高精度长环光纤陀螺抗振性能研究

针对高精度长环光纤陀螺在振动条件下性能下降的问题,从光路、结构和电路闭环控制的角度分析了力学环境导致光纤陀螺误差的机理,并建立了数字闭环控制的系统模型。根据分析和建模结果,提出了从光学设计、光学工艺、结构设计和优化闭环控制的方式改善光纤陀螺抗振性能的方法,并设计了优化闭环控制的增益参数改善振动环境的响应性能。优化参数后的光纤陀螺抗振性能得到了大幅度提高。试验结果证明了改进方案的正确性和有效性,实现了高精度光纤陀螺在动态环境下应用的突破。     

基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移建模与仿真

随机漂移是影响光纤陀螺精度的主要因素之一,建立陀螺随机漂移模型以便在滤波时加以修正是提高系统精度的有效方法。针对传统随机漂移模型建模耗时长、过敏感等问题,提出基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移模型。通过各噪声项的功率谱密度函数推导出随机微分方程,用Allan方差分析出光纤陀螺各噪声项量化参数,将量化参数代入以单位白噪声驱动的随机微分方程,得到随机漂移模型。实验结果表明,该模型拟合出的随机漂移单项噪声误差不超过8.6％,远低于传统模型产生的单项噪声误差58.3％,是一种有效的光纤陀螺随机漂移建模方法。     

光纤陀螺静态温度综合误差建模及补偿

针对光纤陀螺温度稳定性低、受环境温度影响参数变化,导致使用精度不高的问题,提出了一种光纤陀螺静态温度综合误差建模补偿方法。综合考虑温度、光纤陀螺标度因数非线性以及零偏漂移的影响,建立了以时间、温度和输入角速率为参量的光纤陀螺静态温度混合模型;采用分类拟合方法确定模型阶次,辨识模型参数;基于温度速率实验,提出迭代补偿算法。实验结果表明,经过综合误差补偿后的光纤陀螺消除了温度和标度因数非线性对其性能的影响,使它在全温度和全速率下的测量精度得到了极大提高,从而证明了该方法的有效性。     

应用于光纤陀螺的收发一体模块研究

基于干涉型光纤陀螺的小型化和工程化设计要求,研究了一种新颖的收发一体模块,从对SLD光源进行建模入手,设计了小型化的光学系统。并用Zemax软件进行了仿真。这种收发模块采用全保偏技术,体积小,可靠性高,可以有效地抑制光源与耦合器的串音干扰。与应用较为广泛的混偏技术相比,可以避免温度变化、振动等原因对光纤陀螺系统精度的影响,从而提高光纤陀螺的整体性能。     

基于小波-ARMA模型的光纤陀螺自适应滤波

针对光纤陀螺输出是非平稳信号的特点,提出了小波-ARMA模型建模方法 ,并与ARIMA模型进行了对比分析;针对滤波方程中的量测噪声不能确定的问题,提出了基于量测噪声自适应的滤波方法,并与卡尔曼滤波进行了对比分析。研究结果表明:滤波方法相同时,小波-ARMA模型的滤波效果优于ARIMA模型;模型相同时,自适应滤波效果优于卡尔曼滤波;且建模精度大于滤波方法对滤波效果的影响。Allan方差分析表明:基于小波-ARMA模型的自适应滤波能很好地滤除光纤陀螺中的量化噪声,提高陀螺的输出精度。     

光纤陀螺受辐照影响机理分析

构成光纤陀螺敏感器件的保偏光纤环在辐射环境中损耗会增加,陀螺的精度随之降低,从而限制了光纤陀螺在空间中的应用。采用60Co作为辐射源模拟空间辐射环境,对光纤陀螺及其光电器件进行了大量的试验,并对光纤陀螺及其光电器件受空间辐射影响的机理进行了研究,得出光纤陀螺光电器件中保偏光纤环受辐射影响最严重,从而重点分析了光纤陀螺敏感器件保偏光纤环的辐射影响机理,从原理上探讨了保偏光纤环在辐射条件下损耗的增加对光纤陀螺的影响,为光纤陀螺抗辐射加固技术提供了理论基础。     

