边志强[1]2008年在《光纤陀螺信号处理线路FPGA实现》文中研究说明陀螺是重要的惯性传感器,是导航和制导系统的基础部件。基于Sagnac效应的光学陀螺有许多其他陀螺无法取代的独特优点,它全部由固态器件组成,相对于传统的机械陀螺来说,可以承受更大的振动和冲击,具有寿命长、动态范围宽、功耗低、质量轻等优点。本文首先对光纤陀螺工作原理作简要介绍,然后讨论了光纤陀螺相位调制原理、方波调制方案,接着详细分析了闭环光纤陀螺的阶梯波调制原理。并对开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺进行了比较,证明了闭环光纤陀螺系统的优越性。然后,对光纤陀螺系统进行了对象建模和闭环回路控制器设计,并进行了相应的仿真,由仿真曲线能够看出所设计的控制器参数满足了系统的需要。为消除温度变化引起的参数摄动而产生系统误差,在阶梯波调制方式中引入了第二闭环回路的方案。设计了光纤陀螺闭环检测方案,包括前端干涉信号检测转换器、驱动反馈转换器的设计,以及数字阶梯波反馈的设计。最后,光纤陀螺全部数字信号处理功能由FPGA独立完成,其中详细介绍了光纤陀螺闭环数字系统的设计,包括:系统时钟模块、数字解调模块、调制信号发生器模块、2π复位模块和串行通信模块等。还分析了光纤陀螺信号处理中的滤波问题,为后续工作打下了基础。
于善晗[2]2011年在《闭环光纤陀螺信号处理系统研究》文中进行了进一步梳理光纤陀螺是基于萨格奈克效应而发展起来的一种新型角速率传感器。由于其具有动态范围大、灵敏度高、可靠性高、寿命长、易集成等优点,自诞生以来就受到了世界各国的重视,发展至今,已在军事和民用领域获得了广泛的应用,具有很广阔的发展前景。目前,光纤陀螺已成为惯性器件领域的研究热点。本文首先详细介绍了光纤陀螺的国内外发展动态及现阶段应用情况,系统地阐述了光纤陀螺的原理和基本组成,深入分析了影响光纤陀螺性能的主要因素。为下一步开展光纤陀螺的研究奠定了理论基础。然后,通过对相位检测和相位调制技术的研究,确定了全数字处理技术的闭环陀螺检测方案。采用数字解调技术进行信号检测,采用数字相位阶梯波和方波偏置进行反馈控制,采用数字滤波方案降低噪声。详细分析了影响光纤陀螺性能的各种噪声,并提出初步解决方法。在此基础上,对常规LMS自适应滤波算法进行了改进,提出了变步长LMS自适应算法。实验表明变步长LMS算法收敛速度更快,稳定性和实时性都具有优越性,滤波精度有所提高,且更易于工程实现。最后,详细描述了数字闭环光纤陀螺信号处理系统模拟部分和数字部分的设计实现。模拟电路部分详细介绍了各个部分的设计思想,包括：前置放大电路、A/D转换电路、信号处理电路和D/A转换电路的设计。数字电路部分,采用FPGA独立完成全部数字信号处理功能,除详细介绍数字系统的整体设计思想外,还具体介绍了各个单元的实现,包括：时序控制、输出滤波、数字解调、调制信号发生、串行通信等部分。并且,进行了系统测试和分析。
李绪友, 赵玉新, 郝燕玲[3]2001年在《数字闭环光纤陀螺信号处理方法研究》文中进行了进一步梳理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。
