Application of square wave magneto-optic modulation to spacecraft docking

为了精确测量航天器对接过程中最终逼近段航天器间的滚转角,设计了基于方波磁光调制的滚转角测量系统.利用法拉第磁致旋光效应并结合马吕斯定律,建立了方波磁光调制后输出信号的模型;通过分析输出信号的特点,推导了输出信号与滚转角之间的关系方程;利用滚转角变化过程中输出信号的增减性组合去除了方程的增根,最终得到了基于方波磁光调制的滚转角测量模型.仿真结果表明:文中提出的方法理论测量精度高,可测量-90～90°间的滚转角,优于传统方法.此外,利用方波信号调制具有数据采集简单、信号处理难度低等优势,是实现高精度大范围测量航天器间滚转角的一种新方案.     

基于正弦波磁光调制的空间方位失调角传递技术的改进

为了扩大基于正弦波磁光调制的方位传递系统的传递范围并提高传递精度,对传统的方位失调角传递方法进行了改进.在分析当前方位失调角传递原理的基础上,引入二倍角公式来扩大失调角的传递范围;通过分析失调角与磁光调制后光强信号中横坐标不变的极值点的关系,建立了失调角测量模型,并利用信号中极值点的对比细化了测量模型.提出了大角度查表和小角度近似逼近的方法,解决了测量模型中反正切函数的具体实现问题.仿真结果表明:失调角的理论传递范围明显扩大,精度较高;实验结果表明:实际的失调角可在-64～64°传递,传递误差在10″以内,优于当前方法.提出的方法可为大范围、高精度传递空间方位失调角提供参考.     

磁光调制法测量玻璃内应力

提出了一种基于磁光调制法测量玻璃内应力方向和大小的方法,并建立了基于磁光调制的内应力测量系统。首先,采用光线追迹的方法,根据偏振光的琼斯矩阵描述方式推导了系统的测量模型;采用磁光调制器,对信号光束进行正弦交变的磁光调制,将直接测量光强信号改为测量频率信号,提高了测量准确度;采用磁旋光器,消除了人为操作引起的误差,并通过控制旋光器外加线圈驱动电流的大小,改变调制信号光偏振方向的旋转角度;最后,对待测样品进行了多次旋转测量。测量结果显示,本方法对玻璃内应力方向的测量准确度为5″,对应力双折射的测量准确度为0.3nm/cm。得到的结果验证了该方法的有效性和稳定性,显示系统具有稳定性高、准确度高、容易实现工程化等特点。     

两步快速可重构无迹卡尔曼滤波算法测量导弹滚转角

快速准确地测量旋转导弹的滚转角是非常重要的,利用地磁场测量滚转角是常用的一种方法。由于磁场测量手段中不可避免的误差,使得滚转角不能及时准确的被测量。提出了两步快速可重构无迹卡尔曼滤波(ARUKF)算法,可以快速的校准磁强计及测量电路,从而准确的估计导弹的滚转角。与现有算法不同,ARUKF的状态向量根据滚转角参数与测量电路的校正参数而提出,并且在不同阶段可以配置不同的被估计参数,这样可以较大程度上节约弹载计算机资源。为了滤波算法快而准确的收敛,该算法在滤波初始阶段,根据量测信息与测量电路特征参数进行滤波初值的两步快速调整。通过仿真与半实物仿真结果表明,两步ARUKF算法在收敛特性和计算成本方面优于现有的UKF算法。     

利用偏振光实现空间方位角的快速测量

为了实现上下不同平面内仪器方位角的快速测量,基于磁光调制和偏振分束构建了一种角度测量系统.根据偏振光的琼斯矢量描述方法推导出了系统的测角模型,并采用“差除和”的办法消除光源波动以提高测角精度.分析了渥拉斯顿棱镜的两路光信号透射比与入射角、方位角的关系及其对测量结果的影响,讨论了由双光路光电器件的光信号衰减、器件漂移和电路性能的不同带来的增益差异与测量结果的相关性.最后,提出了采用磁光调制的方法来消除两路信号的透射比系数和增益系数的差,从而提高仪器测量精度.实际系统测量实验表明:系统完成测角时间为15 s,在+8°～-8°内测角精度优于5″.结果显示该系统具有稳定性高、测角速度快、精度高等特点.     

