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。     

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.     

BP-AdaBoost模型在光纤陀螺零偏温度补偿中的应用

针对光纤陀螺零偏漂移随温度呈复杂的非线性变化,建立了BP-AdaBoost（Back Propagation neural network,Adaptive Boosting）模型对零偏进行补偿,改善了光纤陀螺的零偏稳定性能.同时,研究了模型参数对预测精度的影响,给出了BP神经网络隐含层神经元个数的选择以及AdaBoost模型迭代次数的确定方法.运用AdaBoost算法提升单个BP神经网络的预测能力,提高了集成模型整体的预测精度.对采集的光纤陀螺输出实测数据进行了事后仿真,结果表明,BP-AdaBoost模型相比传统的线性回归模型、混合线性回归模型、单个BP神经网络模型的补偿效果更显著,验证了该模型的有效性,具有重大的工程应用参考价值.      

基于4态马尔可夫链的光纤陀螺随机调制

在数字闭环光纤陀螺中,由调制信号引起的电串扰(即调制串扰)会导致零偏稳定性、死区和线性度等指标恶化.为了消除调制串扰信号的影响,提出了基于4态马尔可夫链的随机调制方法.将一个4状态马尔可夫链引入到随机调制中,该马尔可夫链利用正弦函数的周期性和状态转移方向的等概率性,产生出了相互统计独立的调制信号和解调信号,由于解调信号为等概率取值-1,1的零均值随机序列,所以在理想情况下调制信号及电串扰信号和解调信号相关的结果为零.仿真和实验结果表明,基于4态马尔可夫链的随机调制方法对调制串扰信号的抑制可达1×103倍,消除了调制串扰信号对陀螺零偏稳定性、死区和线性度等指标的影响.      

基于光纤陀螺的保偏光纤热致双折射

针对光纤陀螺在温度变化条件下的性能恶化问题,理论上分析了保偏光纤的热致双折射引起的偏振耦合是局限光纤陀螺精度的主要因素.采用有限元法计算光纤线圈在不同温度下的应力分布,并根据高低温不同的应力状态分别推导了双折射的变化情况.在光纤陀螺工作温度范围内,选取6个典型温度点计算光纤环上热应力和消光比的变化,结果显示,干扰双折射随温度变化的减小而减小,并将理论计算结果用测试消光比的试验验证.研究表明,双涂敷层光纤、胶粘剂、陀螺金属骨架材料的热力学性能的差异,导致光纤线圈在不同温度下折射率改变.在60℃时,光纤折射率差约为1×10^-4,与光纤本征折射率差5.5×10^-4达到同一个量级,这将严重影响光纤保偏性能及陀螺精度.     

光纤陀螺中保偏光纤60 Co辐照效应及光褪色特性

从光纤陀螺空间应用的角度出发,利用60Co辐照源模拟空间辐照,对光纤陀螺中的主要部件保偏光纤环进行了不同剂量率的辐照实验,得到了保偏光纤的辐照效应.并且利用大功率半导体激光器对保偏光纤环进行了光褪色实验.实验证明,辐照条件下,保偏光纤损耗增加;剂量率越大,损耗增加越快;总剂量越大,损耗越大;采用大功率半导体激光器对保偏光纤环进行光褪色,可以减缓辐照环境下光纤的损耗增加量,而且激光器功率越大,光褪色效果越明显,可将其用到光纤陀螺中作为其空间应用的抗辐射加固措施.      

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.     

光源光谱对干涉式光纤陀螺零漂的影响

以采用Y波导集成光学调制器的保偏型干涉式光纤陀螺(IFOG,Interference Fiber Optic Gyroscopes)为研究对象,根据各光学元器件的参数,建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,在此基础上进行了光路偏振误差的理论分析.通过推导,得到了保偏型干涉式光纤陀螺的偏振误差表达式.首次借助光源偏振度的改变,分析了不同形状的光源光谱对偏振模式耦合误差引起的陀螺零漂的影响.通过计算得出,当光源的偏振度在0~3%之间呈线性变化以及光路中其它参数不变时,谱宽较窄的光谱引起的零漂较大,谱宽较宽的光谱引起的零漂较小.仿真结果给光纤陀螺光源光谱的选择提供了理论依据.      

