光纤陀螺“死区”测试分析与建模

针对采用方波偏置调制、阶梯波反馈调制方案的全数字闭环光纤陀螺"死区"现象的机理进行了实验和仿真研究.为了考察闭环检测反馈环节对干扰的影响,在开环检测的状态下,叠加了长周期固定台阶高度的数字阶梯波,得到阶梯波总高度和开环输出之间的相关性,建立了含干扰通道的光纤陀螺开环检测模型.根据形成数字阶梯波电压大小的等价性,将上述开环模型转换为闭环模型,对闭环简化模型进行了理论分析和仿真计算,并与闭环"死区"测量曲线进行了对比.实验样机阶梯波电压和开环输出线性相关系数为0.97,根据开环测得的耦合系数仿真出的闭环"死区"范围与实验值相差6.7%.结果表明:干扰随阶梯波电压线性变化是闭环光纤陀螺"死区"产生的机理之一.     

基于伪随机辨识的光纤陀螺前向增益估计

前向增益(FPG)是影响光纤陀螺检测信噪比和死区非线性效应的重要参数.从光纤陀螺物理模型出发推导FPG表达式,分析了FPG中各物理环节在空间环境下的性能变化及其对FPG的影响.在数字闭环光纤陀螺相干检测的基础上提出采用伪随机相关辨识法对FPG进行在线估计的方法,通过在反馈阶梯波上叠加伪随机扰动作为辨识的输入信号,在数字信号处理器内进行相关解调的同时进行伪随机相关辨识,实时提取出FPG的值.对陀螺正常工作时的被调制信号、方波解调信号、伪随机扰动辨识输入信号和伪随机解调信号的相关性进行了仿真计算,结果表明伪随机扰动辨识法能够在不影响陀螺的正常工作的情况下实现FPG的实时在线估计.介绍了伪随机扰动辨识法在硬件中的实现方式,并在光纤陀螺SFS光源组件辐照试验中对FPG进行了实时估计,结果表明FPG的估计能够反映出SFS光源出纤功率的降低及陀螺随机游走系数的变化情况.     

光源光功率和偏振度对闭环光纤陀螺的影响

在建立闭环光纤陀螺光路数学模型的基础上,结合检测电路的闭环算法,分析了光源光功率、偏振度对闭环光纤陀螺的影响,推导出闭环光纤陀螺固有的标度因数误差,并进行了计算机仿真和实验验证,结果表明在实际闭环光纤陀螺中电路增益已经足够大使得光功率波动对其没有影响;通过减小和稳定光源出射光的偏振度有利于降低陀螺噪声,提高零偏长期稳定性和减小闭环光纤陀螺固有标度因数误差.     

伪随机调制在全数字闭环光纤陀螺中的应用

伪随机调制信号的抗干扰能力强,获得同样的信号,对系统正常运行的干扰程度比其他测试信号低。光纤陀螺的输出信号微弱,背景噪声强,在频域随机分布,增加了信号处理的难度。结合伪随机调制的优势,在原有的数字闭环信号处理的基础上,提出了一种新的信号处理方案:伪随机调制解调方案,与数字闭环方案相互配合,有效提取环境因变量,反馈至系统使之实时做出补偿,提高陀螺稳定性。     

前置放大电路带宽对开环光纤陀螺标度因数非线性度的影响

标度因数非线性反应了光纤陀螺在动态范围内输出的偏差度.在开环光纤陀螺中,由于相位调制存在非线性会影响标度因数的线性性.加之前放带宽有限,会使标度因数非线性现象进一步恶化.本文理论分析了,由于滤波器对各次谐波增益不一致,造成标度因数线性度恶化的各种因素.实验结果表明,要使标度因数非线性度小于500ppm,如前放采用一阶R...     

IFOG中相位调制器的残余强度调制及其测量

利用开环正弦波调制解调方法,推导了铌酸锂相位调制器的残余强度调制(简称RIM)对干涉型光纤陀螺(简称IFOG)信号的影响,指出在调制频率漂移或光纤环渡越时间变化时RIM可导致陀螺的零偏和噪声增大.对典型条件的计算表明,0.01°/h的IFOG容许的最大RIM为13ppm,0.1°/h的中低精度IFOG则为81ppm.提出利用锁相放大器精确测量相位调制器RIM的方法,并对国产器件进行测量,结果表明,器件RIM指标可在中低精度IFOG中应用.     

