数字闭环光纤陀螺误差分析及其补偿技术

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光纤陀螺是一种新型角速度传感器，具有体积小、寿命长、成本低、可靠性高、抗辐射和动态范围广等一系列优点，在航空、航天、水上、水下、陆地、海底、太空等军用和民用领域有着广泛的应用。光纤陀螺是惯性导航中的重要元件，其精度直接决定了惯性导航系统的精度。随着各国对光纤陀螺技术的深入研究和光纤器件的不断更新，光纤陀螺的精度越来越高，已经在很多方面超过并替代了激光陀螺。本文对光纤陀螺工程研制中关键技术进行了深入研究，并以实验室现有光纤陀螺为基础做了相关实验。
　　论文首先介绍了光纤陀螺的基本原理—Sagnac效应。介绍了数字闭环光纤陀螺的基本组成；利用四态方波对光纤陀螺进行相位调制与解调的方法；推导了数字闭环光纤陀螺的传递函数和陀螺系统稳定的条件。分析了光纤陀螺中的主要误差源，并对如何消除这些误差做了理论分析。最后介绍了光纤陀螺的基本测量极限—光子散粒噪声。
　　其次，介绍了光纤陀螺的测试方法—Allan方差法估计光纤陀螺的误差系数。指出利用Allan方差法估计陀螺误差系数时，平均时间最大可达到数据持续时间的一半，浪费了较多的数据，而且当平均时间长时Allan方差的自由度（置信度）较低，估计误差大。为了提高长期频率稳定性，出现了＃1理论方差估计。＃1理论方差估计在平均时间长时具有较高的置信度，而且其平均时间可达到数据持续时间的四分之三，有效的提高了数据的利用率。当平均因子较小时Allan方差有较高的置信度，当平均时间较长时＃1理论方差有较高的置信度，因此本论文提出了用混合理论方差来对光纤陀螺的误差系数进估计。混合理论方差是在平均因子较小时采用Allan方差而当平均因子较大时采用＃1理论方差的无偏估计（理论 BR方差）的估计方法。对实验室现有光纤陀螺做了Allan方差估计和混合理论方差估计的仿真实验，结果表明在数据持续时间大于10％时，Allan方差出现了较强烈的波动，而混合理论方差在整个数据长度上都很平滑，能够更加有效的提高估计精度。
　　在使用了宽带和输出功率高的掺铒光纤光源的光纤陀螺中，其光源强度噪声远远超过散粒噪声，因此要想提高陀螺的检测灵敏度和信噪比必须要对光源强度噪声进行抑制。论文分析了目前已有的强度噪声抑制方法，指出这些方法需要增加光纤探测器并对噪声信号进行延迟或者增加光强外调制回路，体积大，成本高。对光源强度噪声进行分析，发现光的偏振度影响着强度噪声的大小，由此本文应用了降低探测光的偏振度来减小强度噪声的方法。分析了Lyot消偏器的结构和参数性能，提出利用Lyot消偏器来减小探测光的偏振度从而降低强度噪声的方法，并对此方法进行了仿真。
　　在对背向瑞利散射进行分析时，指出光纤陀螺采用本征频率方波调制时，理论上将不产生任何背向瑞利散射误差。本征频率还是光纤陀螺调制、解调、采样的重要参数，且一旦确定在使用的过程中就不能更改，因此需要在使用前对其进行精确的测量。现有的测量方法有两种—基于对称方波的测量方法和基于不对称方波的测量方法。基于对称方波调制的测量方法需要在探测器输出方波占空比为百分之五十时确定本征频率的值，本征频率的测量精度取决于探测器输出方波占空比的测量精度，且需要使用等间距连续采样多周期法来确定占空比。基于不对称方波调制的测量方法需要根据探测器输出干扰脉冲宽度差来确定陀螺的本征频率，当脉冲宽度差为零时通过极值搜索算法即可确定本征频率。这两种方法测量精度都取决于探测器输出信号的测量精度。论文提出了基于2倍本征频率和基于4倍本征频率的方波测量方法。这两种方法的基本原理都是利用本征频率偶数倍的方波对Y波导进行调制，当探测器输出为一条没有干扰脉冲的直线时即可计算出本征频率。利用本实验室现有的光纤陀螺对论文提出的这两种方法进行了验证，基于2倍本征频率测量方法的精度为0.05KHz，基于4倍本征频率测量方法的精度为0.025KHz。
　　光纤陀螺的半波电压是光电调制中的重要参数，其误差将会导致光纤陀螺存在非互易性相位差。高精度光纤陀螺一般采用第二闭环反馈回路对Y波导半波电压进行实时修正，而在低精度光纤陀螺中无第二闭环反馈回路对Y波导半波电压进行实时测量和反馈，因此需要更准确的测量Y波导半波电压的值。根据定义可知Y波导的半波电压与入射光的波长成正比，因此需要使用与光纤陀螺相同的光路进行测量。目前测量Y波导半波电压值的方法有很多种，但只有 Sagnac干涉仪法和开环搜索法的测量光路与光纤陀螺相同，不需要额外搭建测量光路，且精度比其它方法高。为了弥补 Sagnac干涉仪法和开环搜索法测量时间长的缺点，提出了一种新的测量方法—基于四态方波的测量方法。基于四态方波的测量方法采用反馈技术，是开环搜索法的改进，其速度是开环搜索法测量速度的八倍。利用实验室现有陀螺进行了原理性实验，基于四态方波的测量方法的测量精度为0.001V。
　　最后，对温度变化情况下某光纤陀螺输出数据进行了采样，并利用基于最小二乘的回归分析方法对陀螺温度漂移建模补偿。测量经过温度补偿后的陀螺输出和零偏漂移，得到利用软件建模补偿的方法可以有效的提高陀螺精度的结论。

著录项

作者
王曦;
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作者单位

哈尔滨工程大学;

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授予单位哈尔滨工程大学;
学科导航、制导与控制
授予学位博士
导师姓名高延滨;
年度 2014
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类导航设备、导航台;
关键词
光纤陀螺; 数字闭环; 误差分析; 补偿技术;

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1. 数字闭环光纤陀螺振动误差分析 [J] . 宋凝芳 ,张春熹 ,李立京 . 北京航空航天大学学报 . 2004,第008期
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7. 光纤陀螺的数字闭环控制技术及随机误差分析与抑制 [A] . 王勐 . 2012

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