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慢光光纤陀螺关键技术研究

作　者: 李颖
导　师: 陈兴林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 光纤陀螺慢光动态Allan方差 ARMA参数估计时间差检测
分类号: V241.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光纤陀螺作为惯性测量器件,其潜在的优势和应用前景倍受关注,已成为新一代惯性制导系统的主导器件。随着对光纤陀螺研究的深入,研究人员提出了一系列的改进措施,使光纤陀螺性能不断提高。本学位论文结合“探索一代***预研项目”,对基于慢光技术的耦合谐振腔结构的光纤陀螺原理、陀螺随机噪声和误差的分析与建模、慢光光纤陀螺信号时间差检测等问题展开了深入的研究和探索。分析慢光产生的机理,以及光纤中慢光的实现方法,为将慢光应用于光纤陀螺奠定了基础。从理论上论证了两种慢光光纤陀螺的结构方案,一种是基于高色散介质中当介质与干涉仪存在相对运动产生Doppler效应的慢光光纤陀螺结构,其刻度因数可以提高ng2倍(ng的量级可达到105～108),但这种结构的陀螺只能用来测量相对旋转,不能作为导航陀螺;另一种是利用高色散介质产生慢光,基于耦合谐振腔的慢光光纤陀螺结构方案,论证其提高陀螺精度的原理,这种结构的陀螺其刻度因数可提高ng/n0倍,给出了慢光光纤陀螺输出信号与谐振腔数目N,耦合系数μ,谐振腔半径R之间的关系,同时设计了慢光光纤陀螺测试单轴转台系统,为探索新型高灵敏度的光纤陀螺奠定了基础。以加窗函数为基础将动态Allan(DAVar)方差分析方法用于慢光光纤陀螺随机误差分析中。将经典Allan方差与动态Allan(DAVar)方差用于陀螺误差分析的结果进行对比,系统地分析了引起慢光光纤陀螺漂误差的随机噪声的种类及其来源和特性,特别是产生光速减慢的受激布里渊散射(SBS)效应和光速控制不稳恶化了噪声指数,降低信噪比,而动态Allan方差分析方法的优势在于不仅能确定慢光光纤陀螺各种随机误差的系数,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,通过分析和仿真指出动态Allan方差分析是对慢光光纤陀螺随机误差进行研究的有效方法,可以对影响陀螺精度的主要随机误差项的统计特性进行细致的表征和辨识。随机漂移也是影响慢光光纤陀螺精度的主要因素,建立慢光光纤陀螺随机漂移数学模型是分析陀螺运动规律、改善其动态性能的基础。采用时间序列ARMA模型建立随机漂移模型,针对慢光光纤陀螺SBS效应使光速变慢引入新的附加噪声后,时间序列模型辨识精度低的问题,提出基于衰减正弦曲线方法和相关匹配方法估计ARMA模型系统参数,仿真实验结果表明,对于具有较低信噪比噪声干扰的系统,该算法具有良好的收敛性和准确性,应用该算法所确定的模型对慢光光纤陀螺随机信号模型进行预测,通过对图表的分析可知模型能够比较全面的描述慢光光纤陀螺随机过程的真实全貌,可以对随机信号中的变化进行基本准确的预测分析。针对采用慢光技术的新型光纤陀螺中两束反向传播光的时间差量级在ns级左右,提出采用时间差检测的方法获得慢光光纤陀螺输出角速度。在理论上对时间差测量的方法进行研究,分析了广义互相关法在时差估计中的应用并做仿真,但该方法对于信噪比较低的信号时间差估计显得无能为力。提出采用四阶累积量的方法对时间差进行估计取得较好的效果,并在噪声相关与不相关的情况下与广义互相关算法时间差估计结果进行了比较。其次研究了几种实际时间差测量方法,采用时间数字转换芯片TDC-GP2对慢光光纤陀螺时间差进行测量,采用粗计数与细时间测量组合的方式,分辨率可达到65ps ,并给出了时间差测量系统硬件框图和软件流程。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-26
  1.1 课题来源  13
  1.2 课题研究的目的和意义  13-15
  1.3 国内外研究现状及分析  15-24
    1.3.1 光纤陀螺的国内外研究现状  15-16
    1.3.2 光纤陀螺相关技术研究现状  16-23
    1.3.3 慢光技术的研究概况  23-24
  1.4 论文的主要内容及章节安排  24-26
第2章慢光光纤陀螺结构方案设计  26-51
  2.1 引言  26-27
  2.2 慢光的基本原理  27-35
    2.2.1 慢光的实现方法  27-29