基于部分解调提前反馈的光纤陀螺振动误差抑制技术

振动环境下光纤陀螺性能的变化称为振动误差,抑制或消除振动误差是光纤陀螺实用化的必然要求。分析了全数字闭环光纤陀螺反馈延迟对闭环跟踪性能的影响,揭示了振动误差的机理是振动环境引入的扰动不能得到较好的抑制,从而引入附加相移误差。为了抑制附加相移误差,在保证闭环稳定的条件下,提出了部分解调提前反馈方法。理论和仿真分析了不同提前反馈比例下陀螺闭环的附加相移误差,在振动测试台上实测了不同提前反馈比例时引入的附加相移及陀螺输出,结果表明增加提前反馈比例时附加相移误差减小,陀螺振动误差同步相应减小。部分解调提前反馈方法适用于不同的调制方式,可在不修改结构、光路等硬件设计的条件下提高光纤陀螺振动环境适应性。     

对称复位调制技术在小型化光纤陀螺中的应用

2π复位调制是光纤陀螺全数字闭环处理技术的一个重要环节。由于小型化Y波导的半波电压提高,小型化光纤陀螺的调制信号达不到2π复位的要求。通过分析闭环复位的原理,提出了一种新的对称复位调制技术,成功实现了小型化光纤陀螺的复位调制闭环控制。     

光纤陀螺的温度试验与误差补偿

分析了光纤陀螺的温度特性及非线性特性,并在组建光纤陀螺温度试验系统的基础上,进行了全温度范围下的位置试验和角速率试验,研究不同的温度及输入角速率对光纤陀螺输出的影响.根据试验结果,分别建立了光纤陀螺零偏的温度模型以及标度因数的温度和非线性模型,并采用最小二乘法拟合模型的参数.通过实测数据进行仿真验证,结果表明,建立的模型能够较好地描述光纤陀螺的温度及非线性特性,利用该模型进行光纤陀螺的温度和非线性误差补偿,取得了较好的效果,光纤陀螺的测试精度得到了较大程度的提高.     

光纤陀螺IMU的六位置旋转现场标定新方法

针对光纤陀螺惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的误差系数随时间推移而变化的问题,本文提出一种光纤陀螺IMU的六位置旋转现场高精度标定新方法,该方法在使用现场将光纤陀螺IMU在六个位置上进行十二次旋转,然后根据光纤陀螺IMU的误差模型建立42个非线性输入输出方程,通过旋转积分和对称位置误差相消,消除方程中的非线性项,最终求解出陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置等15个误差系数.实验结果表明,该方法可在没有精密转台的现场实现光纤陀螺IMU的精确标定,其标定精度与基于精密转台的标定精度相当.     

New interferometric fiber-optic gyroscope with amplified optical feedback

A novel interferometric fiber-optic gyroscope with amplified optical feedback by an Er-doped fiber amplifier (EDFA) is proposed and theoretically investigated (the proposed gyroscope is named the feedback EDFA-FOG, FE-FOG in what follows). The FE-FOG functions like a resonant fiber-optic gyro (R-FOG) because of its multiple utilization of the Sagnac loop; however, it is completely different because a low-coherence light source is used. In addition, the gyro output signal is pulsed because the modulation frequency of the phase modulator placed in the Sagnac loop is selected to match the total round-trip time delay of the light, which includes the Sagnac-loop delay plus that of the feedback loop of the fiber amplifier. The sharpness of the output pulse can be adjusted by both the gain of an EDFA and the modulation depth of the phase modulator. When rotation occurs the peak position of the output pulse is shifted as a result of the Sagnac effect. The resolution of the rotation measurement depends on the sharpness of the output pulse. The techniques of both the open-loop and closed-loop methods are described in detail, which shows the great advantage of the proposed gyroscope over the to the conventional interferometric fiber-optical gyroscope (I-FOG).     

谐振式光纤陀螺的数字检测方案及其优化设计

提出了一种基于 DSP 芯片实现的双频率数字调制谐振式光纤陀螺系统的闭环检测方案。在此方案中,利用带通滤波器从探测器的输出光强信号中提取其基波频率的正弦信号,通过相关检测原理去掉干扰的噪声,并利用低通滤波器提取与探测器输出光强幅度直接成正比的直流信号,将其转换成相应的谐振频差,利用此频差即可求得陀螺的旋转角速度。此方案检测线路简单,操作方便,基于 DSP 芯片的实现则大大提高了系统处理速度。同时,还利用 Matlab 软件对检测系统中的滤波器参数进行了优化设计,提高了系统的检测精度。     

Open-loop operation experiments in a resonator fiber-optic gyro using the phase modulation spectroscopy technique

A detection system in the resonator fiber-optic gyro is set up by the phase modulation (PM) spectroscopy technique. The slope of the demodulated curve near the resonant point is found to affect the ultimate sensitivity of the gyro. To maximize the demodulated signal slope, the modulation frequency and index are optimized by the expansion of the Bessel function and optical field overlapping method. Using different PM frequencies for the light waves, the open-loop gyro output signal is observed. The modulation frequency in this PM technique is limited only by the cutoff frequency of the LiNbO3 phase modulators, which can reach several gigahertz. This detection technique and system can be applied to the resonator micro-optic gyro with a less than 10 cm long integrated optical ring.     

