光纤陀螺随机漂移补偿中的数据融合方法（英文）

为提高光电平台的控制性能和稳定性,以平台反馈回路所用的光纤陀螺传感器为研究对象,对光纤陀螺角速率的历史输出、当前量测以及随机漂移进行融合补偿。采用双自回归模型确定了光纤陀螺时间序列输出的自回归多项式和光纤陀螺随机漂移的自回归关系。以陀螺当前输出为量测量,结合卡尔曼滤波算法将陀螺历史输出和历史随机漂移融合进状态方程,并进行随机漂移在线估计补偿。实验结果表明,光纤陀螺随机漂移的AR模型能达到90%拟合效果,经卡尔曼滤波补偿后随机漂移能降到1/10。该方法能很好地抑制光电平台三个框架轴光纤陀螺的随机漂移,补偿率为80%~90%。     

一种基于Haar小波的光纤陀螺信号实时滤波方法

为了改善惯性稳定平台控制系统中光纤陀螺信号质量,提出了一种基于Haar小波的光纤陀螺信号实时滤波方法。首先通过仿真,说明了影响现有小波方法实时滤波效果的根源,即边界问题;进而通过理论分析,对边界问题产生的原因进行深入剖析,并从支撑集和对连续阶梯信号的逼近两个层面,详细论证了Haar小波对于光纤陀螺信号实时滤波的适用性;最后提出一种基于Haar小波的实时陀螺信号滤波方法,既利用了小波优越的信号-噪声分离能力,又可满足实时应用背景的要求,完全适用于惯性稳定平台控制系统中的光纤陀螺信号滤波。经试验验证,此方法具备很好的陀螺实时滤波性能,滤波后信号的随机噪声可降低40%以上,使用滤波后陀螺信号闭环后,惯性稳定平台控制系统的稳定精度可以提升14%。     

舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术及未来发展

光纤陀螺在随机误差方面表现出极佳的性能优势,并不断向超高精度方向发展。结合所在研发团队近几年的最新研究成果,分析了高精度光纤陀螺及惯导系统的发展现状。重点突破了超高精度光纤陀螺的结构设计与仿真、超长细径大直径精密环圈设计、误差抑制与标度提升以及陀螺极限精度测试等关键技术,研制的高精度光纤陀螺Allan方差探底值测试精度达到0.000005°/h。同时,介绍了平台旋转调制与载体角运动隔离、热/磁引起的航向效应误差抑制及残差补偿、高精度重力场误差模型构建与补偿等系统技术。首次开展了水下长航时自主导航试验,验证了舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术的可行性和优势。最后对高精度光纤陀螺及惯导系统未来发展进行了展望。     

光纤陀螺环路增益高精度实时检测与闭环控制方法

传统光纤陀螺控制算法,只能保证反馈通道增益的稳定,无法实现前向通道增益的实时检测与稳定保持,而前向通道增益稳定性是影响光纤陀螺性能、反映实际条件下光纤陀螺工作状态的重要参数之一。为此,提出了一种光纤陀螺环路增益高精度实时检测与闭环控制方法,利用新引入的增益监控调制信号实现了全环路增益的实时精确检测,采用增益闭环自动控制回路实现了环路增益在预设参考最优值的稳定保持。实验结果表明,此增益检测方法可成功实现光学器件、全光路、电子器件在实际环境条件下的增益精确检测,增益闭环控制的应用将光纤陀螺在全温下的环路增益变化量由19.8%下降为0.12%,显著降低。所提出方法普遍适用于温变、振动、长期贮存等环境,在不增加硬件电路、不依赖外部设备的情况下可实现光纤陀螺全环路增益的实时准确检测与稳定控制,对光纤陀螺设计与应用具有参考意义。     

