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。     

数字闭环光纤陀螺死区机理分析

结合工程实际，对基于集成光学多功能芯片的数字闭环光纤陀螺中的死区机理进行理论分析，并进行了实验验证。相位调制器的模拟驱动电压信号在数字反馈阶梯波复位作用下能产生不同的工作模式，探测器的输出微弱信号因此受到幅值和相位均不同的电子串扰。以方波调制和四态波调制为例，研究了光纤陀螺中电子串扰的作用方式、电子串扰的转换方式和形成死区的过程等问题。在上述基础上，根据需要设计了专门的可编程的光纤陀螺高速数据采集电路，对死区机理进行了研究试验。最后还从优化陀螺电路印制板设计和优化信号调制解调算法等方面进行阐述，以解决数字闭环光纤陀螺死区问题。     

闭环光纤陀螺中铌酸锂相位调制器的附加强度调制及其影响

铌酸锂相位调制器是锯齿波调制闭环光纤陀螺的关键器件。本文就钛内扩散铌酸鲤相位调制器及其锯齿波驱动电路不理想而导致的边带抑制进行了理论分析和仿真研究。重点讨论了附加强度调制对边带抑制影响的特点，提出了减小这类误差应采取的技术措施。这为提高闭环光纤陀螺标度因数的线性度提供了理论依据。     

闭环光纤陀螺的输出误差特性研究

针对工程实际的需要，通过对闭环光纤陀螺模型参数的对比研究，分析了闭环光纤陀螺零偏稳定性的变化，并利用Allan方差具体分析了闭环光纤陀螺的输出误差特性中的角随机游走、零偏不稳定性、速率漂移斜波等的变化，从中找出规律性的关系。     

电光调制器在光纤陀螺中的应用研究

本文分析了集成光学电光调制器的应用特性；并以方波相位偏置调制为例，研究了光纤陀螺中的相位调制误差；提出一种在光纤陀螺开环调试中测定光纤环传输时间和调制器半波电压的实用方法。     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

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。     

数字闭环光纤陀螺信号处理方法研究

着重对全数字闭环光纤陀螺的信号处理方法进行了详细分析。研究了A／D和D／A转换器对光纤陀螺测试精度的影响,证明了通过数字滤波的方法提高光纤陀螺测试精度的可行性。     

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。     

基于FPGA的数字闭环光纤陀螺研究

着重对全数字闭环光纤陀螺的信号处理方法进行了详细的分析，指出了闭环控制系数A和K对闭环控制的影响，同时研究了基于FPGA的数字闭环控制系统实现方法以及利用VHDL语言进行FPGA软件设计的优点，并给出了基于FPGA设计的光纤陀螺的实验结果。     

有源再入式光纤陀螺的闭环实现

在实际应用中,陀螺动态范围一般要求在±100rad/s量级。为了达到如此大的动态范围,商用I-FOG普遍采用闭环工作方式。尽管RAI-FOG的精度比I-FOG高,可是动态范围小,因此需要闭环工作以实现大的动态范围。然而,由于RAI-FOG中有源再入式光纤萨格奈特环的光波循环再入干涉累加的过程远比I-FOG的普通光纤萨格奈特环中简单的双向光波干涉过程复杂,迄今为止,如何实现RAI-FOG的闭环工作仍是尚待解决的关键问题。本文研究了RAI-FOG的闭环原理和论证了利用方波调制阶梯波反馈方案实现有源再入式光纤陀螺闭环工作的可行性。设计、制作并调试成功了实现闭环有源再入式光纤陀螺的数字电路,建立了光纤环长为200m的闭环有源再入式光纤陀螺的实验系统。并利用闭环有源再入式光纤陀螺实验系统实现了0.67°/h的传感精度,比相同实验条件下的闭环干涉式光纤陀螺的精度提升了3倍。     

基于空间应用环境的光纤陀螺可靠性分析

根据光纤陀螺应用于空间应具有长寿命高可靠性的要求,对空间应用环境进行了分析,结合空间应用的环境,采用故障树分析的方法对数字闭环干涉式光纤陀螺进行了可靠性分析.根据可靠性分析的结果,找出了光纤陀螺的薄弱环节,并对重要且出现故障概率大的器件如光源和光纤环的故障机理进行了分析,提出了改进设计措施,并已应用在光纤陀螺产品的设计中.     

