光纤陀螺仪死区的原因分析及误差补偿

光纤陀螺的死区严重影响陀螺的性能和惯导系统的导航精度,有必要分析死区产生的原因并采取相应的补偿措施。通过改变前置放大器的放大倍数,发现不同倍数下的死区大小也有所不同,继而证实了导致死区的干扰的存在。此外还从理论上分析了死区的产生原因,结果表明电路中的串扰是产生死区的主要原因,从而提出了采用方波补偿来消除陀螺输出中的死区,并证实了方法的有效性。     

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。     

光纤陀螺反馈回路非线性的影响与对策

在设计闭环光纤陀螺的过程中发现,数模转换器D/A以及Y波导等器件的非线性容易导致陀螺出现死区及标度因数误差。为此,从理论上分析了光纤陀螺反馈回路的非线性误差对光纤陀螺性能的影响。通过分析可知,当Sagnac相移小于反馈回路积分非线性误差引起的相位差,并且反馈回路的差分非线性误差较大时,则容易引起阶梯波不能正常复位导致死区,也分析了反馈回路非线性误差对陀螺标度因数误差的影响,并进行了仿真及实验。为了防止反馈回路非线性误差引起的死区问题,提出了一种在反馈信号中叠加均值为零的方波信号方法,并通过后续信号处理中的平均过程消除了反馈回路非线性误差影响。     

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。     

光纤陀螺标度因数分段标定的工程实现

基于光纤陀螺标度因数存在非线性和不对称性,从工程实用角度出发,介绍了光纤陀螺速率标定方法,给出了光纤陀螺标度因数分段标定的工程实现方案,阐述了速率标定测试数据最优分段原则,找出了使分段标定后不连续光纤陀螺模型变成连续模型的解决措施.多个光纤陀螺速率标定的研究结果显示:分段标定能较大程度上减小光纤陀螺标度因数非线性度;利用实测数据进行离线导航计算的结果表明:对光纤陀螺标度因数分段标定能减小标度因数误差对导航精度的影响,文中分段标定方法切实可行.     

消除消偏光纤陀螺克尔效应的一种方法

研究了非线性克尔效应对光纤陀螺噪声的贡献,得到了可以通过采用宽谱光源和调制光路中的光功率来减小甚至消除克尔效应引起的非互易相位差的结果。采用调制光功率的方法消除克尔效应。为了避免因调制光功率降低探测器信噪比,通过分析探测器的噪声原理得到了保证足够信噪比的最小功率输入。设计了光纤放大器光源来实现这种光功率的调制。分别分析了泵浦光功率和泵浦方式对光源的影响,进一步协调了光纤放大器光源的输出功率和放大增益,首次证明了光纤放大器光源的优越性。在实验中,采用了光纤放大器光源的光纤陀螺的随机游走系数被减小到了原来的0.8。     

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。     

双惯导联合旋转调制光纤陀螺标度因数误差自校正方法

旋转调制光纤陀螺航海惯导系统中,光纤陀螺标度因数误差会与地球自转角速度耦合产生等效的天向和北向陀螺漂移误差,也会与船体摇摆角速度以及惯性测量单元旋转调制角速度耦合产生短时动态误差,限制了长航时航海惯性导航精度。通过使用两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统进行联合旋转调制,提出一种光纤陀螺标度因数误差在线估计与自校正方法。根据两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统的水平旋转轴空间夹角关系建立观测方程,实现在线估计滤波。半实物仿真结果表明,自主导航过程中光纤陀螺标度因数误差在线估计精度优于1 ppm,利用输出校正方式在线补偿光纤陀螺标度因数误差导致的惯导定位误差,有效抑制了两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统定位误差的增长。实际转台模拟实验中,两套三轴旋转调制光纤陀螺惯导系统300 h纯惯性导航整体定位最大误差分别减小25%和40%。算法采用地心地固坐标系,因此也适用于极区导航情况。     