韩军良[4]2008年在《光纤陀螺的误差分析、建模及滤波研究》文中指出光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度传感器,作为一种新型惯性测量元件,研究与开发光纤陀螺具有重要的理论意义和实际应用价值。本文对光纤陀螺的随机误差分析、建模与仿真、光纤陀螺信号的滤波等关键问题进行了研究,通过采用一些新的研究手段,引入一些新的理论分析方法,寻求这些问题新的解决方法。为解决Allan方差在长相关时间上存在估计误差较大的问题,根据光纤陀螺随机误差源的频率特性,提出了采用总方差来代替Allan方差对光纤陀螺的随机误差特性进行分析的新方法。分析了光纤陀螺随机误差特性的的总方差特征,对Allan方差和总方差方法进行了比较仿真研究。结果表明,在长相关时间上,总方差的值和实际的幂律谱噪声的行为特征是一致的,在平均因子较大的情况下,总方差能够有效地提高方差估计的置信度,估计精度优于Allan方差分析方法。在光纤陀螺随机误差分析方面,文中进一步提出了一种基于#1理论方差(Theo1 )的光纤陀螺随机误差特性分析方法。在长相关时间的方差估计上,#1理论方差具有两个显着的优点:(1)在方差算子计算的平均时间上,#1理论方差估计的平均时间比Allan方差长50%;(2)相对于Allan方差等其他方差估计算子,#1理论方差具有更高的估计置信度。采用#1理论方差分析的方法,能够从时域上更准确地辨识出影响光纤陀螺性能的主要随机误差源的类型并估计出相应的误差系数。在光纤陀螺的研究和应用中,对光纤陀螺进行建模与仿真研究具有重要意义。本文根据光纤陀螺的物理模型建立了数字闭环光纤陀螺的动态模型和随机模型。通过合理的近似,非线性动态模型简化为线性离散模型。设计了闭环数字控制算法,对光纤陀螺的动态响应进行了仿真实验。在随机建模中与仿真中,文中引入了小波分析方法,采用Shannon小波变换和反白化滤波方法,建立了1/f噪声的小波模型。运用不同的随机过程来模拟各种随机噪声,采用1/f噪声来模拟偏置不稳定性,用白噪声一次离散积分的方法来模拟速率随机游走噪声,用一阶马尔可夫过程或指数相关随机序列来模拟指数相关噪声。进行了随机仿真实验,并用#1标准差分析的方法对随机模型和仿真结果的有效性进行了验证。结果表明,光纤陀螺的随机漂移可以通过仿真的方法来模拟。文中提供了一个模拟光纤陀螺随机漂移的方法,为光纤陀螺误差分析、性能评估、滤波器设计等方面提供了一个参考途径。光纤陀螺的输出信号是弱相关和非平稳的,信号中包含的随机噪声具有分形特性,采用传统的滤波方法无法有效地去除随机噪声。文中引入了小波滤波方法,在小波变换的Mallat金字塔算法的基础上,推导出了正交小波变换的等效FIR滤波算法,在此基础上,提出了光纤陀螺输出信号的实时小波滤波方法。为了实时消除光纤陀螺的随机噪声,提高光纤陀螺的性能,文中给出了基于FPGA和DSP的数字闭环光纤陀螺信号处理和实时滤波的实现方案。在模拟电路设计中,为了抑制A/D采样前调制方波的尖峰效应,增加了基于开关电路的时域梳状模拟滤波器的电路实现方案。根据小波变换的特点,提出了把小波实时滤波融合于多抽样率转换中的信号处理方案,给出了多级抽取滤波器的设计方案以及在FPGA和DSP中的实现方案。
阮晔锋[5]2011年在《干涉式光纤陀螺信号处理电路的设计与实现》文中研究指明光纤陀螺(FOG)是基于Sagnac效应的用于检测相对惯性空间旋转角速度的一种光纤传感器。光纤陀螺按其工作原理又可以分为干涉式光纤陀螺(IFOG)、谐振式光纤陀螺(RFOG)和受激布里渊散射式光纤陀螺(BFOG)叁种。其中干涉式光纤陀螺的相关理论研究已经比较成熟,在工程上得到了广泛的应用,而谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射式光纤陀螺目前尚处在进一步研究阶段。干涉式光纤陀螺根据检测方法的不同又可以分为开环检测和闭环检测两种。本文提出、设计并实现了一种基于线性可变差动变压器芯片(LVDT)的新型模拟开环检测电路。