光纤陀螺加速退化试验的可行性

以可靠性试验技术为基础,对加速退化试验方法在光纤陀螺产品中实施的可行性进行了探索研究。对光纤陀螺所用器件在长期使用条件下性能变化及其对陀螺整机性能的影响进行了分析,阐述了光纤陀螺性能退化存在的可能性,并通过光纤陀螺长期使用实验数据进行验证,得出了光纤陀螺具有性能退化特性的结论。采用可靠性摸底试验方法对光纤陀螺性能退化在温度环境应力下的可加速性进行了探索,通过温度加速应力下光纤陀螺实际工作性能数据分析得出其性能退化具有加速性,对光纤陀螺实施加速退化试验可行。     

宽带光源光谱不对称性对光纤陀螺性能的影响

光谱不对称性是宽带光源的非理想特性之一,这种特性对标度因数的影响在中高精度光纤陀螺中会逐渐显现出来。为了分析光谱不对称性及其对光纤陀螺的影响,结合光纤陀螺所用宽带光源的典型光谱参数,对宽带光源的光谱不对称性进行了理论计算,分析了传统量化光谱不对称性方法存在的问题和局限性,并在此基础上提出了一种更加准确合理的光谱不对称性的量化指标。研究表明,光谱不对称性会产生相对相位误差,并在调制通道中产生视在增益误差,导致陀螺第二反馈回路"错误"调整调制通道的增益,引起光纤陀螺标度因数的非线性误差。对于类矩形光谱当不对称度小于10~(-2)时,视在增益误差引起的标度因数非线性误差会达到25′10~(-6)。因此在进行光源设计时需要将光谱不对称性作为一个定量考虑的指标。     

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。     

基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法

传统光纤陀螺温度误差采用单一模型进行建模与补偿,存在模型适配性较差的问题。考虑到光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异,为提高光纤陀螺温度误差补偿精度,提出了基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法。设计了-15⁵0℃区间内温度实验,在大量实测数据分析基础上,将陀螺温度特性按照低、中、高三个温度区间,分别建立三种不同阶次的温度误差模型。采用分段拟合的方法进行误差建模,并利用所建模型对光纤陀螺进行了温度误差补偿。实测数据表明,提出方法能够有效改善光纤陀螺的温度漂移,补偿后漂移标准差减少66.67%。     

基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法

在光纤陀螺稳定控制平台应用领域中,光纤陀螺相位滞后及瞬态噪声严重制约着随动控制系统的控制品质。为了提高基于光纤陀螺随动系统的控制效果,研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法。首先,分析了由于死区补偿带来的光纤陀螺瞬态噪声,在此基础上研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法,并对该方法进行了理论分析。根据稳定控制平台对相位滞后和瞬态噪声的设定要求,通过一只数字闭环光纤陀螺进行了测试验证,测试结果满足系统对相位滞后和瞬态噪声的指标要求,瞬态噪声峰峰值为0.36(°)/s,并不随增益的变化而变化,验证了增益自补偿方法的有效性。     

小型化光纤陀螺的轴向磁场误差特性建模方法探讨

小型化光纤陀螺的主要特点是光纤环径向尺寸逐步缩小,而轴向尺寸逐步增大,由此导致轴向磁场误差成为影响小型化光纤陀螺精度的重要因素之一。以小型化光纤陀螺轴向磁场误差特性为研究对象,依据光纤环中光纤的四极对称排列结构,提出轴向螺旋角展开分析法,利用Jones矩阵分别构建保偏型光纤陀螺及消偏型光纤陀螺的传输矩阵及轴向磁场误差模型,探讨光纤扭曲应力寄生圆双折射、轴向尺寸等因素与非互易性Faraday磁场相位误差的关系,得出光纤陀螺轴向磁场漂移误差的数学描述,以此为理论依据,探讨小型化光纤陀螺的轴向磁场误差因素,并提出相应的措施。     

保偏光子晶体光纤的近圆形模场分布特性

在光纤陀螺中,由于保偏光纤的性能易受环境的影响,制约了光纤陀螺稳定性和精度的进一步提高。保偏光子晶体光纤的研究为光纤陀螺解决环境适应性问题提供了新思路,针对保偏光子晶体光纤与传统光纤的模场匹配问题,采用有限元方法,对保偏光子晶体光纤的保偏性能和模场分布特性进行了分析与研究。通过分析不同空气孔尺寸对保偏光子晶体光纤性能的影响,得到其保偏性能与模场分布特性存在相互制约性。提出了一种改善保偏光子晶体光纤模场分布的方法,并通过仿真分析验证了这一方法的可行性,这为光纤陀螺用光子晶体光纤的发展提供了借鉴。