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光纤陀螺噪声分析与数字闭环控制系统设计

作　者: 王维
导　师: 李绪友
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 光纤陀螺噪声分析四状态调制双闭环控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 605次
引　用: 6次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 光纤陀螺的特点  10
  1.2 光纤陀螺的发展背景  10-12
  1.3 光纤陀螺的历史与研究现状  12-14
  1.4 光纤陀螺的发展趋势  14-16
  1.5 课题的提出和研究内容  16-17
第2章纤陀螺及信号检测方法  17-33
  2.1 Sagnac效应  17-20
  2.2 光纤陀螺的分类及工作原理  20-22
  2.3 干涉型光纤陀螺的信号输出形式  22-23
  2.4 光纤陀螺调制方法  23-27
    2.4.1 正弦波调制  23-25
    2.4.2 方波调制  25-27
  2.5 光纤陀螺信号检测方法  27-32
    2.5.1 模拟闭环检测  27-29
    2.5.2 数字闭环检测  29-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章光纤陀螺的光路噪声分析  33-49
  3.1 引言  33
  3.2 光纤陀螺的噪声机理分析  33-35
  3.3 光源引入噪声及误差分析  35-38
    3.3.1 光源波长变化引入误差分析  35
    3.3.2 光源噪声分析与噪声消除措施  35-38
  3.4 偏振噪声分析  38-40
  3.5 寄生效应引入噪声及抑制措施  40-43
    3.5.1 瑞利背向散射  41
    3.5.2 光的克尔效应  41-42
    3.5.3 法拉第磁场效应  42-43
  3.6 光纤环热致非互易噪声分析  43-47
    3.6.1 热致非互易噪声分析  43-45
    3.6.2 减小热致非互易噪声的措施  45-47
  3.7 集成光学器件引入误差分析  47-48
  3.8 本章小结  48-49
第4章光纤陀螺数字闭环控制方案设计  49-70
  4.1 引言  49
  4.2 数字闭环光纤陀螺的结构与组成  49-50
  4.3 数字闭环控制分析  50-57
    4.3.1 数字解调  50-51
    4.3.2 数字阶梯波反馈  51-54
    4.3.3 数字闭环控制的输出响应与传递函数  54-57
  4.4 闭环调制增益控制  57-62
    4.4.1 闭环调制增益变化对陀螺性能的影响  57-58
    4.4.2 阶梯波复位误差分析  58-61
    4.4.3 阶梯波复位控制设计  61-62
  4.5 基于四状态调制的双闭环控制系统设计  62-69
    4.5.1 四态调制分析  62-65
    4.5.2 偏置调制角度选取  65-66
    4.5.3 双闭环控制系统设计  66-68
    4.5.4 两种双闭环控制方案的比较  68-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章数字闭环控制的实现与测试  70-91
  5.1 引言  70
  5.2 系统硬件设计方案简述  70-71
  5.3 前端检测电路设计  71-76
    5.3.1 输出干涉信号特点与信号预处理  71-73
    5.3.2 低噪声前置放大电路设计  73-74
    5.3.3 A/D转换电路设计  74-76
  5.4 反馈驱动电路设计  76-79
    5.4.1 主闭环D/A转换电路设计  76-78
    5.4.2 增益控制模拟电路设计  78-79
  5.5 数字闭环控制的模块FPGA实现  79-85
    5.5.1 FPGA芯片选型与设计方法  79-81
    5.5.2 FPGA配置电路设计  81
    5.5.3 数字闭环控制的FPGA实现  81-85
  5.6 陀螺信号的数字滤波与输出  85-87
  5.7 数字闭环光纤陀螺系统测试  87-90
  5.8 本章小结  90-91
结论  91-92
参考文献  92-96
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  96-97
致谢  97

光纤陀螺噪声分析与数字闭环控制系统设计

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