该电路利用LVDT芯片产生30KHz的正弦波作为陀螺的调制信号,经过正弦波调制的陀螺输出信号含有调制信号的基频项和倍频项,分别含正比于Sagnac相移的正弦值和余弦值。我们利用两个带通滤波器分别将基频项和倍频项提取出来送入LVDT信号处理电路。倍频项直接在LVDT芯片内部进行解调,基频项则通过对调制信号进行移相来进行解调。最后通过LVDT芯片内部的低通滤波器和除法器我们可以得到Sagnac相移的正切值,在输入角速度比较小的情况下,输出电压与输入角速度近似成线性关系。实验结果表明：该信号的光纤陀螺标度因数为0.2769V/°/s,零偏为-49.6°/h,输出零偏结果的一个标准差为6.6489°/h。数字闭环检测电路采用方波调制,阶梯波反馈的方案。首先通过实验测试光纤陀螺的渡越时间τ,FPGA产生方波调制信号的周期即为2τ。对陀螺的输出信号进行高速采样送入FPGA进行信号处理,将相邻两个τ内的信号相减作为误差控制信号。将得到的误差信号通过积分反馈控制环节形成阶梯波信号,其刚好抵消陀螺由于旋转引起的Sagnac相移。方波调制信号和反馈信号阶梯波迭加后均加到相位调制器铌酸锂(LiNbO3)。同时,为了消除电路参数随温度的漂移、铌酸锂半波电压变化带来的2π复位电压不精确,引入了第二闭环控制电路来调节2π复位电压。最终的输出结果由FPGA设计的UART实现与上位机的通信。测试结果表明：数字闭环采用的光纤陀螺的标度因数稳定性为163ppm,零偏为-4.552°/h,零偏不稳定性为0.03°/h,随机游走系数为0.00892°/(?)h。
潘舒明[6]2013年在《Sagnac光纤干涉仪的数字式闭环技术研究》文中研究说明Sagnac光纤干涉仪,亦称之为干涉式光纤陀螺(IFOG),是一种基于Sagnac效应,用来测量旋转角速度的设备。其中数字闭环检测方案的光纤陀螺以其动态范围广、精度高等优点,在工业界有着广泛的应用。本文对数字闭环检测方案的光纤陀螺技术作了研究。首先,分析了光路结构、器件、噪声及其误差机理。其次,针对闭环检测方案作系统分析,得出稳态角速度误差为零和角度误差为零的条件。设计了第二闭环以提高系统线性度稳定性并对其作分析。第叁,分析了信号处理电路板的各个组成部分。然后,提出了可以提高光纤陀螺性能的几种主要技术,分别是提出了新的光路结构可以倍增系统灵敏度,消除了死区,扩展了最大量程。最后,对研制的两种数字闭环式光纤陀螺样机作性能测试。实验结果如下。在常温条件下,光纤陀螺的标度因数稳定性为6.38ppm,零偏为-7.72°/h(含地球自转在杭州的投影量-7.56°/h),零偏不稳定性为0.01°/h,随机游走系数为0.002°/√h。在-40℃～60℃的全温范围内,恒温条件下测试,零偏重复性约为1°/h,零偏不稳定性为0.01°/h,随机游走系数为0.005°/√h。在以1℃/minn的变温条件下,光纤陀螺性能较差,数字板及光纤线圈都会对输出零偏有较大的影响。双倍灵敏度光纤陀螺样机仅在常温下作测试,其标度因数稳定性为60.2ppm(分立器件对性能的影响较大),零偏为-7.45°/h(含地球自转投影量-7.56°/h),而零偏不稳定性达到0.006°/h,随机游走系数为0.002°/√h,对性能有较大提高。
