基于光纤陀螺与经验模态分解的航天器微小角振动检测技术

航天器在轨运行过程中,由于内部多种活动部件的存在,会使其结构体产生振幅较小、频率较高的微小角振动,这会影响航天器有效载荷的正常工作。光纤陀螺作为航天器的姿态测量部件,在设计原理上具有高带宽的特点,针对航天器微小角振动的特点,提出采用光纤陀螺测量该振动信息,同时提出采用经验模态分解的方法将光纤陀螺输出信号分解成各个时间尺度上的本征模态函数,再经过Hilbert谱分析方法检测出微小角振动信息。通过星载测试试验对该方法进行了有效性验证,结果表明:采用经验模态分解技术能够实现航天器微小角振动信号的检测,为航天器微小角振动的高精度测量提供了新手段和新方法。     

谐振式光纤陀螺调相谱检测技术中的光克尔效应

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。信号检测技术和系统中存在的各种噪声对系统的检测精度有着重要的影响。基于调相谱检测技术的谐振式光纤陀螺系统中,除顺时针(CW)和逆时针(CCW)光路传播的光强不均匀会引入非互易相位差,使系统出现零漂外,顺时针和逆时针光路的调制系数也会引入系统零漂。光克尔效应引入的系统零漂与系统的真实旋转在测量时是无法区分的,因此成为主要的噪声之一。通过光波场叠加原理,推导得到调相谱检测方案下的谐振式光纤陀螺系统中,光克尔效应引起的系统零漂的解析表达式。依据光克尔效应产生的零漂不随陀螺转速的改变而变化,利用简单的开环系统,对光克尔效应引入的陀螺零漂进行了测试。     

一种非均匀采样下小信号的检测方法

非均匀采样由于其具有不受采样频率限制、频率分辨率高以及抗混叠等优点,使得其应用十分广泛。但非均匀采样会引起信号的频谱噪声,这样使得非均匀采样下小信号的检测不易实现。本文分析了非均匀采样引起频谱噪声的原因,提出一种基于非均匀采样的小信号检测方法。该方法根据非均匀采样检测得到的大幅度信号,应用陷波器将其消除,降低了由大信号引起的频谱噪声,从而检测出小信号。文中详细说明了陷波方法的原理、陷波器宽度和深度的选择、陷波器中心频率的确定以及陷波器在非均匀采样下的应用,最后给出实验结果。理论和实验表明,基于非均匀采样的陷波方法是一种行之有效的信号频率检测方法,使用该方法处理信号可以得到准确的频率估计效果,检测出信号幅度相差100倍以上的多个信号频率。     

一种改进的重叠式三子样圆锥误差补偿算法

针对增加子样数会降低系统姿态更新频率、引入较大的圆锥误差,提高采样频率会增加导航计算机的硬件负担的问题,提出一种改进的圆锥误差补偿算法。利用前两个计算周期陀螺输出的角增量信息和当前时刻陀螺采样值通过重叠式采样的方式进行圆锥误差补偿,详细推导了重叠式三子样补偿算法的公式,根据算法误差最小准则得到补偿系数。该算法不仅提高了系统姿态更新频率,而且减少了由等效旋转矢量算法引入的圆锥误差,达到了提高姿态解算精度的目的。     

消除机械抖动激光陀螺闭锁误差的方法

理论分析了机械抖动激光陀螺(MDRLG)闭锁误差产生的原因,给出了闭锁误差与输入角速率、机械抖动频率和机械抖动幅度的关系。针对激光陀螺读出电路整脉冲计数解调的缺陷,提出了用抛物线方程描述激光陀螺输出信号零速率点的相位特征来补偿丢失的小角速率信息,并且利用激光陀螺零速率点相位的正弦值和余弦值以及零速率点相位的二阶导数进行闭锁误差补偿的新方法。仿真实验结果表明,在整周期采样过程中,激光陀螺最大输出误差由原来的6．25％减小到0．622％,有效地减小了闭锁误差,提高了激光陀螺的检测精度。同时该方法也使激光陀螺输出信号具有良好的稳定性和重复性。     

