干涉型光纤陀螺仪关键技术研究
|
摘要
光纤陀螺仪自诞生以来以其结构简单、性能稳定、动态范围宽、反应速度快、可靠性高，以及成本低，体积小，重量轻等优点获得了广泛的应用，尤其在捷联惯导系统中应用日益广泛。但由于各种噪声如光源噪声、本征噪声和系统噪声的影响，使陀螺稳定性降低。降低噪声的影响成为提高陀螺稳定性的关键。论文在详细分析各种噪声的基础上围绕提高陀螺稳定性和精度做了以下工作：
在深入分析陀螺物理特性的基础上，通过试验确定了陀螺系统的传递函数，通过分析将传递函数离散化并应用于自适应滤波，主要是滤除随机噪声。
光源波长的变化将导致光纤环的非互易相移产生漂移，即影响光纤陀螺标度因数的稳定性，而温度是影响光源波长的主要因素。因此设计了温控电路和光控电路来提高光源的稳定性，以滤除光源噪声。
光纤环是陀螺的重要组成部分，由于温度梯度和应力梯度的存在，会增加光纤环路中的光路噪声，对传输于环中的光波相位产生影响，降低光纤陀螺稳定性。经过理论分析采用四极对称绕法，进行了大量的尝试，最后证明这种方法切实可行。这种方法主要是滤除非互易噪声。
Since the birth, the FOG has been put into application in many ways, especially in Strapdown Inertial Navigation System, for its many advantages such as simple structure, stability, quick-reaction, higher reliability, low cost, small volume and low weight. With many noises such as the noise of light-source and system and some inherent noise, the stability of the FOG is not good. In order to improve the stability, the following has been done:After analyzing the physical characteristic of the gyro, and with many experiments, the transfer function of the system is set up. In the following the discrete function is applied to adaptive filtering. With that the random noise is filtered out.The change of the wavelength may lead to the drift of the non-exchange phase drift, so influence the stability of the scale factor, also it is known the temperature is the key factor that affect the wavelength of the light-source. In order to eliminate the noise of the source and boost the stability, the temperature control circuit and the power control circuit are designed.The fiber ring is one of the important part of the FOG, and it has great effect on the stability of the FOG. Owing to the exist of the temperature grads and stress grads, the noise in the light circuit is increased and so the wave phase of the fiber ring is affected, and this reduce the stability. After analysis the QAD method is used, and the method proved to be effective after many tests. With that the non-exchange noise is filtered out.
在深入分析陀螺物理特性的基础上，通过试验确定了陀螺系统的传递函数，通过分析将传递函数离散化并应用于自适应滤波，主要是滤除随机噪声。
光源波长的变化将导致光纤环的非互易相移产生漂移，即影响光纤陀螺标度因数的稳定性，而温度是影响光源波长的主要因素。因此设计了温控电路和光控电路来提高光源的稳定性，以滤除光源噪声。
光纤环是陀螺的重要组成部分，由于温度梯度和应力梯度的存在，会增加光纤环路中的光路噪声，对传输于环中的光波相位产生影响，降低光纤陀螺稳定性。经过理论分析采用四极对称绕法，进行了大量的尝试，最后证明这种方法切实可行。这种方法主要是滤除非互易噪声。
Since the birth, the FOG has been put into application in many ways, especially in Strapdown Inertial Navigation System, for its many advantages such as simple structure, stability, quick-reaction, higher reliability, low cost, small volume and low weight. With many noises such as the noise of light-source and system and some inherent noise, the stability of the FOG is not good. In order to improve the stability, the following has been done:After analyzing the physical characteristic of the gyro, and with many experiments, the transfer function of the system is set up. In the following the discrete function is applied to adaptive filtering. With that the random noise is filtered out.The change of the wavelength may lead to the drift of the non-exchange phase drift, so influence the stability of the scale factor, also it is known the temperature is the key factor that affect the wavelength of the light-source. In order to eliminate the noise of the source and boost the stability, the temperature control circuit and the power control circuit are designed.The fiber ring is one of the important part of the FOG, and it has great effect on the stability of the FOG. Owing to the exist of the temperature grads and stress grads, the noise in the light circuit is increased and so the wave phase of the fiber ring is affected, and this reduce the stability. After analysis the QAD method is used, and the method proved to be effective after many tests. With that the non-exchange noise is filtered out.
