光纖陀螺的信號分析及濾波技術(shù)研究.pdf

1、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,簡稱INS)已廣泛應(yīng)用于國防及航空航天等各個領(lǐng)域。隨著慣性技術(shù)的發(fā)展,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要是以新型光學(xué)陀螺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械陀螺,以捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)代替平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)。隨著光電技術(shù)的發(fā)展,在慣性系統(tǒng)中,光學(xué)傳感器成為新一代的慣性測量元件。尤其是光纖陀螺(Fiber optic Gyroscope,簡稱FOG)憑借其體積小、重量輕、易維護和良好的性價比等優(yōu)勢,成為中低精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的

2、首選慣性測量元件。
　　 導(dǎo)航系統(tǒng)的精度是其應(yīng)用的關(guān)鍵,如何在已有的硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上提高導(dǎo)航的精度是我國現(xiàn)有航天技術(shù)研究領(lǐng)域中急需解決且難度很大的研究課題之一。在從硬件角度提高精度的同時,采用軟件方法可以降低系統(tǒng)成本,縮短研發(fā)周期,且更具備靈活性。通常的解決方法是采用濾波方法,即對測量傳感器的輸出信號進行信號濾波,對導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)進行狀態(tài)濾波。由于光纖陀螺隨機噪聲具有一定的特殊性,采用傳統(tǒng)的濾波方法無法解決,因此,本課題的任務(wù)之

3、一就是采用新的非線性濾波方法對光纖陀螺的輸出信號進行信號分析和噪聲濾除以提高光纖陀螺的精度,進而提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。
　　 在已有的光纖陀螺信號處理方法研究中,關(guān)于光纖陀螺儀信號分析及濾波技術(shù)的研究尚處初步探索階段。因此,論文是根據(jù)我國航天領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀提出和開展的,具有十分重要的現(xiàn)實意義和理論研究價值。
　　 本研究課題以干涉型光纖陀螺儀(Interferometer Fiber Optical Gyrosco

4、pe,簡稱IFOG)為研究對象,通過對光纖陀螺建模與仿真以及對實測數(shù)據(jù)的分析,在研究其噪聲特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合分形理論、小波分析、提升小波變換以及經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法來分析濾除包含有分形噪聲在內(nèi)的光纖陀螺隨機噪聲。本文結(jié)合航天科技創(chuàng)新基金項目“小波和分形理論在光纖陀螺隨機噪聲濾除中的應(yīng)用研究”主要進行了以下幾個方而的工作:
　　 1.光纖陀螺隨機噪聲特性分析及仿真建模研究
　　 在介紹光纖陀螺的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,分析了干

5、涉型光纖陀螺隨機噪聲組成及噪聲特性,建立了數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的動態(tài)模型和隨機模型。針對不同精度等級的光纖陀螺進行了噪聲對比分析,為后續(xù)的噪聲參數(shù)估計分析及噪聲濾除的研究工作奠定基礎(chǔ)。
　　 2.分形理論在光纖陀螺中參數(shù)估計的應(yīng)用研究
　　 針對中高精度光纖陀螺隨機噪聲中所包含的白噪聲以及分形噪聲,將小波分析與分形理論相結(jié)合,利用極大似然估計方法進行噪聲參數(shù)估計。給出了小波變換域極大似然估計方法的推導(dǎo)、流程以及算法的檢驗。該

6、噪聲參數(shù)估計方法有助于對FOG的性能評估,從理論上指導(dǎo)提高FOG的精度。通過對參數(shù)估計結(jié)果與實際光學(xué)陀螺的性能進行比較,驗證了這種方法的有效性。同時,根據(jù)光纖陀螺的結(jié)構(gòu)組成,通過隨機噪聲參數(shù)從器件組成上給出了提高其精度的途徑。
　　 3.基于小波分析的光纖陀螺噪聲濾除方法研究
　　 簡述小波變換基本理論的基礎(chǔ)上,討論了小波濾波方法的基本步驟。仿真驗證了小波分解和重構(gòu)的Mallat算法、小波軟閾值濾波算法、不同閾值選取方法

7、的傳統(tǒng)小波濾波方法、以及利用傳統(tǒng)小波分析濾除光纖陀螺噪聲的方法。
　　 4.自適應(yīng)提升小波光纖陀螺隨機噪聲濾除方法研究
　　 為解決小波濾波方法的缺陷-去噪效果欠佳以及無法滿足信號多樣性需求,提出自適應(yīng)提升小波濾波方法。首先簡述了提升小波變換方法基礎(chǔ)理論,在小波濾波策略的基礎(chǔ)上,從自適應(yīng)提升方法中的預(yù)測算法和更新算法出發(fā),提出Harr小波基及DB4小波基自適應(yīng)提升小波濾波方法,并應(yīng)用于光纖陀螺噪聲濾除。該方法通過與傳統(tǒng)小