光纤陀螺分形噪声的预白化滤波方法

光纤陀螺分形噪声往往具有长相关特性,导致陀螺输出信号慢漂移.为了滤除这类分形噪声,提出了一种分数阶预白化差分方法,通过该方法可以将分形噪声转化为高斯白噪声;利用小波变换,在小波变换域中采用Bayes软阈值去噪方法去除该白化噪声,从而形成了一种光纤陀螺分形噪声的预白化滤波方法.对VG949p型光纤陀螺实测数据处理结果表明,该方法能够有效地去除其中的分形噪声,抑制了陀螺低频漂移,同时也滤掉了其高频噪声项.      

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.      

三轴一体光纤陀螺高精度标定方法

针对三轴一体光纤陀螺,定义了标定转换模型,理论上分析了标定过程中各项参数之间相互影响以及地球转速影响导致标定精度较低的问题.针对零偏、标度因数和安装误差角提出一种各项分离测试的高精度标定方法,并将此方法实际应用于某三轴一体高精度光纤陀螺捷联系统,得到了陀螺标定结果.对标定结果进行了误差检验测试以及应用标定结果后进行了系统静、动态测试.测试结果表明:经过标定过程后陀螺精度以及系统测试结果均达到了预期性能要求,验证了标定方法的正确性和实用性.     

电缆长度辅助的光纤陀螺测斜仪组合测量方法

为实现光纤陀螺(FOG)测斜仪高精度长时间测量,结合测井作业方式,提出基于卡尔曼滤波技术的电缆长度信息辅助的组合测量方法.介绍了捷联惯性测量系统(ISS)误差模型和电缆长度测量模型,设计了组合测量方法的总体方案,建立了组合测量系统误差状态模型及量测更新模型.采用半实物仿真计算对本文提出的组合测量方法进行了验证.仿真结果表明:14 400 s的仿真过程,井斜角误差小于0.02°,工具面角误差小于0.12°,方位角误差小于0.98°,位置误差小于47.5 m.相比纯惯性测量,误差得到了有效的抑制,保证了仪器长时间保精度的测量,提高了仪器的性能.      

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.      

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。      

一种新颖的微型化收发一体模块

光纤陀螺精度受温度、振动的影响较大.在分析了输入通道混偏型方案和全保偏型方案的局限性基础上,设计了一种微型化收发一体模块,将超辐射发光二极管光源、半透半反玻片、准直透镜、自聚焦透镜、PIN探测器和场效应晶体管电路集成在一起,采用系统内集成封装技术,封装内部抽真空.光在真空传播不产生双折射,因此避免了温度变化、振动等原因对系统精度和可靠性的影响,从而提高了光纤陀螺的整体性能.用光束扫描仪对Superlum公司生产的SLD-57-HP型光源建模,根据高斯光束的特性设计了光学系统,分析了菲涅尔反射损耗对其的影响,并用Zemax软件进行了仿真,其耦合效率为38.98%,远优于目前20%左右的耦合效率.     

开环FOG中PZT调制器的在线研究

从理论上分析了PZT(压电型)光纤相位调制器在开环FOG(光纤陀螺)中的应用特点,研究了它的调制系数和调制相位延迟变化对开环FOG性能的影响;并设计了两种独立的在线测试方法对它们进行了温度特性研究,利用所得数据,用最小二乘多项式拟合的方法分别得到了它们的温度模型.研究表明,在实验温度范围内,开环FOG的相位调制系数K_GP随温度呈线性变化,而调制相位延迟α随温度呈二次的变化.      

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.