基于随机共振的数字闭环光纤陀螺死区现象抑制

为抑制数据闭环光纤陀螺中死区现象引致的非线性性,实验研究了随机共振效应对系统信噪比的影响。实验结果表明,以电阻热噪声作为原始噪声源,配合适当的电路设计,可获得带宽可调、零均值、正态分布的随机噪声;在陀螺闭环反馈环节中的A/D转换器前,引入相应随机噪声,利用二值量化系统的非线性性,基于随机共振效应,可以提高系统信噪比,将陀螺的死区阈值从0.37o/h降至0.15o/h。此外,对于给定的陀螺系统,噪声强度、带宽和采样频率的选择不同,抑制死区现象的效果亦不同。进一步的理论分析表明,该方法可以广泛适用于基于数字闭环结构的微弱信号检测系统。     

静电悬浮加速度计反馈引起闭环点漂移机理及抑制方法

静电悬浮加速度计的检测质量闭环点位置偏离电极框中心时会造成系统非线性误差,调整检测电路输出电压可调整检测质量闭环点,而在调整过程中发现反馈电压变化会引起电容检测电路输出电压漂移,从而影响闭环点调节精度。为解决此问题,研究了闭环点位置与检测电路输出电压变化的关系,推导了检测电路传递函数,初步确定了反馈电压对检测电路输出电压影响的原因是隔直电容选取不恰当,通过实验对比了材料为C0G、Y5P、X7R及SL的多层陶瓷电容作为隔直电容时输出电压与反馈电压关系。实验结果表明:采用低温漂、耐高压和受频率影响小的C0G电容作为隔直电容能够消除反馈对检测电路引起的输出电压漂移,从而消除调节闭环点过程中闭环点位置的漂移,并且能提高检测电路稳定性。     

高精度LINS陀螺采样频率以及噪声抑制技术

基于激光陀螺高带宽和数字化输出的特点,提出激光陀螺数字信号处理的两个基础性问题,采样频率合理性与抗混叠滤波。分析了国产高精度激光捷联惯导常用的2000 Hz采样频率下激光陀螺频谱特性。指出在该采样频率下,激光陀螺输出信号中存在某些固定频率干扰信号。提出一种逐步升高采样频率的方法,给出了谱峰位置确定公式,证明国产高精度激光陀螺输出信号中存在机抖频率的3倍频和5倍频干扰信号,并给出合理的最低采样频率应为4500 Hz。为了解决激光陀螺数字化输出的抗混叠滤波问题,建议引入过采样技术,继续提高采样频率,降低激光陀螺功率谱密度,并利用低通滤波抑制噪声,提高激光陀螺精度。     

基于INS/ILS/RA组合导航的自动着陆系统

针对民航机精密进近着陆过程容易受地场环境、电磁干扰等空间噪声和接收机噪声的影响,对波束误差信号进行滤波相位滞后的问题,提出基于INS/ILS/RA组合导航的自动着陆系统(ALS)。该系统将仪表着陆系统(ILS)及无线电高度表(RA)和惯性导航系统(INS)输出的位置之差作为量测,运用卡尔曼滤波器进行估计,将组合导航系统的输出航迹角及纵向轨迹角替代波束偏差,分别送入横纵向控制回路。仿真结果表明,INS/ILS/RA组合位置解算方位角偏差精度优于0.3°,下滑角偏差精度优于0.2°。该系统可显著改善波束误差控制信号的动态品质,降低噪声影响,提高ILS自动进场着陆控制回路的稳定性和闭环性能。     

硅微机械陀螺仪频率调谐控制系统设计

硅微机械陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其结构机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺结构处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大峰值且噪声和分辨率等指标可得到有效提高。提出了一种基于正交信号和驱动位移相位差的鉴相控制方法,以判断陀螺结构是否处于频率调谐状态,并通过调节检测模态刚度达到频率调谐目的。首先,介绍了陀螺结构检测模态谐振频率调节的原理,并结合结构参数量化分析了频率调节范围。其次,分析了鉴相控制方法,并在其基础上设计了频率调谐控制系统,建立了整机系统模型,并对其进行了稳定性分析。最后,结合整机模型进行了仿真,采用所提出的方法可实现(Δf)的快速、稳定、自主调节,系统的标度因数指标调谐前后分别为13.1 m V/(°/s)和220.6 m V/(°/s),大大提高了结构的机械灵敏度,验证了设计方案。     