引文
[1] 张桂才，王巍译．光纤陀螺仪．北京：国防工业出版社，2002
[2] 邱昆．光纤通信导论．成都：电子科技大学出版社，1995
[3] 郭秀中编著．惯导系统陀螺仪理论．北京：国防工业出版社，1996：13—297页
[4] 陈哲编著．捷联惯导系统原理．北京：宇航出版社，1986：1-242页
[5] 李友善．自动控制原理．北京：国防工业出版社，1989：300-390页
[6] 候军辉，王巍，杨清生．光纤陀螺SLD光源的驱动控制研究．中国惯性技术学报．1993，10(3)：50-54页
[7] 蓝慧娟．光纤陀螺温度噪声的研究．传感器技术．1998，17(3)：11-13页
[8] 白剑．光纤陀螺输出模型研究．国防科学技术大学硕士论文．1997：15—20页
[9] 李瑞林．用于光纤陀螺的光纤环缠绕工艺研究．惯导与仪表．1995，3：36—43页
[10] 姜复兴．捷联陀螺动态误差系数的正交三轴速率试验标定及其试验设计．中国惯性技术学报．1997，5(2)
[11] 邓正隆．捷联组合的三轴转台测试法．哈尔滨工业大学学报
[12] 张树侠．激光陀螺捷联系统安装误差的标定．中国惯性技术学报．2000，8(1)：26—29页
[13] 张文焕．捷联系统IMU的标定试验与数据处理．哈尔滨工业大学学报
[14] 秦永元，张洪钺，王叔华．卡尔曼滤波与组合导航原理．西安：西北工业大学出版社，1998：117—120页
[15] 赵希人．工程随机过程．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000：243—258页
[16] 敬喜．卡尔曼滤波器及其应用基础．国防工业出版社，1973
[17] 郑大钟．线性系统理论．北京：清华大学出版社，2000
[18] 范跃祖，宁文如．光纤陀螺随机误差的滤波方案的探讨．数理统计与管理．1997，16(4)：29—32页
[19] 陈一虹，颜东．自适应卡尔曼滤波实时性研究及其应用．北京航空航天大学学报．1996，22(2)：146-149页
[20] 龚智炳，郭栓运．光纤陀螺的噪声及其试验分析．应用光学．1991，12(5)：46—50页
[21] 姜国钰．全数字闭环光纤陀螺检测电路分析与噪声抑制．北京航空航天大学学位论文．1997：18—30页
[22] 柳贵福，张树侠．光纤陀螺零漂数据滤波方法的研究．中国惯性技术学报．2001，9(4)：67—70页
[23] 叶炜，周柯江．光纤陀螺光源稳定性研究．红外与激光工程．1997，26(1)：40-44页
[24] 张烯，王妍．光纤陀螺光源驱动技术．北京航空航天大学学报．2002，28(3)：298-300页
[25] 林锡源，张桂才．全数字闭环光纤陀螺噪声分析与光路设计探讨．导航．1997，2：75—82页
[26] 高钟毓．惯性定位系统的卡尔曼滤波器设计．中国惯性技术学报．2000，18(4)：5—9页
[27] 延凤平．光纤陀螺温度补偿方案研究．光学学报．1999，19(7)：968-974页
[28] 陈小刚．基于FOG捷联航姿基准系统的研究与设计．哈尔滨工程大学硕士论文．2002：8-10页
[29] 李绪友．高精度数字闭环光纤陀螺的研究，哈尔滨工程大学博士论文．2001：35—41页
[30] 龚智炳．面向21世纪的新型陀螺仪-光纤陀螺．应用光学．1997，18(3)：37-41页
[31] 袁晓莹，龚智炳．PZT相位调制器温度漂移的控制．应用光学．1999，20(3)：37-39页
[32] 朱志文．光纤陀螺用光源——超辐射发光二极管．半导体光电．1993，14(2)：121-126页
