滑动滤波技术的激光陀螺评价方法

激光陀螺是一种以量化脉冲的形式输出角增量的数字传感器，量化误差如同白噪声一样影响着激光陀螺的测试精度。为了准确评价激光陀螺的性能，减少量化误差对激光陀螺测试数据的影响，本文应用滑动滤波技术对激光陀螺采样数据进行滤波处理，理论分析及实验结果表明，该方法有效地降低了量化噪声从而实现了对激光陀螺的准确评价。     

双偏振干涉式光纤陀螺的多相位调制技术

在双偏振干涉式光纤陀螺的发展过程中,光纤环上的应力、扭转等会造成正交偏振态之间的交叉耦合,降低陀螺系统的稳定性。提出了一种基于双偏振干涉式光纤陀螺的六态方波调制技术并进行了理论推导。该技术与传统的方波和四态方波调制相比,降低了偏振交叉耦合误差,提高了信噪比,大大增加了信号解算精度。通过实验对比测试了干涉式光纤陀螺在不同调制技术下的偏置稳定性。实验结果表明六态方波调制技术的偏置稳定性达到了9.85×10^-4(°)/h,验证了六态方波提高信号解算精度的效果。     

空间三轴激光陀螺高精度抖动剥除算法研究CSCD

激光陀螺的输出信号中包涵外界输入角速度、机械抖动角速度两部分信息,机械抖动角速度是一个叠加了一定噪声的标准正弦振动。针对空间三轴机抖激光陀螺仪,提出了一种高精度的新型正弦抖动信号滤除算法,通过自适应陷波器和有限冲击响应数字滤波器的组合,能极大地衰减激光陀螺仪零偏输出波形中的正弦分量,实现外界输入信号的高精度准确提取。实验结果表明,该抖动剥除算法效果显著,在保证快速响应外界输入的条件下能够实现高精度地提取角速度信号,可有效降低惯性系统的成本和复杂度,进而提高产品质量可靠性,具有很强的工程实用价值。     

激光陀螺闭环抖动控制技术研究

从激光陀螺抖动控制的基本原理入手,详细介绍了一种激光陀螺抖动闭环控制的新方法。该方法通过引入全球定位导航系统中信号跟踪解调的思想,使输出的抖动驱动控制信号的频率和相位与激光陀螺抖动反馈信号的频率和相位相等,从而来维持激光陀螺的闭环抖动。该种抖动控制方法既具有模拟正弦驱动信号噪声小、谐波小和能量损失小的优点,同时还具有方波驱动易于数字化实现和方便加入噪声的优点。最后通过仿真分析和试验,验证了提出的闭环抖动控制方法的可行性。     

光纤陀螺仪中尖峰脉冲引起漂移 的误差分析及其抑制

首次分析了光纤陀螺仪探测器输出信号中频率固定的尖峰脉冲对光纤陀螺 仪零偏漂移的影响机理,给出了尖峰脉冲影响光纤陀螺仪零偏漂移的误差模型;根据干 涉式数字闭环光纤陀螺仪探测器输出信号的特点,提出了一种基于高速集成模拟开关的 时域选通尖峰脉冲抑制具体实现方法,实验验证了尖峰脉冲引起的零偏漂移大小和理论 分析接近,表明了误差模型的正确性,同时表明该方法能够有效降低尖峰脉冲引起的光 纤陀螺仪零偏漂移。     

基于SOA的光纤陀螺相对强度噪声抑制研究

为进一步提高光纤陀螺精度,抑制掺铒光纤光源的相对强度噪声(RIN),在利用半导体光放大器(SOA)对光源相对强度噪声进行抑制的基础上,实现了SOA光源一体化方案。经过原理分析并设计实验方案,对比实验前后的测试数据可以看出:处于增益饱和状态的半导体光放大器对光源相对强度噪声起到了抑制作用,抑制后陀螺的零偏稳定性由之前的千分之一提高到万分之五左右,精度提高1倍,随机游走系数减小到56%;另一方面,一体化方案的实现,使利用SOA抑制强度噪声的方案更易实现,操作更简单,有利于该项技术的进一步工程应用。     