范磊[7]2004年在《全数字闭环光纤陀螺信号处理系统》文中进行了进一步梳理全数字闭环光纤陀螺具有线性的标度因子、相位检测精度高、动态范围大等优点。全数字的闭环方法允许用不完美的元件创造出性能优越的光纤陀螺。从性能、实现简易性等方面来看,全数字闭环方案是干涉式光纤陀螺的一种理想检测技术。 本论文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,通过理论分析确定实现全数字闭环方案所需的电路系统。提出一种基于高速数字信号处理专用DSP芯片的数字化闭环光纤陀螺系统方案。设计出用于闭环光纤陀螺检测方案的信号检测与处理电路。硬件上包括以下几个部分:(1)中央处理单元;(2)调制信号源;(3)光电信号的放大与采样;(4)信号输出。给出每个部分之间的时序逻辑关系和闭环工作的程序流程,在软件方面研制出运行于DSP中的高效、实时的控制和处理程序。 实际的调试结果表明,AD、DA能精确的同步工作,既保证了调制波的高稳定又实现了最佳点采样。该信号检测与处理电路以及相应的软件能够用于实现全数字闭环方案。 最后,将电路与光路连接起来整体调试,给出了两个重要参数(光纤渡越时间τ和波导调制器半波电压)的测定方法。对实验中发现的一些问题进行分析,提出相应的解决办法。
刘志军[8]2015年在《光纤陀螺仪信号处理与温度补偿的研究》文中研究指明光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型全固态惯性测量传感器，因其结构紧凑、精确度高、抗干扰能力强、启动时间短、寿命长等优势，使得光纤陀螺拥有十分广阔的发展前景；本文结合前人对光纤陀螺的研究经验，设计了以FPGA为核心的数字双闭环干涉式光纤陀螺系统，并在光纤陀螺数字信号处理、硬件平台开发、软件系统设计实现以及离线温度补偿方法上做了较为深入的研究；具体开展的研究工作如下：首先，本文概述了光纤陀螺的发展历程、研究现状以及技术特点；以干涉式光纤陀螺为研究对象，在介绍了光纤陀螺的基本原理-Sagnac效应基础上，着重分析了干涉式光纤陀螺的信号检测方案，并针对由Y波导集成光学器件随温度变化而产生调制增益误差的问题，设计了数字双闭环信号检测控制方案。其次，本文通过深入研究分析对比了方波偏置调制方案与双方波调制方案的优缺点，最终选择了对交叉干扰抑制效果更好的双方波调制解调方案；然后根据光纤陀螺输出干涉信号的特点与信号检测系统设计的要求，完成主要元器件的选型、硬件电路的设计以及PCB板的绘制焊接，进而利用Verilog HDL硬件描述语言完成软件系统的设计，并对系统软、硬件进行组合测试。最后，本文阐述了粒子群与混沌粒子群算法的基本原理，通过Matlab仿真对比分析了混沌粒子群算法较普通粒子群算法的性能优势，进而给出了基于混沌粒子群优化的BP神经网络的训练方法，并采用混沌粒子群优化的BP神经网络算法对光纤陀螺进行离线温度补偿，补偿结果表明该方法能够较为快速准确的拟合陀螺零偏与标度因数随温度变化的规律，降低了零偏与标度因数温度误差产生的角速度输出误差。
李建[9]2002年在《全数字闭环干涉式光纤陀螺信号处理的研究》文中提出干涉式光纤陀螺(IFOG)具有许多独特的优点，由此引起了世界众多研究机构的重视，我国已将光纤陀螺列为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。为了应用于高精度领域，必须提高光纤陀螺标度因数的线性度和稳定性。光电器件性能的提高和数字信号处理技术的发展为高精度光纤陀螺的研制提供了物质基础和技术支持。 论文详细介绍了干涉式光纤陀螺的基本原理，以光纤陀螺的标度因数为出发点，对光纤陀螺的信号检测方案进行了分析，得出了全数字闭环方案优于其它方案，适用于高精度要求的光纤陀螺。 针对高精度光纤陀螺的要求，提出了采用全数字处理技术的闭环陀螺检测方案，采用数字解调进行信号检测，采用方波偏置和数字相位阶梯波进行反馈控制，采用数字滤波、数值滤波方案降低噪声和消除A/D、D/A转换死区误差，从理论上进行了推导和证明。 同时，分析了IFOG中产生非互易相移的因素，指出了相应的误差消除方法，分析了数字解调对噪声的抑制能力，分析了数字相位阶梯波峰峰值的漂移对标度因子的影响，特别是由于角加速度影响的存在，在光源功率发生波动时，对光纤陀螺输出信号的影响提出了自己的见解，并进行了理论推导和仿真。这对于研制实用化的高精度光纤陀螺具有重要意义。
