光纤陀螺零偏稳定性的数据建模方法研究

光纤陀螺零偏稳定性是非系统性的随机变化漂移率,在惯性系统中不能用简单的方法加以补偿,因而其成为衡量光纤陀螺精度的重要指标。但通过时间序列分析中的数据建模方法可对光纤陀螺的零漂测试数据建立零偏稳定性数学模型。这样,在由光纤陀螺构成的惯性系统中利用卡尔曼滤波方法可使光纤陀零稳定性对系统精度的影响降至最低限度。中还对建模过程作了较详细的阐述。     

BP-Bagging模型在光纤陀螺温度补偿中的应用

为了消除光纤陀螺的温度效应并提高陀螺的精度,BP神经网络模型广泛的应用在光纤陀螺的零偏温度漂移辨识和补偿中。然而,单神经网络模型的泛化能力差,影响模型的预测结果。结合神经网络集成学习的思想,利用Bagging集成技术产生差异大、预测能力强的个体网络,提升模型的预测能力。建立光纤陀螺零偏温度的BP-Bagging模型,将其应用在温度补偿中。通过对某型光纤陀螺的零偏漂移数据进行仿真,结果表明:BP-Bagging模型相比线性回归模型、单BP神经网络模型的补偿效果更显著,有效改善了陀螺的零偏稳定性能。     

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。     

高精度光纤陀螺的分辨率测量

系统介绍了在单轴转台上测量高精度光纤陀螺分辨率的方法。该方法以GJB2426—95对光纤陀螺分辨率的定义为依据，以地球自转水平分量的余弦分量为陀螺的输入量，提出了一种正交三点寻北法。分析了光纤陀螺输出信号的特征，提出用对称测量法消除陀螺零偏并减小零漂对测量的影响。最后用IEEE推荐的测量不确定度评定方法对测量结果的不确定度进行了严格的评定。     

数字闭环光纤陀螺频率特性分析与测试

系统的闭环带宽严重影响光纤陀螺在振动、急转弯等环境条件下的测试精度,闭环光纤陀螺的实际带宽高达几kHz,无法采用一般的角振动台进行全频带频率特性测试,因此,频率特性的分析与测试成为了闭环光纤陀螺研究的一项重要内容。针对这种需求,根据系统的结构框图及工作原理,建立了数字闭环光纤陀螺的动态模型,推导出了系统的传递函数;在此基础上对数字闭环光纤陀螺的频率特性进行了分析,指出了改善系统动态特性的方法;最后,利用数字闭环光纤陀螺的闭环工作原理,通过在反馈阶梯波上直接叠加激励信号,实现了光纤陀螺阶跃响应和频率响应的测试,得出了系统闭环带宽高达9kHz的结论。     

对称单质量微机电陀螺的零偏自补偿方法

针对微机电陀螺的零偏易受环境因素如温度的影响而发生漂移的问题,提出了一种适用于全对称单质量陀螺的零偏自补偿方法,该方法以两种基本单轴工作模式为基础,将两种工作模式下的检测信号进行差分即可实现零偏自补偿。建立了陀螺的动力学模型,对于结构完全对称的单质量陀螺,得出了两种基本工作模式对应的标度因数互为相反数、温度变化引起的零偏变化量一致的结论,并通过实验得到了验证。零偏自补偿方法实现了标度因数叠加、零偏变化量抵消的效果。设计了一种基于FPGA的零偏自补偿数字电路,并进行了零偏试验。零偏温度试验结果表明,在25℃~70℃的温度范围内,两种基本工作模式对应的零偏输出随温度变化的趋势一致,零偏自补偿后的零偏变化量降为了基本工作模式的24%;常温零偏试验结果表明,零偏自补偿后的陀螺零偏稳定性和零偏不稳定性分别抑制到了基本单轴工作模式的18%和31.85%,验证了该零偏自补偿方法的有效性。     

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。     

四频陀螺中压电陶瓷歪扭导致的光强变化及其对零偏的影响

激光陀螺通常使用压电陶瓷换能器(PZT)作为反馈控制元件来维持腔长不变,然而PZT在推拉过程中产生的歪扭将会引起腔损的变化,进而导致光强以及零偏的变化。为了提高激光陀螺的零偏稳定性,对PZT歪扭导致的零偏变化进行了理论和实验研究。理论分析表明,PZT歪扭导致的光强变化与零偏变化密切相关,当光强相对变化10-3时,零偏变化约0.02 Hz。改变激光陀螺的纵模阶数,同时测量对应的光强和零偏,所得实验结果与理论分析基本一致。研究表明,目前四频激光陀螺中PZT歪扭导致的零偏变化在0.01 Hz的量级,因此通过对PZT制作工艺进行改进可进一步提高四频激光陀螺的性能。该研究对高精度四频激光陀螺的研制具有一定的参考价值。     

复杂温变环境下的激光陀螺零偏补偿方法

在高精度捷联惯导系统中,激光陀螺零偏随温度的变化往往不能忽略.基于不同温变环境下的激光陀螺零偏测试实验,分析了激光陀螺的零偏温度漂移特性,研究了陀螺零偏与温度变化、温变速率和温度梯度之间的相关关系,说明了在复杂或快速的温变环境中,激光陀螺零偏除与温度值变化有关外,其受温变速率和温度梯度的影响更为显著.建立了适用于缓变温度环境的静态温度模型和适用于复杂温变环境下的动态温度模型,并在快速温变和随机温变环境下对模型进行了试验验证.结果表明,动态温度模型能很好地实时补偿复杂温变引入的陀螺零偏异常,显著改善陀螺零偏稳定性使其达到或接近常温精度水平.     