[33] 陈秋成．保偏光纤闭环光纤陀螺光路偏振噪声的理论分析和实验研究．战术导弹控制技术．1992(1)：43-50页
[34] 张惟叙，杜新政．闭环光纤陀螺．航空学报．1991，12(4)：B149-B155页
[35] 叶炜，杨国光．闭环光纤陀螺铌酸锂调制信号分析．传感技术学报．1998(3)：7—11页
[36] 王巍，张桂才．闭环光纤陀螺铌酸锂相位调制器的背向反射及其影响．仪器仪表学报．1995，16(4)：375—380页
[37] 叶炜，倪永锋等．闭环光纤陀螺全数字式信号检测方法研究．光子学报．1998，27(4)：334—337页
[38] 宋凝芳，张春熹等．闭环光纤陀螺数字检测电路集成化．北京航空航天大学学报．1999，25(6)：732—734页
[39] 马东阁，石家纬等，超辐射发光二极管(SLD)．半导体情报．1993，30(6)：38—42页
[40] 周柯江．单模闭环光纤陀螺的研制和测试．激光与红外1997，27(3)：177—178页
[41] 刘锋熙．低成本光纤陀螺零相交信号处理．应用光学．1999，20(5)：37—39页
[42] 蓝慧娟，延风平等．动态偏置干涉型光纤陀螺温度噪声的研究．北方交通大学学报．1997，21(6)：677-679页
[43] 张春熹，陈秋芳．高精度去偏光纤陀螺的研究．电子测量与仪器学报．1997，11(3)：39—43页
[44] George A.Paulath，吴涛译．惯性级光纤陀螺的研制．惯导与仪表．1997(1)：5-9页
[45] 傅怀杰，黄秀钦．光纤环的绕制．光通信研究．1996(77)：51—54页
[46] M.E.Winslow．袁红蓓译．光纤陀螺标度因数误差研究．惯导与仪表．1991(1)：33—39页
[47] 秦炜，周柯江等．光纤陀螺的闭环实现和信号分析．红外与激光工程．1997，26(6)：14-18页
[48] 谭显裕．光纤陀螺的发展与应用前景．光纤与电缆及其应用技术． 1997(4)：49-54页
[4
[49] 牟琼．光纤陀螺的研究现状与发展趋势．半导体光电．1994，15(2)：112-116页
[50] 邹理和．数字信号处理．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社
[51] 程煜明，张炎华．光纤陀螺非线形温度漂移模型的辨识．上海交通大学学报．1997，31(12)：123-125页
[52] 秦炜，周柯江．光纤陀螺零偏稳定性的研究．光学仪器．1997，19．(4—5)：54-57页
[53] 王小宁，许家栋．光纤陀螺的光路偏振噪声的理论分析．西北工业大学学报．2000，18(3)：24-27页
[54] 郭栓运，张栓民等．光纤陀螺漂移稳定控制方法研究．2000，21(2)：23—25页
[55] 宋尔纯译．光纤陀螺的输出检测方法．国外传感技术．1998，8(4)：110-112页
[56] 卫炎，陆恺等．光纤陀螺温度漂移自适应建模研究．上海交通大学学报．1996，30(1)：84—88页
[57] 叶炜，周柯江等．光纤陀螺光源稳定性的研究．红外与激光工程．1997，26(1)：40-44页
[58] 张春喜，宋凝芳等．光纤陀螺信号解调与检测．惯导与仪表．1998(1)：54—59页
[59] 王振均．光纤陀螺性能指标及其测试问题讨论．惯导与仪表．1993(2)：32—40页
[60] 谢增华，延风平等．光纤陀螺的研究进展及其应用现状．传感器技术1997，16(5)：1-4页
[61] 张炎华，吕葵等．光纤陀螺的研究现状及发展趋势．上海交通大学学报．1998，32(8)：126-129页
[62] 肖宋文．光纤陀螺标度因数的研究．北京航空航天大学硕士论文．1998：1—9页