王维[10]2007年在《光纤陀螺噪声分析与数字闭环控制系统设计》文中研究说明光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型角速度传感器，与传统的机械陀螺相比，具有动态范围宽、成本低、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，在航空、航天及舰船的控制及导航系统中有着广泛的应用。本文对高精度的干涉型光纤陀螺中的各种噪声及信号检测技术进行了深入研究，在光路噪声抑制、信号检测方面提出了新的方法，并通过实验进行了验证，得到了良好的实验结果。具体研究内容如下：在高精度干涉型光纤陀螺中，各种噪声对光纤陀螺性能有很大的影响，并成为限制光纤陀螺精度提高的重要因素。因此，本文在对光纤陀螺的基本原理、调制及信号检测方法进行了深入研究的基础上，首先对光纤陀螺中由光学器件工艺本身及外界影响产生的各种噪声进行了认真分析，为光纤陀螺噪声的抑制和消除以及信号检测精度的提高奠定了一定的理论基础。其次，完成了高精度光纤陀螺数字闭环控制方案的具体实现，并针对由核心器件Y波导温度不稳定性所引起的闭环调制增益漂移问题，设计了基于第二闭环的、能对由这种不稳定性带来的误差进行跟踪补偿的两种方案。通过比较分析选定了基于四状态调制方法的双闭环控制方案作为最终的实验方案，该方案具有信号解调简单，误差检测实时性好的特点，能够更有效的提高光纤陀螺的标度稳定性和精度。最后，根据光纤陀螺输出干涉信号的特点以及微弱信号检测系统的设计要求，选择合适的元器件构建了光纤陀螺数字闭环信号处理硬件电路，并利用VHDL语言完成了软件设计，进而在FPGA中的实现了基于四状态调制方法的光纤陀螺双闭环控制系统设计。然后对软、硬件进行了组合调试，并给出了系统的测试结果。
参考文献：
[1]. 光纤陀螺信号处理线路FPGA实现[D]. 边志强. 哈尔滨工业大学. 2008
[2]. 闭环光纤陀螺信号处理系统研究[D]. 于善晗. 哈尔滨工程大学. 2011
[3]. 数字闭环光纤陀螺信号处理方法研究[J]. 李绪友, 赵玉新, 郝燕玲. 中国惯性技术学报. 2001
[4]. 光纤陀螺的误差分析、建模及滤波研究[D]. 韩军良. 哈尔滨工业大学. 2008
[5]. 干涉式光纤陀螺信号处理电路的设计与实现[D]. 阮晔锋. 浙江大学. 2011
[6]. Sagnac光纤干涉仪的数字式闭环技术研究[D]. 潘舒明. 浙江大学. 2013
[7]. 全数字闭环光纤陀螺信号处理系统[D]. 范磊. 国防科学技术大学. 2004
[8]. 光纤陀螺仪信号处理与温度补偿的研究[D]. 刘志军. 北京理工大学. 2015
[9]. 全数字闭环干涉式光纤陀螺信号处理的研究[D]. 李建. 哈尔滨工程大学. 2002
[10]. 光纤陀螺噪声分析与数字闭环控制系统设计[D]. 王维. 哈尔滨工程大学. 2007
标签：航空航天科学与工程论文; 光纤陀螺论文; 方差分析论文; 闭环论文; 调制信号论文; 闭环控制论文; 仿真软件论文; 陀螺效应论文; 数字滤波论文; 信号处理论文; 数字调制论文; 方差论文;