一种高精度光纤陀螺用光子晶体光纤设计

为了解决光子晶体光纤陀螺中高阶模致非互易性问题,设计了一种用于高精度光纤陀螺的单模保偏光子晶体光纤。为获得光纤结构参数最优区域,基于全矢量有限元方法开展了光子晶体光纤模场分布、双折射特性和限制损耗与三个重要结构参数(归一化频率、空气填充比、大孔直径)的依赖关系数值仿真分析。以传统熊猫型保偏光纤特性为参照,确定了光子晶体光纤结构参数最优区域。采用优化的光子晶体光纤绕制了1500 m环圈并装配于陀螺,对陀螺进行了相应测试。未采用温度补偿措施下,陀螺全温零偏稳定性优于0.008 (°)/h (100 s, 1σ),表明这种光子晶体光纤适用于高精度光纤陀螺。     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

陀螺寻北仪中测量信号的在线建模与滤波

针对光纤陀螺寻北仪中光纤陀螺(FOG)和加速度计的随机误差,采用改进型二阶自回归AR(2)模型,在线建立了光纤陀螺和加速度计随机误差模型。根据该模型,建立了FOG陀螺寻北仪的12阶Kalman滤波器,实现了两个FOG和两个加速度计测量信号在寻北过程中的实时滤波。仿真、Allan方差分析与寻北试验结果表明:FOG信号中随机游走、零偏不稳定性、变化率随机游走、变化率斜坡和量化噪声五项噪声源误差系数都小于滤波前的二分之一;在减小光纤陀螺和加速度计测量信号中的随机误差,提高其精度的同时,FOG寻北仪的寻北误差减小了0.3 mil。     

小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路

数字闭环光纤陀螺信号处理电路通常由分立的器件构成,其体积较大,限制了光纤陀螺的体积。为了缩小光纤陀螺的体积。设计了一种通用型小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路,该电路采用一体化陶瓷外壳,不需要使用基板,通过系统级封装(SIP)的方式,把国产的前级放大器、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、后级放大器以及串口收发器的裸芯片封装在外壳里,电路体积仅为14.6mm?14.6mm?2.5 mm,与采用分立的器件相比,光纤陀螺体积缩小了四分之一。电路可以实现光纤陀螺信号的采集以及调制波形的输出,实验结果表明,电路可以实现0.01(°)/h的光纤陀螺精度。     

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。     

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。     

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。     

光纤环十六极对称绕法温度性能的仿真与分析

温度性能对光纤陀螺的精度影响至关重要。通过深入研究光纤环的十六极对称绕法,达到了改善光纤陀螺温度性能的目的。在对光纤陀螺由Shupe误差引起的热致旋转速率误差数学模型离散化的基础上,结合ANSYS有限元分析软件建立了精确到匝的光纤环十六极对称绕法有限元模型。根据所建立的光纤环温度分布模型,仿真分析比较了在光纤环四周施加变化的温度激励和分别在径向和轴向施加相同的恒定温度激励下,十六极对称绕法与四极和八极对称绕法绕制的光纤陀螺的温度性能。仿真实验结果显示:由十六极对称绕法绕制的光纤陀螺的热致旋转速率误差要低于四极和八极对称绕法1~2个数量级,这对十六极对称绕法在高精度光纤陀螺中的应用具有重要意义。     

光纤陀螺寻北仪的二位置寻北方案

介绍了光纤陀螺寻北的基本原理,分析了基座的倾斜误差对寻北精度的影响。基座平面绕垂直于陀螺轴的倾角将直接引起一个同样量级的方位角测量误差,从而在较大程度上影响寻北精度。基座平面绕陀螺轴的倾角对方位角测量的影响小,在一些寻北精度要求不高的场合,可以忽略该倾角的影响。最后介绍了光纤陀螺寻北仪的二位置寻北方案。二位置寻北方案利用光纤陀螺对相差180°的两个方向上的地球自转角速率水平分量的敏感,精确地解算出地理真北方向与陀螺轴向的夹角。系统简单,比较容易实现。     

多位置寻北误差与陀螺数据采样时间的关系

为了在规定寻北时间内确定最佳采样时间和提高寻北精度,针对多位置陀螺寻北仪寻北误差与采样时间的关系问题,以FOG二位置寻北方案为例,采用FOG寻北误差理论推导结果与寻北实验结果相比较的方法,结合FOG数据的自相关性理论分析结果,分析得到了多位置寻北误差随采样时间的变化规律:随采样时间的增加,寻北结果会产生寻北精度不稳定、基本稳定、寻北精度较高和寻北误差增大等四种情况;分析了寻北实验误差小于理论计算结果以及寻北精度并非一直随采样时间增加而提高的原因;提出采样时间极限的概念,并得到实验样机采样时间极限为120 s,提出确定采样时间的原则和选择最佳采样时间的方法,这对多位置陀螺寻北仪设计和提高寻北精度具有一定指导意义.