Current sensor using heterodyne detection

Based on the Faraday effect for measuring ac current, we describe a fiber-optic sensor that uses laser-diode intensity modulation to perform heterodyne signal detection. The sensor output at the carrier frequency is used as a reference signal to normalize the results. The sensing element consists of a few coils low-birefringence fibers between polarizers. We built the current sensor described above and tested its performance-sensitivity and noise-as functions of the angle between polarizers.     

Establishment of All Digital Closed-Loop Interferometric Fiber-Optic Gyroscope and Scale Factor Comparison for Open-Loop and All Digital Closed-Loop Configurations

This paper covers the design details of an all digital closed-loop interferometric fiber-optic gyroscope (ADCL-IFOG) prototype, constructed in TUBITAK UME, and scale factor comparison between open-loop and ADCL-IFOG prototypes with sine wave biasing modulation. The output of demodulation circuit, proportional to the applied rotation rate, was sampled by AD7714YN analog-to-digital converter (ADC), operated in 16 bit resolution. Error voltage, generated by microcomputer – controlled LTC 1667CG, 14 bit digital to analog converter (DAC), was sent to the phase modulator through a linear summing circuit to make Sagnac Phase Shift zero, depending on the rotation direction. For this implementation, the ultimate rotation rate of 1.84 ($^{circ}/{hbox{h}}$ ) was nullified. The averaged sensitivity of the proposed closed-loop IFOG in unit of error voltage applied to the phase modulator was determined as 132.65 $mu hbox{V}/(^{circ}/{hbox{h}}$ ). The scale factors of both the open-loop and ADCL-IFOG prototypes were compared in a range of 1–15270 ( $^{circ}/hbox{h}$) rotation rate, corresponding to Sagnac Phase Shifts varying from 0.00115 ( $^{circ}$) to 17.57448 ( $^{circ}$). The maximum peak to peak noise and the bias stability of ADCL-IFOG prototype were determined as 4.97 ($^{circ}/hbox{h}$ ) and 1.48 ($^{circ}/hbox{h}$ ) at 23.0$~^{circ}hbox{C}$ , respectively.      

数字闭环光纤陀螺输出滤波器设计

在数字闭环光纤陀螺中,数字输出信号由高抽样率的反馈信号抽取得到,为避免抽取过程中发生频域混迭,应加入输出滤波器对信号进行低通滤波。根据多抽样率数字信号理论,采用多级抽取滤波器的设计方法,为陀螺设计输出滤波器。和一级低通滤波器比较说明,所设计的三级抽取滤波器,运算量小、滤波效果好。测试结果表明,加入输出滤波器不改变陀螺静态特性,抑制了振动时引起的高频误差,提高了陀螺精度。     

延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响分析

在目前结构抗震设计中,将调幅后的地震动记录作为地震动输入匹配规范谱的方法非常常见;为了分析延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响,通过计算单自由度体系动力时程弹塑性反应,分析了延性系数、调幅因子等因素对等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的影响。经研究分析得出在不同延性系数、调幅因子条件下等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的变化规律:当周期确定时,对地震动记录进行调幅时等延性地震抗力谱谱值变化趋势与调幅因子增减相同,而等延性屈服强度谱不变;延性系数逐渐增大时,等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的谱值会逐渐减小。研究成果解释和阐明了延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响以及复杂的地震作用与结构动力特性之间的关系,可以为结构抗震研究和设计提供依据。     

基于FPGA和DSP的激光陀螺信号处理电路设计

研究机械抖动激光陀螺的信号读出系统,设计激光陀螺的信号处理电路。光电转换后的微弱电流信号经过前置放大电路转化为电压方波信号,在FPGA中进行鉴相解调以及可逆计数,最后由DSP实现机抖偏频解噪和低通数字滤波。与激光陀螺联合测试并将结果输出至上位机,结果表明设计的电路实现了对激光陀螺输出信号的有效采集,满足激光陀螺功能测试的需要。