[63] 陈家斌，缪玲娟等．光纤陀螺仪测试研究．北京理工大学学报．1997，17(3)：369—373页
[64] 盛钟延，周柯江．光纤陀螺用SLD光源驱动电路．光学仪器．2000，22(1)：28—32页
[65] 金妙译．光纤陀螺在精确制导与导航应用中的发展．自动驾驶仪与红外技术．1998(1)：25—28页
[66] 王巍，张桂才．光纤陀螺误差分析及其抑制措施．导弹与航天运载技术．1994(2)：35—38页
[67] 苏广文，马恒坚等．Lyot光纤消偏器的原理及性能分析．光子学报．1997，26(10)：924—928页
[68] 延风平，姚毅等．基于Lyot型光消偏器的理论研究．北方交通大学学报．1994，19(3)：314—319页
[69] 叶炜，周柯江．中高精度光纤陀螺的分形噪音研究．光子学报．2000，29(6)：517-521页
[70] 陈淑芬，朱永．集成光学光纤陀螺的噪声分析．光学技术．1999(3)：8-10页
[71] 张桂才．集成光学在光纤陀螺仪中的应用．导航．1999(4)：105—112页
[72] 张桂才，杨清生等．具有中等精度全数字闭环光纤陀螺的研究．光学精密工程．1998，6(3)：41—46页
[73] 马静，张维叙．开环全保偏光纤陀螺的研究．北京航空行航天大学学报．1994，20(3)：351-356页
[74] 王巍，杨清生．全光纤陀螺及其相位调制器设计．航天控制．1995(2)：16—21页
[75] 林锡源，张桂才．全数字闭环光纤陀螺噪声分析与光路设计探讨．导航．1997(2)：75—82页
[76] 王巍，张维叙．数字式光纤陀螺检测系统研究．惯导与仪表．1992(4)：44—50页
[77] 陈万成．四极对称光纤陀螺线圈复绕机及电控设计．光纤传输技术．1993(4)：40—43页
[2] 邱昆．光纤通信导论．成都：电子科技大学出版社，1995
[3] 郭秀中编著．惯导系统陀螺仪理论．北京：国防工业出版社，1996：13—297页
[4] 陈哲编著．捷联惯导系统原理．北京：宇航出版社，1986：1-242页
[5] 李友善．自动控制原理．北京：国防工业出版社，1989：300-390页
[6] 候军辉，王巍，杨清生．光纤陀螺SLD光源的驱动控制研究．中国惯性技术学报．1993，10(3)：50-54页
[7] 蓝慧娟．光纤陀螺温度噪声的研究．传感器技术．1998，17(3)：11-13页
[8] 白剑．光纤陀螺输出模型研究．国防科学技术大学硕士论文．1997：15—20页
[9] 李瑞林．用于光纤陀螺的光纤环缠绕工艺研究．惯导与仪表．1995，3：36—43页
[10] 姜复兴．捷联陀螺动态误差系数的正交三轴速率试验标定及其试验设计．中国惯性技术学报．1997，5(2)
[11] 邓正隆．捷联组合的三轴转台测试法．哈尔滨工业大学学报
[12] 张树侠．激光陀螺捷联系统安装误差的标定．中国惯性技术学报．2000，8(1)：26—29页
[13] 张文焕．捷联系统IMU的标定试验与数据处理．哈尔滨工业大学学报
[14] 秦永元，张洪钺，王叔华．卡尔曼滤波与组合导航原理．西安：西北工业大学出版社，1998：117—120页
[15] 赵希人．工程随机过程．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000：243—258页
[16] 敬喜．卡尔曼滤波器及其应用基础．国防工业出版社，1973
[17] 郑大钟．线性系统理论．北京：清华大学出版社，2000
[18] 范跃祖，宁文如．光纤陀螺随机误差的滤波方案的探讨．数理统计与管理．1997，16(4)：29—32页