基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺

针对谐振式光纤陀螺易受背向散射噪声影响,且温度适应性较差的问题,提出了一种基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺方案。该方案利用双闭环反馈结构,综合使用三角波相位调制和声光移频器的大频差调制,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检测精度。同时,通过在声光移频器产生的大频差中引入补偿项进行温度补偿,改善了温度适应性。在搭建样机进行对比测试实验后,实验结果表明,四态调制方案可以将陀螺室温环境下的零偏稳定性提升51.5%;变温环境下的零偏稳定性提升69.6%。可见,基于频差四态调制的方案能有效提高谐振式光纤陀螺抑制背向散射噪声的能力,并能改善陀螺的温度适应性。     

光纤陀螺研究——以空间应用为目标

本文从空间应用的背景出发,着重阐述光纤陀螺研究中的漂移抑制问题及其解决途径。利用琼斯矩阵,建立了光纤陀螺偏振过程模型,导出了与偏振有关的输出相干光强度表达式,借助计算机给出光强作为光纤相位滞后的函数以及作为光纤本征轴方向的函数的三维分布图,以此说明抑制漂移的途径。已经研制成的小型化实验型光纤陀螺的NER(噪声等效速率)为0.5°/h量级,输入速率的极限超过士800°/s。作为近期目标的0.1～0.01°/h量级光纤陀螺正在研制中。     

基于RLS算法的全角模式半球谐振陀螺自补偿控制

针对全角模式半球谐振陀螺驻波的非线性漂移严重影响陀螺输出精度,且该漂移会受温度、驻波位置、老化程度等因素影响的问题,提出了一种基于递归最小二乘（RLS）算法的半球谐振陀螺自补偿控制方法,分析了全角模式半球谐振陀螺的输出误差补偿机理,基于RLS算法,推导出了误差自补偿控制过程表达式,并进行了仿真和实验验证,结果表明经自补偿后陀螺输出偏移峰峰值从0.0104°/s降至0.0013°/s。实验证明所提方法能够有效地抑制全角模式陀螺驻波的非线性漂移,实现对陀螺自身状态的监测和实时补偿,可提高全角模式半球谐振陀螺的输出精度,并增强陀螺的长期稳定性以及环境适应性。     

基于提升小波与灰色神经网络的光纤陀螺振动误差建模

光纤陀螺在振动环境下的输出具有噪声大、漂移强的特性,必须建立合理的振动误差模型,以便使用精确的算法进行补偿,从而提高光纤陀螺的输出精度。文中首先使用Allan方差分析法分析了某型号的数字闭环光纤陀螺在振动环境下的输出信号,随后利用提升小波分离出了光纤陀螺误差模型中的白噪声及漂移误差,并提出了基于灰色理论和RBF神经网络的漂移误差建模方法。仿真结果表明,相较于传统的RBF神经网络模型,基于提升小波的灰色RBF神经网络的漂移误差建模方法能有效滤除白噪声,并将漂移误差模型的建模精度提高了一倍左右。该方法能够有效提高光纤陀螺在振动环境下的输出精度,对光纤陀螺在振动环境下的误差研究具有重要指导意义。     

基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法

由于角振动台的振动频率有限,无法实现光纤陀螺的高带宽测试。提出了基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法,采用正弦电流激励下的Faraday相位差等效Sagnac相位差,解决了激励信号输出频率有限的问题。根据光纤中的Faraday效应原理,分析了该评估方法与光纤陀螺角振动台测试方法的等效性;搭建了评估系统,使用该评估系统来模拟某型号光纤陀螺的信号处理过程,进行等效评估实验,得到了等效评估的光纤陀螺闭环带宽为9 kHz,实现了高带宽光纤陀螺的频率特性评估测试,为改善光纤陀螺的动态特性提供了有效的验证平台。     

连续旋转的光纤陀螺全温失准角快速建模与补偿方法

在全温范围内应用的光纤陀螺,其输入轴失准角随温度的变化是影响光纤陀螺惯性系统性能的重要指标之一。特别是在大角速率或者高精度应用时,失准角的变化误差甚至超过零偏漂移误差和标度因数误差。采用温度补偿技术是一种提升光纤陀螺温度性能的有效方法,其中建立精确的温度模型是关键。提出了一种连续旋转的光纤陀螺全温失准角快速建模补偿方法。基于单轴速率转台的连续旋转,可以有效识别光纤陀螺失准角在全温范围内的变化拐点,提高建模和补偿的精度。试验结果表明,某型光纤陀螺全温输入轴失准角变化约14″,补偿后全温输入轴失准角变化小于1″,精度提高了一个数量级以上。在高精度光纤陀螺惯性系统中,该方法可用于指导光纤陀螺失准角的实时温度补偿技术研究及工程实现。     