光纤陀螺随机振动条件下输出信号的相关检测

对光纤陀螺振中输出信号进行频谱分析,发现在某些频率点下幅值很大,造成振动过程中陀螺存在较大的振中零偏漂移。本文提出了采用相关检测技术对误差信号进行分析的方法,理论仿真表明相关检测可提取噪声中隐含的周期性信号,研究发现了陀螺机械封装及工装固定是产生上述试验现象的主要影响因素,提出了相应的改进方案并进行了试验验证。试验证明理论分析正确,改进方案使陀螺振中零偏漂移降低了一个数量级。     

激光陀螺捷联惯组角动态误差分析及其抑制方法CSCD

二频机抖激光陀螺捷联惯组在高动态载体上的角动态误差日渐成为影响其应用精度提升的重要因素。针对此问题,从各陀螺抖动耦合激励惯性敏感器本体组件圆锥运动产生误差,以及载体过载、振动环境引起陀螺敏感轴弯曲变形摆动产生单表级圆锥误差两个方面,对激光陀螺动态误差进行了理论分析。结合工程应用实际情况,分别对两项误差进行计算和仿真,得出理论误差可达0.01(°)/h以上,必须进行抑制的结论。根据误差产生机理,总结了合理配置各陀螺抖动频率和提升陀螺敏感轴弯曲刚度以抑制其弯曲变形的措施,并给出了抑制效果,可为提升激光陀螺捷联惯组角动态精度提供参考。     

数字闭环光纤陀螺死区机理研究与抑制

在数字闭环光纤陀螺中,死区产生及其附近噪声特性恶化的主要因素可以归结于施加在相位调制器上信号的串扰。根据死区产生机理的不同,提出了偏置相位调制和阶梯波反馈调制两种死区串扰误差因素的观点。通过对这两种死区误差机理的分析和比较,提出了采用模拟相加反馈方案可以避免偏置相位调制死区误差的观点。采用速率转台法测试了光纤陀螺的死区特性,验证了理论仿真和计算的正确性。最后,通过采用三角波相位抖动抑制死区误差技术,将一种高精度光纤陀螺0.08(°)/h的死区误差抑制到0.001(°)/h以下。     

基于高灵敏超导探测器的新型脉冲光高精度光纤陀螺技术研究

高精度光纤陀螺的精度主要由光纤陀螺检测噪声决定,一般可用角随机游走系数来表征,光纤陀螺的角随机游走主要由光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声决定。提出了基于高灵敏超导探测器的脉冲光高精度光纤陀螺技术方案和精度提升方法,实现了陀螺光信号的高灵敏检测,显著降低了光纤陀螺的热噪声,降低了相对强度噪声,并避免了连续光因调制切换引入的尖峰脉冲误差的影响,有效提升了光纤陀螺的精度水平。通过仿真分析,可将光纤陀螺的随机游走系数检测极限从3.53×10-5(°)/h1/2降低至1.6×10-5(°)/h1/2,减小了约54.7%。     

光纤陀螺前置放大滤波电路的噪声分析

光纤陀螺的全数字闭环处理技术是解决光纤陀螺输出非线性问题的关键,其中光电转换及前置放大部分是保证闭环处理有序准确进行的前提和保障。光电转换及前置放大部分的噪声主要来自光电探测器的散粒噪声和前置放大器的噪声。因此,本文对全数字闭环处理过程中前放滤波部分的噪声进行了分析,针对现用的放大器芯片提出了对比优化方案并进行了试验验证,结果表明通过对比选择低噪声前置放大器会减小对陀螺零偏稳定性的影响,对光纤陀螺的工程应用有良好的参考价值。     

惯组中光纤陀螺温度漂移的二维插值建模研究

光纤陀螺对温度较为敏感,输出受温度及温度变化率影响严重,在实际工作中需要对温度漂移误差进行建模补偿。传统多项式拟合方法如最小二乘法,无法很好地满足精度要求。因此,首先对光纤陀螺工作原理与温度漂移误差产生原理进行分析,得出光纤陀螺温度漂移误差特性。利用传统多项式模型对不同温度下启动的光纤陀螺进行建模补偿,得到补偿后的精度并不理想。利用新的二维插值模型对上述试验重新进行建模补偿,结果表明二维插值模型明显优于多项式模型,光纤陀螺的零偏稳定性由补偿前的0.0153(°)/h提高到0.0051(°)/h,有利于工程上应用。     