光纤陀螺随机漂移建模及其在惯导误差方程中的应用

针对光纤陀螺随机漂移模型时序无法直接应用卡尔曼滤波分析的问题,在对陀螺漂移建模分析的基础上,利用一阶马尔柯夫过程等效拟合陀螺漂移模型,并通过Allan方差分析拟合的合理性。对惯导系统误差方程进行了状态扩充,为进一步实现导航系统的滤波分析奠定了理论基础。     

光纤陀螺温度误差模型研究

对由Shupe效应引起的误差进行了理论分析,光纤环径向温阶会产生光纤陀螺零偏漂移。设计和完成了测量环境温度对光纤温度的影响试验,环境温度变化率与Shupe效应误差存在线性关系。在此基础上,设计和完成了在测量环境温度变化时光纤陀螺输出的试验,分别使用环境温度变化率的一阶、二阶和三阶项对陀螺输出的变化趋势进行建模,对模型的有效性进行了验证。结果表明:一阶模型与二阶、三阶模型相比,模型更简单、稳定性更高,能够准确地反映由Shupe效应引起的误差值,补偿效果好,与理论分析结果相符。     

光纤陀螺仪零漂信号的Allan方差分析

介绍了光纤陀螺零漂实验的设备环境,硬件和软件的构成及数据采集过程。在测得光纤陀螺零漂信号的基础上,运用Allan方差理论对陀螺信号进行定量的分析,得到了光纤陀螺5个误差源系数的大小,并根据误差源的产生机理,找到了光纤陀螺硬件存在误差的部分,提出了光纤陀螺的改进方案。     

光纤陀螺中的多功能集成光学芯片

介绍了多功能集成光学芯片在光纤陀螺中的应用。在光纤陀螺中采用了多功能集成光学芯片后 ,可以大大简化光纤陀螺系统的结构 ,缩小光纤陀螺的体积。光纤陀螺中的一些器件如相位调制器和光学开关、消光器甚至光波导谐振腔都可以集成在一个多功能集成光学芯片上。这样可以提高光纤陀螺的性能 ,增加其稳定性和可靠性 ,在某些特殊的设计中还可以对陀螺系统的误差进行补偿。     

Research on the estimation method of DVL velocity error based on double program in Fiber Optic Gyro SINS

As a basic velocity, DVL is introduced in the navigation solution process of Fiber Optic Gyro Strapdown Inertial Navigation System (FOG SINS). According to the special application background, DVL error is unavoidable to be introduced to navigation information that is calculated by FOG SINS. Firstly, the effect of DVL error on steady-state error of misalignment angles is derived. Secondly, the estimation method of DVL error is proposed: the DVL velocity error is calculated by attitude information, which is resolved respectively from compass solution method and inertial navigation solution method. At last, both simulations and ocean experiments verify the feasibility of the method.     

光纤陀螺随机漂移的在线建模及实时滤波

针对高精度光纤陀螺(FOG)随机误差,在分析时间序列相关函数的基础上,得出其时间相关性呈较弱现象,若采用传统方法辨识模型,则容易造成误判.在此情况下,使用适用性更广泛的AIC准则分别确定AR及ARMA模型的最佳阶数,继而采用卡尔曼滤波算法,最后以滤波后零偏稳定性改善情况来选择作为FOG随机误差的数学模型.验证结果表明:...     

A Kalman filter algorithm based on exact modeling for FOG GPS/SINS integration

The Kalman filter is widely applied in fiber optic gyro (FOG) inertial integrated navigation system. To solve the problem of hard acquirement of Kalman filter parameters, a novel algorithm for FOG GPS/SINS integration navigation based on exact modeling is proposed in this paper. The models of inertial sensors using Allan variance analysis are established in proposed algorithm and the precise Kalman filter model is obtained based on the correspondence between Allan variance coefficients and inertial sensors parameters. The simulation and experimental results show that Kalman filter parameters can be obtained for GPS/SINS integrated navigation system precisely and efficiently based on Allan variance modeling method, and the algorithm has reference value for theoretical perfection and engineering applications.     