高精度光纤陀螺光源强度噪声的抑制

掺铒超荧光光纤光源的光源强度噪声是影响高精度光纤陀螺随机游走系数的主要因素。为了降低陀螺随机游走系数,进一步提高陀螺精度,提出了一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法。利用耦合器两个输出端输出光的相关性,将两束光转换为电信号送入FPGA中,用数字电路相减法实现光源强度噪声的抑制。通过Allan方差法对抑制前后陀螺输出数据的分析结果可以看出,采用数字相减法可以有效的抑制光纤陀螺的光源强度噪声,角随机游走系数与抑制前相比减小33%。该方法与以往的方法相比,具有工程实现简便、可靠性高、维护容易等优点。     

开关电源噪声对光纤陀螺精度影响的研究

针对光纤陀螺专用开关电源集成化,分析了PWM波形变化以及开关频率引起的噪声对陀螺精度的影响。测试结果表明:对零漂为0.3 ()/h的中精度陀螺,开关电源噪声对陀螺精度没影响。     

光纤陀螺热致漂移误差的模糊补偿(英文)

针对光纤陀螺启动过程中的热致漂移误差问题,研究了一种模糊模型补偿方案。依据Shupe非互易性理论和Mohr加热模型试验的结论,以光纤环内侧温度和温度变化率为输入,以陀螺漂移为输出,建立了二输入一输出模糊模型。利用全温范围(-25℃～45℃)内光纤陀螺的恒温静态试验数据,基于自适应神经网络模糊推理系统的自学习功能,辨识出模糊规则库。通过实时施行模糊推理可实现光纤陀螺温度漂移的在线自动补偿。室温验证试验表明,陀螺的零偏稳定性由补偿前的0.037(°)/h提高到0.017(°)/h,陀螺启动时间由补偿前的30 min减少为2 min。     

光纤陀螺光纤敏感线圈三维温度瞬态响应模型

针对光纤敏感线圈的热致非互易相移问题,通过传热分析建立了光纤敏感线圈的三维温度瞬态响应模型.利用该温度瞬态响应模型全面分析了三维坐标下的温度梯度造成的热致非互易效应;结合光纤陀螺实际的工作环境,利用仿真对四极对称绕法的光纤环进行了分析,获取了温度激励造成的热致速率误差.通过温度模型计算的热致误差速率与温箱中光纤陀螺稳测数据的极差为0.48(°)/h,计算结果验证了光纤敏感线圈三维温度瞬态响应模型的有效性.利用该模型可有效指导光纤环热结构参数的设计,从而抑制光纤环的Shupe误差,提高光纤陀螺的温度性能.     

太空单粒子效应光纤陀螺输出地面模拟分析

为了研究在地面环境下模拟分析空间用光纤陀螺输出特性,对光纤陀螺静态高速输出连续相同数据的特性展开了研究。通过对光纤陀螺系统建模,研究了前向增益与两种陀螺输出滤波器的特性。提出了一种计算光纤陀螺静态条件下输出连续相同数据概率的方法。通过理论计算、仿真、实验相结合的研究方法,相互验证了其正确性,发现陀螺输出连续五次相同的概率的量级为10-11,发生的概率极小,为空间应用光纤陀螺系统时钟故障诊断提供了参考。通过研究发现陀螺前向增益越小,越容易导致陀螺输出连续相同的数据;陀螺滤波器对陀螺输出连续相同数据的固有特性有重要的影响;平滑滤波器较FIR滤波器更容易导致输出连续相同的数据。     