高精度光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性研究

光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性表征陀螺1/f噪声或环境引起的其他低频漂移,并影响陀螺在系统中的应用性能。因此,分析Allan方差零偏不稳定性就具有重要意义,对Allan方差零偏不稳定性进行理论分析和试验验证,在理论分析的基础上采用了提高Allan方差零偏不稳定性的技术措施,测试结果表明,技术措施明显提高了高精度光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性。     

脉冲输出冗余捷联惯导的故障诊断研究

箭载冗余捷联惯导采用脉冲量化形式输出测量数据。脉冲量化会打乱原始测量信号中的误差构成,带来50(°)/h的瞬时漂移,这给故障诊断带来困难。针对脉冲量化导致冗余捷联惯导故障诊断困难的问题,提出了利用低通滤波器降低量化噪声的方法。以冗余捷联惯导故障诊断方法中的GLT(Generalized Likelihood Test,广义似然比法)为基础,结合低通滤波器对比研究了输出量化前后故障诊断的效果,发现了低通滤波器可以改善量化后故障诊断的效果。仿真试验表明:改进后的故障诊断效果接近于量化前的故障诊断效果,能准确检测到5(°)/h的阶跃型故障。     

谐振式光纤陀螺系统建模及其应用研究

谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器,以其集成化高、成本低以及抗干扰性强等独有优势,逐渐成为下一代光学陀螺研究发展的热点。通过对谐振式光纤陀螺工作原理的分析,建立了陀螺数字信号处理系统可视化模型,并对系统谐振曲线和同步解调曲线等开环输出以及锁频反馈下闭环输出进行了模拟仿真。利用仿真模型分析了正弦波调制下谐振谱分裂现象,并搭建实验装置对其进行了验证。结果表明,实验中正弦信号调制频率高于系统谐振输出半高全宽一半,即对应2 MHz时,谐振谱分裂会导致同步解调输出线性区域出现明显失真,严重恶化了标度因数线性度。因此,搭建的谐振式光纤陀螺仿真模型能够准确而有效地模拟系统的工作状态,在系统噪声抑制和精度提升方面具有指导性意义。     

基于惯性系的光纤寻北仪双位置寻北算法

由低精度光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)组成的寻北仪具有结构简单、成本低的优点,但易受地磁和车上复杂外部环境的影响.针对低精度FOG存在地磁零位,寻北仪对外部晃动敏感的缺陷,通过对陀螺进行地磁零位补偿保证陀螺零偏稳定性,在此基础上提出了基于惯性系的双位置寻北算法.算法分别在两个对位进行惯性系寻北,利用双位置对消原理获得不受陀螺固定零偏影响的方位角并完成水平陀螺固定零偏的估计.实验结果表明,陀螺零偏稳定性0.15(°)/h,加速度计零偏稳定性150μg的惯性器件精度下,车上寻北误差1倍标准差小于4.5mil、极差小于10mil、对准时间小于5min.与传统双位置算法相比,所提算法在晃动基座条件下具有对准精度高,环境适应性强的优点.     

基于LSTM神经网络的机载光纤陀螺温度冲击误差补偿技术

环境温度冲击会降低机载光纤陀螺的性能,从而影响飞行器导航和姿态控制精度。在光纤陀螺误差机理研究基础上,本文提出一种基于长短期记忆（LSTM）神经网络的光纤陀螺温度误差补偿模型。该模型通过LSTM网络对光纤陀螺的零偏和标度因数进行实时预测和校正,提高光纤陀螺的测量精度。试验结果表明,在温度冲击下,LSTM预测模型补偿后的标度因数误差小于30ppm,零偏稳定性比常规的线性拟合补偿模型提高0.0034（°）/h。这意味着输出更准确地反映实际角速度值,陀螺仪的零偏漂移更小,输出更接近于零值。动态试验中转台输入为20（°）/s时,LSTM补偿后陀螺输出稳定在19.999～20.001（°）/s区间内,相较于陀螺原始输出误差降低0.008（°）/s。通过LSTM预测模型补偿,能够在环境变化、外部扰动或传感器故障时,通过陀螺仪提供更可靠的数据支持,维持飞行器的稳定性和安全性。