    2.2.2 光纤中的慢光  29-31
    2.2.3 慢光的模拟  31-35
  2.3 测量相对旋转角度的慢光光纤陀螺结构方案与分析  35-39
    2.3.1 基于Doppler 效应的慢光光纤陀螺结构方案分析  35-38
    2.3.2 结构方案论证  38-39
  2.4 测量绝对旋转角度的慢光光纤陀螺结构方案与分析  39-45
    2.4.1 基于耦合谐振腔结构的慢光光纤陀螺结构方案分析  39-40
    2.4.2 结构方案分析  40-43
    2.4.3 仿真结果分析  43-45
  2.5 慢光光纤陀螺实验方案及自动测试系统  45-50
  2.6 本章小结  50-51
第3章动态 Allan 方差在慢光光纤陀螺随机误差分析中的应用  51-76
  3.1 引言  51-52
  3.2 慢光光纤陀螺随机噪声源  52-55
    3.2.1 光速减慢引入噪声  53-54
    3.2.2 其它因素引起的噪声  54-55
  3.3 动态Allan 方差的原理和应用  55-63
    3.3.1 经典Allan 方差  55-56
    3.3.2 Allan 方差与随机过程统计学特性的关系  56-58
    3.3.3 动态Allan 方差（DAVar）的原理  58-61
    3.3.4 动态Allan方差（DAVar）信号分析算例  61-63
  3.4 慢光光纤陀螺随机误差的动态Allan 方差分析  63-74
    3.4.1 动态Allan 方差用于陀螺随机误差项分析  63-71
    3.4.2 慢光光纤陀螺随机误差的仿真研究  71-74
  3.5 本章小结  74-76
第4章慢光光纤陀螺随机漂移ARMA 模型的建立  76-96
  4.1 引言  76
  4.2 时间序列模型分析  76-80
    4.2.1 ARMA 数学模型  76-77
    4.2.2 ARMA 模型的自相关函数和偏自相关函数  77-80
  4.3 慢光光纤陀螺随机漂移时序模型的建立  80-84
    4.3.1 动态数据预处理  81-82
    4.3.2 慢光光纤陀螺随机信号ARMA 模型识别与定阶  82-84
  4.4 慢光光纤陀螺随机漂移ARMA 模型参数估计  84-91
    4.4.1 基于衰减正弦曲线的陀螺AR 模型参数估计  85-88
    4.4.2 基于相关匹配方法的陀螺MA 模型参数估计  88-89
    4.4.3 仿真算例  89-91
    4.4.4 慢光光纤陀螺ARMA 模型参数估计  91
  4.5 慢光光纤陀螺随机漂移ARMA 模型适用性检验  91-92
  4.6 慢光光纤陀螺随机漂移ARMA 模型预测  92-95
  4.7 本章小结  95-96
第5章信号时间差检测方法在慢光光纤陀螺中的应用  96-114
  5.1 引言  96-97
  5.2 慢光光纤陀螺信号检测方法  97-99
    5.2.1 信号相位差检测方案  97-98
    5.2.2 信号时间差检测方案  98-99
  5.3 慢光光纤陀螺信号时间差估计方法  99-102
    5.3.1 信号的传播模型  99
    5.3.2 基于广义互相关算法的慢光光纤陀螺时间差估计  99-102
  5.4 基于高阶累积量的慢光光纤陀螺时间差估计  102-108
    5.4.1 高阶累积量的定义  102-103
    5.4.2 基于四阶累积量的慢光光纤陀螺时间差估计  103-105
    5.4.3 慢光光纤陀螺四阶累积量的时间差估计的步骤  105-107
    5.4.4 仿真算例  107-108
  5.5 慢光光纤陀螺时间差测量系统  108-113
    5.5.1 时间差测量系统结构  108-109
    5.5.2 时间差实验测量方法  109-110
    5.5.3 粗计数和细时间测量用于慢光光纤陀螺  110-111
    5.5.4 时间差测量系统软件流程  111-113
  5.6 本章小结  113-114
结论  114-116
参考文献  116-127
攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果  127-128
致谢  128-130
个人简历  130

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