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            長沙立孚陀螺儀光纖


                陀螺儀作為慣性制導、導航以及姿態控制的核心器件已經發展了三代。第一代機電式陀螺由于其性價比和壽命等方面上的缺陷,正逐漸被以光學 Sagnac 效應為基礎的光學陀螺所取代。第二代環形激光陀螺在精度和可靠性方面取得了巨大的進步,使得其在慣性導航系統中得到了廣泛的應用,然而為解決“閉鎖”問題而加入的機械抖動裝置使得其系統變得非常復雜,由此產生了第三代陀螺技術——光纖陀螺。光纖陀螺以其小體積、高性價比、精度適用范圍廣、無運動部件等優點,目前在中低精度的陀螺應用領域中得到了廣泛地使用。 


                干涉式光纖陀螺作為光纖陀螺技術的一種,其基礎理論和技術雖已成熟,然而我國光纖陀螺技術的發展水平和精度等級與國外發達國家相比仍有巨大的差距;同時由于受到國內陀螺光學器件生產工藝和技術水平的限制,目前改善陀螺性能、提高陀螺的精度等級主要依靠電子學和信號處理的技術手段,因此研究如何在現有的技術條件下改善光纖陀螺性能指標的相關技術,對于光纖陀螺的技術發展和工程實踐具有重要的理論意義和經濟價值。


                本研究課題以干涉式數字閉環光纖陀螺作為研究的對象,對改善陀螺性能的相關技術開展研究工作。重點研究了評價陀螺性能的零偏穩定性、角隨機游走系數以及標度因數三個關鍵技術指標的影響因素,以及改善這三個指標的技術措施。


            總結本課題論文的工作內容和創新成果可以概括如下:


            (1) 根據干涉式光纖陀螺的工作原理以及輸出信號的特性,建立了數字式閉環光纖陀螺的動態模型和隨機模型;采用數字信號仿真的方法對光纖陀螺存在的五種主要噪聲類型進行仿真實驗,通過 Allan 方差分析對比真實的陀螺輸出數據,驗證了模型和隨機噪聲仿真的有效性;


            (2) 研究了造成閉環光纖陀螺標度因數誤差的主要因素,以及標度因數誤差補償的技術方案,并通過模型仿真的方法驗證了基于四態方波調制增益誤差補償方案的有效性;


            (3) 研究了影響光纖陀螺角隨機游走系數以及信噪比的主要因素;針對陀螺光源相對強度噪聲限制信噪比提高的問題,研究了目前廣泛采用三種抑制相對強度噪聲的技術方案以及缺陷,并提出了一種基于 RLS 自適應噪聲對消技術。仿真結果表明該技術對噪聲傳輸延遲和幅值變化具有很強地適應能力,對陀螺的零偏穩定性和角隨機游走系數指標有較大改善;


            (4) 根據光纖陀螺非線性、非平穩性的信號特點,研究對比了 LMS 自適應濾波算法在不同調整步長和濾波器階數下的濾波效果,從對比的實驗結果中得出了針對光纖陀螺信號特點的 LMS 濾波器參數的確定原則;針對LMS自適應濾波算法的缺陷提出了基于 非參 數 、 可 變 步 長 的歸 一 化LMS(NVSS-NLMS)濾波算法的技術方案, 實驗結果表明該技術方案相比基于 LMS 算法的技術方案具有更好的濾波效果;


            (5) 針對自適應濾波算法需要確定適合的參考信號問題,研究了基于信號本身蘊含的、反映不同時間尺度下信號局部特征的經驗模分解(EMD)濾波技術,并針對陀螺動態信號 EMD 分解后如何重建信號的問題,提出了基于序列均方誤差檢測的 EMD 濾波方法,該方法為信號重建提供了客觀的判斷標準。通過對陀螺信號的濾波處理,陀螺的零偏穩定性和角隨機游走系數指標得到了顯著改善。

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