一种基于自激励的核磁共振陀螺仪闭环控制方法

维持气室内原子稳定进动的磁场闭环控制是核磁共振陀螺仪的关键控制技术之一。在目前广泛应用的闭环控制方法中,相位闭环无法实时补偿,且存在由于晶振时钟频率受限造成的量化噪声,导致陀螺零偏稳定性较差且转速分辨率较低,限制了核磁共振陀螺的应用范围。为解决以上问题,提出了一种基于自激励的闭环控制方法,通过理论仿真模型和实验设计,验证了其正确性与可行性。仿真结果表明,采用所提出闭环控制方法的陀螺漂移可达到9×10-4 °/h,角速率分辨率可达到0.1°/s以内。实验结果表明,与传统方法相比,采用所提出的方法使得陀螺漂移精度提高了一个数量级,同时,为未来核磁共振陀螺小型化奠定了基础。     

谐振式加速度计非线性振动的建模与优化

实验发现硅微谐振式加速度计非线性效应的弱化可以降低测量噪声,对非线性振动进行了推导与建模,利用扫频数据得到模型中的未知参数,并根据模型计算出使非线性效应消失所需的激励电压,给闭环工作点的设计提供了理论指导。实验结果表明:模型与实际系统在各激励电压幅值下均保持一致,非线性效应消失点和实验吻合。根据闭环工作点的设置进行了方案优化,最终在0.25 mV激励电压下的闭环实验中,实现了5.5×10~(-5) Hz的频率输出噪声,对应加速度噪声为1.7μg,与之前30μg的噪声水平相比改善了数十倍。     

CCD探测器的数字读出技术

探测器的读出噪声是表征其性能的一个重要参数,它不仅限制了探测器的能量分辨,还影响探测器系统的动态范围。传统的CCD探测器信号读出部分都采用由模拟器件构成的相关双采样（Correlated Double Sampling,简称CDS）电路,这种方法已被证实能够有效抑制探测器噪声,但与此同时,由于CDS电路本身比较复杂,引入了新的噪声,它成为进一步减小读出噪声的一个屏障。为了消除模拟电路本身的噪声屏障,作者采用了一种基于高速ADC和FPGA的直接数字化读出方法,去除CDS电路,简化信号路径,由FPGA控制高速ADC对CCD探测器输出信号的参考电平和信号电平进行多次采样,用数值计算方法实现CDS功能,提高了信噪比,改善了探测器的性能。     

存在关节力矩输出死区及外部干扰的漂浮基空间机械臂积分滑模神经网络自适应控制

探讨了载体位置和姿态都不受控时,漂浮基空间机械臂在带有关节力矩输出死区及外部干扰情况下轨迹跟踪的控制算法设计问题。死区与外部干扰影响系统的跟踪精度与稳定性。为此引入积分型切换函数,减少外部干扰引起的稳态误差,并利用径向基函数神经网络逼近动力学方程的未知部分,设计了一种积分滑模神经网络控制方案。控制算法的优点是,在死区斜率与边界参数不确定及最优逼近误差上确界未知的条件下,可以利用最优逼近误差、死区及干扰的补偿项来消除影响。李亚普诺夫稳定性分析证明了闭环系统的稳定性,且轨迹跟踪误差将收敛到0的某个小邻域内。仿真算例证实了该控制算法的有效性,实现了空间机械臂的轨迹跟踪控制。     

小波分析在捷联惯导陀螺信号滤波中的应用

介绍了小波变换和多分辨率分析理论。针对捷联惯导系统中光纤陀螺输出信号的特点，对其进行小波变换，去除信号中高频部分的噪声，从而抑制了陀螺的随机漂移。通过仿真实验，肯定了使用小波分析算法对陀螺输出信号进行滤波消噪处理的可行性。在实际用于捷联惯导系统中的实验结果表明，有效地提高了系统的精度。