[19] 陈一虹，颜东．自适应卡尔曼滤波实时性研究及其应用．北京航空航天大学学报．1996，22(2)：146-149页
[20] 龚智炳，郭栓运．光纤陀螺的噪声及其试验分析．应用光学．1991，12(5)：46—50页
[21] 姜国钰．全数字闭环光纤陀螺检测电路分析与噪声抑制．北京航空航天大学学位论文．1997：18—30页
[22] 柳贵福，张树侠．光纤陀螺零漂数据滤波方法的研究．中国惯性技术学报．2001，9(4)：67—70页
[23] 叶炜，周柯江．光纤陀螺光源稳定性研究．红外与激光工程．1997，26(1)：40-44页
[24] 张烯，王妍．光纤陀螺光源驱动技术．北京航空航天大学学报．2002，28(3)：298-300页
[25] 林锡源，张桂才．全数字闭环光纤陀螺噪声分析与光路设计探讨．导航．1997，2：75—82页
[26] 高钟毓．惯性定位系统的卡尔曼滤波器设计．中国惯性技术学报．2000，18(4)：5—9页
[27] 延凤平．光纤陀螺温度补偿方案研究．光学学报．1999，19(7)：968-974页
[28] 陈小刚．基于FOG捷联航姿基准系统的研究与设计．哈尔滨工程大学硕士论文．2002：8-10页
[29] 李绪友．高精度数字闭环光纤陀螺的研究，哈尔滨工程大学博士论文．2001：35—41页
[30] 龚智炳．面向21世纪的新型陀螺仪-光纤陀螺．应用光学．1997，18(3)：37-41页
[31] 袁晓莹，龚智炳．PZT相位调制器温度漂移的控制．应用光学．1999，20(3)：37-39页
[32] 朱志文．光纤陀螺用光源——超辐射发光二极管．半导体光电．1993，14(2)：121-126页
[33] 陈秋成．保偏光纤闭环光纤陀螺光路偏振噪声的理论分析和实验研究．战术导弹控制技术．1992(1)：43-50页
[34] 张惟叙，杜新政．闭环光纤陀螺．航空学报．1991，12(4)：B149-B155页
[35] 叶炜，杨国光．闭环光纤陀螺铌酸锂调制信号分析．传感技术学报．1998(3)：7—11页
[36] 王巍，张桂才．闭环光纤陀螺铌酸锂相位调制器的背向反射及其影响．仪器仪表学报．1995，16(4)：375—380页
[37] 叶炜，倪永锋等．闭环光纤陀螺全数字式信号检测方法研究．光子学报．1998，27(4)：334—337页
[38] 宋凝芳，张春熹等．闭环光纤陀螺数字检测电路集成化．北京航空航天大学学报．1999，25(6)：732—734页
[39] 马东阁，石家纬等，超辐射发光二极管(SLD)．半导体情报．1993，30(6)：38—42页
[40] 周柯江．单模闭环光纤陀螺的研制和测试．激光与红外1997，27(3)：177—178页
[41] 刘锋熙．低成本光纤陀螺零相交信号处理．应用光学．1999，20(5)：37—39页
[42] 蓝慧娟，延风平等．动态偏置干涉型光纤陀螺温度噪声的研究．北方交通大学学报．1997，21(6)：677-679页
[43] 张春熹，陈秋芳．高精度去偏光纤陀螺的研究．电子测量与仪器学报．1997，11(3)：39—43页
[44] George A.Paulath，吴涛译．惯性级光纤陀螺的研制．惯导与仪表．1997(1)：5-9页
[45] 傅怀杰，黄秀钦．光纤环的绕制．光通信研究．1996(77)：51—54页
[46] M.E.Winslow．袁红蓓译．光纤陀螺标度因数误差研究．惯导与仪表．1991(1)：33—39页
[47] 秦炜，周柯江等．光纤陀螺的闭环实现和信号分析．红外与激光工程．1997，26(6)：14-18页
