闭环光纤陀螺精度性能提升方法研究

随机游走系数是衡量闭环光纤陀螺性能水平的重要指标,其体现了陀螺的极限精度。分别从理论上分析了偏置工作点、入射光功率对光纤陀螺随机游走系数的影响。根据随机游走系数中各部分噪声源的特性,建立了闭环光纤陀螺偏置工作点、入射光功率与随机游走系数的数学模型。模型表明设定合适的光功率与偏置工作点可大大提升闭环光纤陀螺精度性能。通过实验验证了模型的正确性,实验结果表明提升光功率并采用陀螺的最优偏置工作点,可大幅提升陀螺随机游走性能。     

光纤陀螺随机游走系数模型的修正和实验研究

通过考虑探测器的带宽,对光纤陀螺随机游走系数(RWC)模型进行了修正,由修正后的随机游走系数模型计算出的理论RWC值与实际测量值一致.研究还表明,采用多点采样技术可以进一步降低随机游走系数,使陀螺精度更接近散粒噪声和光源相对强度噪声所限制的最小检测灵敏度极限,但最大采样点数的选择仍受探测器带宽限制.     

利用Allan方差进行光纤陀螺测试

设计了一种基于Allan方差的5阶样条拟合的方法,用于测定光纤陀螺的随机游走系数、零偏不稳定性、速率斜坡、量化噪声、速率随机游走等参数,并基于LabVIEW开发了可视化数据采集程序,对KVH公司生产的E.Core 2000型光纤陀螺进行测试。结果表明,该方法简化了光纤陀螺参数测试流程,提高了测试精度。     

基于自适应卡尔曼滤波的光纤陀螺噪声系数估计方法

针对Allan方差法确定光纤陀螺ARW（angle random walk）噪声系数的一些不足,如大量存储数据、非实时处理、计算量大、耗时长等,提出了基于自适应卡尔曼滤波的光纤陀螺ARW系数在线估计方法.在角度随机游走、零偏不稳定性、角速率随机游走等主要噪声数学特性分析基础上,建立了光纤陀螺现代状态空间噪声误差模型,基于新息自适应卡尔曼滤波量测噪声协方差阵的迭代计算,实现光纤陀螺ARW系数的在线、实时估计,从而避免了存储大量历史数据,显著地减小了计算量,缩短了陀螺数据处理时间.数字仿真试验和光纤陀螺实测数据试验结果均验证了本文方法的可行性和有效性.     

抑制掺铒光纤光源强度噪声的方法研究

目前,高精度光纤陀螺普遍采用掺铒光纤光源,对这种陀螺来说检测灵敏度受强度噪声限制.分析了强度噪声的特点及对陀螺的影响,并提出了一种软件实现的方法来抑制强度噪声,经验证随机游走减小了30%.     

开环光纤陀螺的光源强度噪声抑制方法研究

光纤陀螺系统中的宽带光源会产生光源相对强度噪声,要提高陀螺性能就必须对其加以抑制.由于开环光纤陀螺使用正弦波调制,相对强度噪声不能直接由陀螺信号相减消除.针对基于正弦波调制的开环光纤陀螺系统信号差分电路放大的特点,设计了一种实现强度噪声抑制的新算法.经实验验证,该算法有效,可使开环光纤陀螺的随机游走减小18%.     

激光陀螺的角度随机游走

研究了四频激光陀螺角度随机游走的组成,它避免了机械抖动陀螺通过锁区所产生的随机游走效应带来的问题。通过改变放电电流,测量各种激光光强下的陀螺脉冲的时序输出,计算出不同光强值所对应的随机游走系数,根据量子噪声的特点,分离得到随机游走的量子噪声和非量子噪声成分。实验结果表明,在目前四频激光陀螺已达到的水平和使用条件下,非量子噪声成分占主要地位。若能通过设计去除或削弱非量子噪声成分的组成因素,将使随机游走减小,陀螺的性能将得到提高。     

数字滤波在光纤陀螺信号中应用实践

有限冲激响应滤波器、小波变换阈值滤波器及小波包变换滤波器等可以解决光纤陀螺输出信号的角度随机游走、偏值不稳定性、速率随机游走及量化噪声等问题.因此,数字滤波在光纤陀螺信号处理中的应用实践有着重要的意义及价值.     

工作电流对二频机抖激光陀螺角随机游走影响的研究

理论上分析了二频机抖激光陀螺中由量子噪声和抖动噪声产生的角随机游走的影响因素;讨论了工作电流对量子噪声、比例因子的影响;根据陀螺参数定量的估计了抖动噪声产生的角随机游走的数量级。实验结果表明：电流在全测量范围内对陀螺比例因子的影响约为5ppm;对于本单位自行生产的二频机抖激光陀螺来说,由抖动噪声产生的角随机游走是总角随机游走的主要贡献者,比量子噪声产生的角随机游走大约高一个数量级。     