Phenomena of optic-bound effect on fibre optic gyro

The optic-bound effect on fibre optic gyro (FOG) precision is analysed theoretically, and formulas describing the change of FOG light power under the action of optic-bound effect are given. It is confirmed that optic-bound effect is a main instantaneous non-reciprocity effect of FOG in addition to the Sagnac effect and can lead to a dynamic error of FOG in practical environments. An approach to suppressing or eliminating the error due to the optic-bound effect is presented and verified experimentally. The result shows that the approach is valid and the precision of FOG is improved observably.     

对轴误差对光纤陀螺输出的影响

理论分析并试验研究了Y波导保偏尾纤与保偏光纤线圈之间熔接点的对轴误差对光纤陀螺输出的影响.根据简化的光纤陀螺光路误差模型,对光纤陀螺的输出相位误差与光路中主要耦合点的对轴误差的关系进行了理论推导和仿真分析,并利用一个实际的闭环光纤陀螺试验研究了主要熔接点的对轴误差变化对光纤陀螺零偏和零偏稳定性的影响.结果表明,Y波导保偏尾纤与保偏光纤线圈之间的对轴误差是引起光纤陀螺输出误差的重要因素,必须尽量减小.     

闭环光纤陀螺死区及光功率交扰误差的研究

数字闭环光纤陀螺引入的死区问题限制了其向更高性能惯性导航系统的应用。采用数学模型分析了数字闭环光纤陀螺死区的成因是反馈相关误差干扰,通过simulink仿真工具对死区现象进行了仿真,对比陀螺死区测试对模型进行了验证。以此为基础提出了电光合串扰造成死区的干扰模式,分析了干扰误差源的信号频域特征并使用频谱分析仪对受干扰的光功率信号进行了相关频点的测试,同时对比了干扰抑制后无死区的光功率信号相关频点的测试结果。通过抑制相关误差前后的测试结果对比,验证了与数字闭环反馈阶梯波相关的误差输入是死区形成的根本原因,除了电路交叉耦合之外,电路对光强的调制干扰也会造成死区问题。在采用针对干扰信号频率特性的退耦及PCB设计后,闭环光纤陀螺死区由0.2/h降低至0.02/h,满足系统应用需求。     

单光纤光纤陀螺误差分析

单光纤光纤陀螺采用的是单光纤在线制作技术。由于这种方法是把所有的光器件都放在一根光纤上制作,因此各光器件的连接处没有融接点,并且光器件的性能可在线控制。在分析其结构的基础上建立了开环FOG的光学模型,并进行了误差分析。指出了单光纤光纤陀螺方案是低成本、高可靠性、易于工程化的一种方案。     

振动对光纤陀螺线形测量系统影响分析

在使用光纤陀螺测量系统对桥梁线形进行测量的过程中,来自汽车和路面的振动影响会给测量结果带来巨大的误差。使用Morlet小波对光纤陀螺采集到的信号进行时频分析,确定了27 Hz以上均为噪声信号。在对巴东长江大桥的线形测量中,使用切比雪夫滤波器去除光纤陀螺采集到的噪声信号,大大的提高了光纤陀螺线形测量系统的精度。     

Study of reflection error in closed-loop polarization-maintained interferometric fiber optic gyroscope

To analyze quantitatively and systematically the reflection error in optical path of closed-loop polarization-maintained (PM) fiber optical gyroscope (FOG), the optical model is established and analyzed. Based on the optical model and the principle of the coherence detection in signal processing, the source of the reflection error is disclosed from the point of wave trains, and its effect on FOG performance is analyzed in detail, including variation as the step wave on modulator and as the environment temperature. In addition, the measures are promoted to suppress the reflection error, and the simulation result demonstrates that the peak-to-peak value of the reflection error can be suppressed from about 0.8°/h to less than 6×10⁻³°/h through matching the length of birefringent pigtails, which is small enough to meet the requirement of FOG with high performance.