[48] 谭显裕．光纤陀螺的发展与应用前景．光纤与电缆及其应用技术． 1997(4)：49-54页
[4
[49] 牟琼．光纤陀螺的研究现状与发展趋势．半导体光电．1994，15(2)：112-116页
[50] 邹理和．数字信号处理．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社
[51] 程煜明，张炎华．光纤陀螺非线形温度漂移模型的辨识．上海交通大学学报．1997，31(12)：123-125页
[52] 秦炜，周柯江．光纤陀螺零偏稳定性的研究．光学仪器．1997，19．(4—5)：54-57页
[53] 王小宁，许家栋．光纤陀螺的光路偏振噪声的理论分析．西北工业大学学报．2000，18(3)：24-27页
[54] 郭栓运，张栓民等．光纤陀螺漂移稳定控制方法研究．2000，21(2)：23—25页
[55] 宋尔纯译．光纤陀螺的输出检测方法．国外传感技术．1998，8(4)：110-112页
[56] 卫炎，陆恺等．光纤陀螺温度漂移自适应建模研究．上海交通大学学报．1996，30(1)：84—88页
[57] 叶炜，周柯江等．光纤陀螺光源稳定性的研究．红外与激光工程．1997，26(1)：40-44页
[58] 张春喜，宋凝芳等．光纤陀螺信号解调与检测．惯导与仪表．1998(1)：54—59页
[59] 王振均．光纤陀螺性能指标及其测试问题讨论．惯导与仪表．1993(2)：32—40页
[60] 谢增华，延风平等．光纤陀螺的研究进展及其应用现状．传感器技术1997，16(5)：1-4页
[61] 张炎华，吕葵等．光纤陀螺的研究现状及发展趋势．上海交通大学学报．1998，32(8)：126-129页
[62] 肖宋文．光纤陀螺标度因数的研究．北京航空航天大学硕士论文．1998：1—9页
[63] 陈家斌，缪玲娟等．光纤陀螺仪测试研究．北京理工大学学报．1997，17(3)：369—373页
[64] 盛钟延，周柯江．光纤陀螺用SLD光源驱动电路．光学仪器．2000，22(1)：28—32页
[65] 金妙译．光纤陀螺在精确制导与导航应用中的发展．自动驾驶仪与红外技术．1998(1)：25—28页
[66] 王巍，张桂才．光纤陀螺误差分析及其抑制措施．导弹与航天运载技术．1994(2)：35—38页
[67] 苏广文，马恒坚等．Lyot光纤消偏器的原理及性能分析．光子学报．1997，26(10)：924—928页
[68] 延风平，姚毅等．基于Lyot型光消偏器的理论研究．北方交通大学学报．1994，19(3)：314—319页
[69] 叶炜，周柯江．中高精度光纤陀螺的分形噪音研究．光子学报．2000，29(6)：517-521页
[70] 陈淑芬，朱永．集成光学光纤陀螺的噪声分析．光学技术．1999(3)：8-10页
[71] 张桂才．集成光学在光纤陀螺仪中的应用．导航．1999(4)：105—112页
[72] 张桂才，杨清生等．具有中等精度全数字闭环光纤陀螺的研究．光学精密工程．1998，6(3)：41—46页
[73] 马静，张维叙．开环全保偏光纤陀螺的研究．北京航空行航天大学学报．1994，20(3)：351-356页
[74] 王巍，杨清生．全光纤陀螺及其相位调制器设计．航天控制．1995(2)：16—21页
[75] 林锡源，张桂才．全数字闭环光纤陀螺噪声分析与光路设计探讨．导航．1997(2)：75—82页
[76] 王巍，张维叙．数字式光纤陀螺检测系统研究．惯导与仪表．1992(4)：44—50页
[77] 陈万成．四极对称光纤陀螺线圈复绕机及电控设计．光纤传输技术．1993(4)：40—43页