基于光纤陀螺零偏稳定性的高精度寻北方案

为了进一步提高光纤陀螺寻北系统的测量精度,提出了一种基于光纤陀螺零偏稳定性分析的寻北算法设计方案.首先,分析了光纤陀螺寻北系统的原理和影响系统寻北精度的主要因素,指明在寻北时间一定的情况下,需要根据光纤陀螺零偏稳定性的测试结果来平衡单位置积分时间及位置数,来达到较高的寻北精度.实验数据表明,本系统利用精度为0.03 (°)/h的陀螺进行5 min寻北测试,采用56位置法可以实现3′的寻北精度.此方法突破了传统寻北算法的参数选择标准,能够最大程度抑制陀螺的测量噪声,大幅提高寻北系统性能,对其它陀螺寻北系统的参数选择具有借鉴意义.     

基于粒子群优化算法的光纤陀螺温度误差分段补偿方法

针对光纤陀螺的温度误差单一模型补偿方法适配性较差的问题,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的光纤陀螺温度误差分段补偿方法。此方法基于分段建模补偿的思想,在建模时加入温度和温度变化率影响因子,并引入PSO算法极值寻优,得到最优补偿函数。为了验证此方法的补偿效果,设计了?15℃~50℃区间内光纤陀螺温度实验,分别利用所提方法和传统方法对其温度误差进行补偿。试验结果表明,使用所提方法能够极大地降低温度误差,与传统算法相比,在保证补偿后陀螺零偏稳定性一致的前提下陀螺零偏均值降低了一个数量级,并且具有实时补偿性。     

基于SLD光源的谐振式光纤陀螺角度随机游走提升方法

针对基于超辐射发光二极管（SLD）光源的谐振式光纤陀螺角度随机游走提升需求,分析了移频复位特性非理想对陀螺输出的误差影响机理,建立了信号传输系统仿真模型,确定了移频锯齿波复位产生的尖峰脉冲噪声对陀螺输出的定量影响。在陀螺调制解调控制方案中,提出了一种部分采样结合均值滤波的技术方法,减小了锯齿波移频复位误差对解调系统的影响,提高了陀螺角度随机游走性能。经实验证明,使用部分采样结合均值滤波的方法测试光纤环直径50?mm、光纤长度30?m的基于SLD光源的谐振式光纤陀螺,陀螺角度随机游走提升了30%,达到0.045。     

光电探测组件电源抑制比测试方法

抑制电磁干扰是解决光纤陀螺尤其是轻小型光纤陀螺低速灵敏度的关键问题,为了从电源完整性角度研究光纤陀螺检测电路干扰传导特性,需要对光电探测组件的电源抑制比进行测试。针对光纤陀螺微弱信号检测的特点,提出一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试方案,通过测量普通运算放大器的电源抑制比并与手册给定的典型值进行对比,校验了测试系统的准确性。以中低精度光纤陀螺调制-解调频率范围为例,利用该测试系统测量了光电探测组件100 k Hz~3 MHz内电源抑制比频率特性曲线。实验结果表明,光电探测组件的电源抑制比呈明显的高通特性,在100 k Hz频率点处+PSRR约为29.5 d B,到达3 MHz处衰减为17.8 d B,为后续计算电源传导干扰抑制要求和优化电源退耦网络提供了依据。     

强噪声下全驱空中作业平台自抗扰反演控制

针对新型空中作业机器人飞行平台存在的强噪声、扰动、参数不确定性以及全驱控制问题，提出了一种基于动态补偿的自抗扰反演控制方法。首先描述了新型空中作业机器人机构设计。其次，建立了基于Carig与递归Newton-Euler方程的空中作业系统运动学与动力学模型。然后，考虑机械臂对飞行平台的扰动影响，建立了飞行平台全驱控制补偿项，并结合自抗扰控制与反演控制技术分别设计了平台位置与姿态控制器。最后，考虑了随机强噪声与扰动、参数不确定性等实际问题，进行了仿真试验。仿真结果表明，在强噪声与扰动条件下对飞行平台的位置与姿态跟踪控制中，采用所提出的算法后比动态补偿（DC）PID算法的跟踪误差降低了37.9%以上，验证了所提出的控制方法具有噪、扰抑制能力，提高了系统控制精度。