一种抗混叠的非均匀周期采样及其频谱分析方法

非均匀采样可以突破采样定理的限制,但非均匀采样信号的频谱在所有频率段均存在混叠频谱噪声,这些频谱噪声会淹没真实信号中的一些频谱幅度较小的信号,使得非均匀采样无法检测小信号。本文提出一种非均匀周期采样方法,该方法既具有非均匀采样抗混叠的特性,又具有均匀采样的消除混叠频谱噪声的特点。文中详细分析了非均匀采样产生混叠频谱噪声的原因,提出了基于非均匀周期采样的傅里叶变换方法,并给出了实验结果。理论和实验表明,非均匀周期采样方法是一种行之有效的采样方法。     

非均匀采样下小信号检测与重构的陷波方法

非均匀采样由于其具有不受采样频率限制和抗混叠等优点,使得其应用十分广泛.但非均匀采样会引起频谱噪声,使得信号中的幅度小的频率成分不易检出.本文分析了非均匀采样引起频谱噪声的原因,根据非均匀采样检测得到的大幅度信号,应用陷波器将其消除,降低频谱噪声,从而检测和重构出小信号.文中详细说明了陷波方法的原理以及陷波器在非均匀采样下的应用,最后给出实验结果.理论和实验表明,采用陷波方法可以检测和重构出非均匀采样下的小信号.     

微小型三轴光纤陀螺技术

微小型三轴光纤陀螺是基于Sagnac效应的新一代小型化光学角速率传感器,能同时敏感空间3个正交方向的角速率,具有体积小、质量轻及成本低等诸多优点.介绍了国内外微小型三轴光纤陀螺的原理、国内外发展情况及国内小型化光学元器件的技术水平.分析了光纤小曲率半径对微小型三轴光纤陀螺性能的不利影响,并首次从工程实际出发,提出了抑制不利影响的途径和方法,计算了其所能达到的理论极限精度.通过优化设计光路系统,首次设计出了微小型一体化三轴光纤陀螺,并按照GJB2426A-2004的要求对其主要技术指标进行了测试,为其工程化应用打下了坚实的基础.测试结果表明:微小型三轴光纤陀螺的主要技术指标达到甚至超过了国际同类产品的水平,极大地推动了微小型三轴光纤陀螺技术在中国的应用和发展.     

基于非均匀采样的光纤光栅解调系统

鉴于重叠多光纤Bragg光栅(FBG)传感器均匀采样时遇到的数据频谱混叠问题, 提出利用扫描周期随 机变化的正弦波实现传感FBG的非均匀采样方法,并在一种基于可调谐F-P滤波器的 FBG解调系统中得到成功应用。实验结果显示,本文方法能够很好避免混叠现 象,并且还能以低于Nyquist采样频率对信号进行采样分析。     

激光多普勒测振仪对激光陀螺动态特性测试分析

为了研究激光陀螺动态响应的幅频特性,提出了一种利用激光多普勒测振仪对激光陀螺幅频特性测试的方法。由于激光陀螺角振动测量属于接触式测量,测量结果易受被测物体振动频率的影响,因此对其幅频特性的研究具有重要意义。实验中利用压电式角振动台产生正弦激励信号,通过比较激光陀螺和激光多普勒测振仪对角振动台角振幅的测量值,得到激光陀螺幅频特性曲线。实验结果表明:在角振动频率低于300 Hz时,激光陀螺测量值准确;角振动频率较高时,由于机械结构传递特性影响将导致激光陀螺对角振动台振幅测量失真。     

两路微振动信号的光纤F-P腔干涉测量

法布里-珀罗(F-P)腔传感器结构简单,复用能力强,对导致其腔长发生变化的物理量灵敏度高,在超精密测量领域日益受到重视.为了使用一套光纤F-P腔测量两个目标,设计了两路反馈信号光纤F-P腔干涉系统,同时开展两路微振动信号测量.对两路微振动反馈F-P腔干涉信号,经多次取包络分解,得到了高、低频信号频谱,进而计算出待测目标...     