基于电涡流位移传感器的嵌入式滚转角测量方法

导轨运动副在运动过程中会产生6个自由度误差,滚转角误差一直是测量的难点。提出一种基于电涡流位移传感器的滚转角在线测量方法和装置。该方法将导轨固定于基准平面,电涡流位移传感器探头通过连接板安装在运动平台上,其中两个探头相距L,并且连线垂直导轨运动轴线,平台运动过程中,两个探头通过测得的导轨直线度误差间接得到导轨滚转角误差;考虑到基准平面平面度误差影响,建立了误差补偿模型,对基准平面平面度误差对滚转角误差测量引起的角度变化量进行补偿,从而计算出导轨精确滚转角误差。静态和动态加载对比试验结果表明:在导轨运动距离为100 mm,导轨滚转角误差变化范围为-32.5″至8.6″时,本方法与标准中的水平仪法比对残差在±1.5″左右,验证了该测量系统的可行性和所提出的补偿方法的有效性。提出的导轨滚转角测量方法充分考虑和减少了基准平面平面度误差的影响。此外,所提方法可以实现在线测量,可以与其他电涡流位移传感器相结合,组成结构简单、测量精度高、抗干扰能力强的多自由度在线测量系统。     

高精密滚转角测量干涉仪

现有的各种激光干涉仪可以方便地测量围绕垂直于直线位移方向的两个转角偏移,但是对于围绕运动轴的滚转角偏移,特别是对于大行程运动,缺乏有效的测量方法。针对各种高精密直线运动定位装置,设计一个新型的差分平面干涉仪,并采用一个楔面棱镜和楔面反射镜,组合成为一个几何空间对称四光路系统,构成新型的高精密滚转角激光干涉测量仪。它不需要与行程同长的大反射参考镜,但同样能实现高分辨率,而且简便实用,可以直接溯源米定义。试验证明,几何空间对称四光路滚转角干涉测量仪能够有效地排除其他自由度运动的干扰,利用它可以快速高效地测量各种精密直线位移运动的滚转角。使用普通的2π/360细分相位计,测量分辨率为1.1″,若使用2π/36 000的高精密细分相位计,滚转角的测量分辨率可达到0.01″。     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

基于ARM的地磁测量组件方案设计

针对现阶段以DSP为主控制器的弹载地磁测量组件体积大、造价成本高、开发难度大的问题,选用基于ARM内核的STM32F4系列单片机为主控,对地磁测量组件进行了模块化设计。通过对地磁信号的采集、放大及处理分析实现了对弹体滚转角的测量。测试结果表明组件滚转角测量误差不超过3°。组件单板尺寸减小30%以上。极大的降低了开发难度和成本,相关技术可应用于小型弹箭的简易制导。     

三轴地磁传感器误差的自适应校正方法

针对复杂磁环境下地磁传感器测量精度不足的问题,在分析地磁传感器各种误差来源的基础上,建立完整形式的地磁传感器椭球误差模型,通过最小二乘估计法拟合得到椭球模型系数,利用椭球模型系数推导地磁传感器误差矩阵和偏移矢量,最后对地磁传感器磁环境下的输出数据进行校正.实验结果表明,校正后的磁场强度和实际磁场强度基本一致,盲区附近滚转角误差减小到5°,俯仰角误差减小到4°,除了盲区附近的位置,滚转角误差减小到2°,俯仰角误差减小到1 °,测量精度提高了近10倍,基本能够满足简易制导弹药弹道修正的需求.     