宽谱光源相对强度噪声及对闭环光纤陀螺影响研究

宽谱光源相对强度噪声(RIN)的定量评估及其对光纤陀螺(FOG)性能的影响机理是进一步提高FOG精度的关键问题。搭建实验测试系统对4种不同谱型、不同偏振态宽谱光源的RIN进行了独立测试,基于3种不同等效谱宽定义分别计算4种宽谱光源的RIN,通过对比确定了基于功率加权平均谱宽的强度噪声计算模型;在此基础上,对FOG的随机游走系数(RWC)模型进行了修正。搭建光电分离式高精度FOG实验系统,采用4种光源,分别测试了FOG的RWC,同时利用修正模型估算了RWC,实测值与估算值吻合较好。结果表明,光源的功率加权平均等效谱宽和偏振度是影响宽谱光源RIN的主要因素,该研究为光源RIN的评估和高精度FOG的优化设计提供了重要的理论和实践依据。     

时分复用三轴光纤陀螺信噪比分析

基于信号处理和随机过程理论,研究了基于时分复用(TDM)技术的三轴光纤陀螺(FOG)的整体精度,利用差分方程建立了TDM闭环处理中相位差的衰减模型。将单轴总体噪声分为稳态噪声和调整噪声两部分,推算出了单轴信噪比(SNR)的计算公式,并对各影响参数进行了仿真分析,提出了相应的改进建议。设计了FOG实验,验证了模型分析的合理性及正确性。     

基于新息突变约束的自适应卡尔曼滤波研究

针对微机电系统(MEMS)陀螺仪易受影响且随机误差较大,导致建立模型不准确和测量精度低的问题,该文提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波方法。首先建立ARMA模型,在传统卡尔曼算法中引入衰减系数以减小系统旧值的影响,同时引入基于系统新息突变的预测误差矩阵清除系统的突变值。使用Allan方差对原始陀螺仪数据和滤波后的陀螺仪数据进行分析对比。结果表明,实验所用陀螺仪的角度随机游走、零偏不稳定性和角速率随机游走至少小了1个数量级,标准差明显减小,这表明改进算法有效抑制了随机噪声,提高了MEMS的性能。     

调制电压幅值及噪声对谐振式光纤陀螺零偏稳定性的影响研究

谐振环路背向散射噪声是谐振式光纤陀螺(resonator fiber optic gyroscope, RFOG)系统中的主要光学噪声之一。本文基于谐振环中背向散射噪声对陀螺输出误差影响的理论分析,对比不同调制波形和载波抑制路数的影响,得到最佳方案为三角波双路调制。基于该方案,建立陀螺零偏及零偏稳定性(bias stability, BS)误差与调制电压幅值及噪声关系的理论模型,结合直径0.1 m,光纤总长10 m,精细度24的陀螺参数,得到背向散射噪声导致的陀螺BS对调制电压变化范围与噪声幅值量化指标的需求,为特定精度的陀螺设计奠定误差分配和控制参数设计基础。     

光纤陀螺中的关键技术分析

光纤陀螺作为一种新型的陀螺,正逐渐成为捷联惯导系统中最重要的传感器件.简要论述了光纤陀螺的基本原理和工作过程,并对光纤熔接技术、光纤绕制技术、误差检测和补偿技术、系统动态误差补偿技术、光源以及噪声抑制技术、集成光学芯片技术、数字信号处理电路等关键技术作了详细分析.     

数字信号处理技术在新型惯导系统中应用的研究

数字信号处理是一种具有特殊结构的微处理器,可以用来快速实现各种数据信号处理算法,在新型惯导系统———光纤陀螺的应用中取得了很好的效果,使得陀螺系统质量轻,耗电少,成本低,寿命长,体积小,在军民品中都有广泛的应用前景。飞机、飞船和轮船一直都使用陀螺定位仪来导航,最新技术的定位仪是光纤陀螺,采用光纤技术的光纤陀螺很好地解决了汽车、建筑、工业机器人,天线系统和大型农场的农业机械定位问题,方便且灵敏的光纤陀螺在陀螺定位领域具有广泛的应用前景。基于萨格奈克效应（ＳａｇｎａｃＥｆｅｃｔ）的第一代干涉型光纤陀螺经过了２０年的研究历程,期间几乎所有内在与外在的噪声因素都得到了分析与消除,检测的方法也得到了很大的改进,使得光纤陀螺在军民两方面都有着重要的应用背景。     

光子晶体光纤陀螺热相位噪声研究

光子晶体光纤陀螺使用光子晶体光纤替代普通光纤绕制光纤环,是光纤陀螺的发展方向。光纤种类不同,其热相位噪声特性与传统陀螺存在差异。对光子晶体光纤陀螺光纤热相位噪声展开研究,利用有限元方法建立光纤模型及噪声模型,并搭建光源强度噪声抑制光路对热相位噪声进行测量,通过实验结果与仿真的对比,验证了模型的正确性。     

影响谐振式光纤陀螺精细度的因素分析

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声,能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101,谐振深度由0.503 3提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.026 7%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。     

基于热平衡机理的质子交换炉温控系统数学模型

铌酸锂波导集成光学芯片是高精度光纤陀螺系统的核心器件,其性能直接影响光纤陀螺系统的性能。而质子交换炉是用质子交换法制备铌酸锂光波导的主要设备,其炉温的控制质量直接影响铌酸锂光波导的质量。为了实现炉温的精确控制,以炉膛内空气的温度为控制对象,基于热平衡机理建立了质子交换炉温控模型,并在此模型基础上进行了稳定性分析,并利用MATLAB软件对温控模型进行PID控制仿真,结果表明,所建立出来的温控模型是稳定的,但系统采用PID控制时抗干扰能力差,这为进一步研究温度控制策略提供了依据。