尾纤长度不对称导致的光纤陀螺振动误差分析

如何提高光纤陀螺在振动环境下的精度是光纤陀螺工程化过程中必须考虑的问题。当前,对于降低光纤陀螺振动误差的方法主要集中在改善光纤陀螺的机械结构和固定光纤环上。然而,Y波导与光纤环的尾纤长度不对称也是引起光纤陀螺振动误差的一个重要原因。首先根据弹光效应从理论上阐述了由振动所引起非互易相移的原理,进而分析证明了振动条件下左右两侧的波导尾纤与光纤环的尾纤长度之和不相等,即尾纤长度不对称是导致振动条件下非互易相移产生的一个重要原因。在此基础上推导出了振动条件下光纤陀螺两侧尾纤长度和之差与陀螺输出误差的理论关系式,并通过Matlab仿真了两侧尾纤长度和之差与陀螺输出漂移的关系曲线。     

谐振腔光纤陀螺信号检测方法的研究

谐振腔光纤陀螺(R—FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。在谐振腔光纤陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率。光纤环形谐振腔是谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件。采用两种频率的锯齿波组合调制，考虑激光器有限光谱线宽条件下，采用洛仑兹线型描写光纤环形谐振腔的输出光强表达式。针对输出光强与谐振频率偏差在靠近谐振点附近的近似线性关系，利用多次反馈频率操作来依次跟踪谐振腔光纤陀螺顺时针和逆时针光束的谐振点，从而避免了谐振频率偏差复杂的求根算法。仿真结果表明，多次反馈频率操作，可以较快地锁定到谐振点。     

基于声波驱动的高速变焦液体透镜振动特性分析

高速变焦液体透镜在快速移动物体的目标捕捉方面具有重要的应用.高频声波激励方法在理论上能够实现毛细腔边沿(靠表面张力)约束液滴的高速往复运动,但是相关工艺试验研究是目前该技术成熟应用的关键.文章在对毛细腔贯通液滴共振理论分析的基础上,基于3D打印技术开发了一种采用双源声波激励毛细腔贯通液滴进行振动的实验装置.在分析能量损失的基础上,采用激光多普勒测振仪分析了相关工艺参数对毛细腔贯通液滴振动频率和振幅的影响,总结了相关规律,为实现高速变焦液体透镜技术的应用奠定了基础.     

小波分析和灰色神经网络融合的光纤陀螺误差建模与补偿

为补偿捷联姿态测量系统中光纤陀螺因外界干扰引起的高频噪声和强漂移,提出一种基于第二代小波变换和灰色Elman神经网络融合的误差建模和补偿方法。采用Allan方差法分析了在外界干扰下的光纤陀螺输出信号,利用第二代提升小波单独重构的方法分离出陀螺误差模型中的漂移误差和白噪声,灰化漂移误差数据后建立了Elman神经网络模型并进行了补偿。实验结果表明,相较于传统的灰色理论模型和单一的Elman神经网络模型,新算法有效滤除了白噪声,并将预测模型的精度提高到96%以上,证实了模型的有效性。     

应用欠采样原理提高相位式激光测距精度

在激光测距中,测程和测量精度一直都是一对矛盾体.在保证测程的同时,提高测量精度是本次设计的关键所在.相位式激光测距的传统思想是将高频信号进行混频之后得到频率较低的差频信号,使用FFT得到相位,但是信号经混频后会带来幅度的衰减和相位的偏移.为了解决该问题,提出一个新的思路,利用欠采样技术与同步检测原理改进测相方法,降低数据处理的复杂度,提高相位检测的精度.用MATLAB仿真有白噪声和其他干扰信号存在时欠采样技术测量相位的精度,经过误差分析之后进行改进并与传统的方法进行了比较.     

一种高精度相位测量方法

介绍了利用通过增加计数脉冲频率和同步测量信号多个周期来提高相位测量精度的方法,提出了一种通过外部芯片高速计数来提高相差的测量精度的措施,利用单片机实现精确测量较宽频带范围信号的相位方法。实验结果表明,本文介绍方法能实现高精度的相位测量,具有较好的实用价值。     

实用中低精度光纤陀螺的信号处理设计

开环光纤陀螺系统直接从探测器的电信号解算出光纤陀螺的Sagnac相移，具有结构简单、全光纤、成本低廉等优点。所以开环光纤陀螺是满足中低精度应用要求的比较理想的方式。为了在开环光纤陀螺结构中满足大动态范围和高测量精度的要求，系统的信号处理方案利用多次谐波分析的数据处理方法，并且结合高阶契比雪夫FIR滤波器、自适应最佳采样速度设定、频谱分析技术、数字相关处理等数字信号处理技术，实现了2deg/h的精度。本文除了介绍上述设计方法外，并且通过对实验结果的对比测试分析，提出进一步提高光纤陀螺精度和稳定度的途径和设想。