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。     

基于多芯光纤复用技术的光纤陀螺方案

针对目前高精度光纤陀螺小型化的需求，于国内首次提出基于多芯光纤的纤陀螺光纤环复用光纤陀螺方案。通过特殊的耦合方式，使光在多芯光纤中的往返传输，可增加光纤环的有效长度，从而在不增加光纤环尺寸的情况下提高光纤陀螺的测量精度。首先设计了光路方案，对光耦合方式及偏振噪声抑制进行了分析。然后，以六芯光纤为例，提出了一种用于0.001°/h级别光纤陀螺的实用光路方案，经理论推导可知，相同尺寸下，基于多芯光纤复用的陀螺较普通光纤陀螺，理论精度可提升6倍，所以光纤陀螺中使用多芯光纤环可以实现高精度光纤陀螺的小型化。     

动态环境下光纤陀螺误差辨识与补偿技术

为了提高光纤陀螺在高动态环境下的测量精度,需要精确地辨识角加速度信息以便有效地补偿。针对直接对陀螺的角速度信息微分处理后得到角加速度的方法误差较大的问题,提出了将微分后的角加速度信息分为线性和非线性两个部分,其中线性部分采用Savitzky-golay最小二乘拟合,而非线性部分则采用RBF神经网络技术进行拟合。上述处理方法能更真实地反映实际物理过程,具有较强的自适应性和较好的拟合效果。通过试验验证,证明了该方法的有效性和准确性,提高了角加速度辨识精度,比直接微分的方法测量精度提高二个数量级,有效地补偿了陀螺仪在高动态环境下的测量精度。     

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。     

基于前向线性预测算法的光纤陀螺零漂的神经网络建模

在详细分析光纤陀螺零漂的基础上,提出了先用滤波算法对光纤陀螺信号进行预处理,然后采用RBF神经网络对滤波后的信号进行建模的方法。针对光纤陀螺信号特点分别采用FLP算法、小波滤波算法、解相关变步长LMS自适应滤波算法对其进行了预处理,比较三种滤波方法,小波滤波算法效果优于其它两种预处理方法,但针对基于预处理后的陀螺信号采用RBF神经网络进行建模时,小波滤波预处理后的信号在建模精度上却是最差的,而对FLP算法滤波后的信号进行RBF建模,建模精度提高了两个数量级。结果表明:基于FLP算法的RBF神经网络在光纤陀螺中的建模是有效的,可大大提高建模的精度。     

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。     

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。     

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。     

利用人工鱼群算法对光纤陀螺随机漂移建模

利用历史数据,对光纤陀螺随机漂移进行准确建模,对提高光纤捷联惯导系统的精度具有十分重要的意义。文中详细介绍了人工鱼群算法(Artificial Fish Swarm Algorithm,AFSA)和改进人工鱼群算法(Improved Artificial Fish Swarm Algorithm,IAFSA),给出了AFSA对随机信号建模的详细步骤和方法,分别应用传统的时间序列分析方法、人工鱼群算法、改进人工鱼群算法对光纤陀螺的随机漂移进行了建模。建模结果表明,AFSA对光纤陀螺随机漂移建模准确,比传统时间序列分析建模精度提高1.5%,IAFSA建模精度比AFSA建模精度更高,其收敛速度也更快。无论是从建模复杂度上,还是在建模精度上,AFSA和IAFSA均优于传统的时间序列分析方法,IAFSA是一种收敛速度更快、建模精度更高的光纤陀螺随机信号建模方法。     

干涉型光纤陀螺仪零漂建模方法

光纤陀螺仪零漂是衡量光纤陀螺仪精度的重要指标。文中对某光纤陀螺仪的零偏数据进行分析和预处理,采用时间序列分析法建立了AR（2）模型,同时基于BP神经网络建立了预测模型。建模结果分析表明：AR建模方法简单易行,但适用性不如BP网络模型,BP网络模型建模精度高,但算法复杂且收敛速度慢,容易陷入局部极小,因此采用了改进训练方法,改善了BP网络性能。     

基于拉格朗日插值的光纤陀螺时延补偿方法

针对光纤陀螺存在时延环节而影响了光纤惯组的导航位置精度的问题,从陀螺仪原理出发,分析光纤陀螺仪时延产生的机理以及不同方向陀螺仪时延特性与导航位置精度之间的关系。在此基础上,提出了基于拉格朗日插值的时延补偿方法,通过拉格朗日插值运算得到当前时刻的对准信息,从而实现了三个方向的陀螺仪输出的时间配准。通过仿真和多自由度导航试验验证,证明了该方法的正确性和有效性,该方法易于实现,通过补偿导航位置精度提高了21%。