基于锁相技术和磁光调制的旋光角度检测

根据法拉第磁光效应和锁相基本原理,研究了经磁光调制后的偏振光通过旋光物质后的偏转情况,分析了透射光信号中的与调制频率相同的基频信号和二倍于调制频率的倍频信号。通过对基频幅值和倍频幅值进行比较,提出了一种测量旋光角度的计算方法,根据旋光角和磁偏角两者之间的关系,提出了一种用标准石英管来标定法拉第磁光效应中磁偏角大小的方法,并对其进行了实验研究,证明了这种测量方法的可行性。     

大型望远镜测角系统误差的修正

由于大型望远镜转台轴系对测角精度要求较高,本文研究了测角数据系统的误差修正技术。分析了测角数据误差产生的原因,对测角元件误差、安装误差、被测轴系误差进行了讨论,指出轴系测角分系统的误差规律符合谐波方程,故提出采用谐波方程式来表达误差规律。针对工程应用,建立了基于傅里叶级数的简化谐波方程误差公式,用谐波方程算法和多项式拟合算法对系统误差进行修正。在一个望远镜垂直轴转台进行了试验验证,结果显示测角精度峰值由原来的3.81″提高到了1.06″。实验表明,基于傅里叶级数的修正算法,较好地符合误差分布规律;采用系统误差修正技术,可以对系统综合误差统一修正,能够有效提高系统测角精度。     

轴承振动信号中调幅特征的奇异值分解提取方法

滚道损伤会在轴承振动中引起调幅现象,但当损伤较轻微或者噪声干扰较严重时,这种特征难以显现出来.提出利用奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)来提取这种调幅特征.在Hankel矩阵方式下,SVD可将信号分解为一系列分量信号的简单线性叠加.利用这一特件,对轴承振动信号构造Hankel...     

Accurate ultrasound speed measurement using an MLS-modulated continuous wave

The continuous wave shows greater potential than the pulse signal to achieve high-accuracy ultrasound speed measurement thanks to its stronger noise resistance. However, the accuracy of ultrasound speed measurement would deteriorate if echoes exist in the received continuous wave. This paper presents an applicable method using the maximum length sequence-modulated continuous wave. The present method improves the accuracy of ultrasound speed measurement further by resisting echoes. The time delay between the received signal and the transmitted signal is estimated accurately by combining the cross-correlation, parabolic interpolation and phase shift technique. Moreover, both the inherent delays induced by physical system and the path length of ultrasound are expediently corrected through least square estimation. As a result, accurate time of flight and ultrasound speed measurement are achievable. For example, the standard deviation of ultrasound speed measurement in distilled water is less than 0.003 m/s, and the deviation between the ultrasound speed measurement and the reference is less than 0.04 m/s.     

提高光纤传感测量精度的方法研究

采用激光干涉原理实现了微位移光纤传感测量.通过对光学系统和光电检测系统的研究,总结出提高光纤传感测量精度的方法,文中对微弱光信号的相位调制,数字解理过程,给出了低噪声设计的理论依据,电路参数的选取原则和预放级设计的一般方法.系统微位移测试精度约0.05nm.     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

基于构建最优函数提高飞机姿态测量精度

提出了基于构建最优函数来提高飞机姿态测量精度的方法.首先,利用模板匹配法获得飞机在两个测站投影的同名特征点,在发射坐标系下采用交会获得飞机同名特征点的坐标值,根据飞机在空间的特征三角形解算飞机姿态的初值.然后,建立飞机体坐标系;利用成像的共线方程,重新计算空间特征点对应的像点坐标;以重投影结果与实际像点之间的偏差最小作为优化目标函数.最后,通过迭代提高目标姿态解的精度.实验结果表明,飞机轴向成像在大于500pixel时,姿态角测量误差小于0.1°.与中轴线法及飞机角平分线方向向量法测量精度比对,本文提出的方法采用的数学模型正确、算法合理,有效地提高了飞机姿态的测量精度.     

光纤电流传感器传感头的结构与原理

光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。分析了全光纤型和混合型光纤电流传感器传感器传感头的结构和工作原理，对改进光纤电流传感器的设计，提高光纤电流传感器的性能具有重要的指导作用。