數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺誤差分析及其補(bǔ)償技術(shù).pdf

1、光纖陀螺是一種新型角速度傳感器，具有體積小、壽命長、成本低、可靠性高、抗輻射和動態(tài)范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、水上、水下、陸地、海底、太空等軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光纖陀螺是慣性導(dǎo)航中的重要元件，其精度直接決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。隨著各國對光纖陀螺技術(shù)的深入研究和光纖器件的不斷更新，光纖陀螺的精度越來越高，已經(jīng)在很多方面超過并替代了激光陀螺。本文對光纖陀螺工程研制中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有光纖陀螺為基礎(chǔ)做了相

2、關(guān)實(shí)驗(yàn)。
　　論文首先介紹了光纖陀螺的基本原理—Sagnac效應(yīng)。介紹了數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的基本組成；利用四態(tài)方波對光纖陀螺進(jìn)行相位調(diào)制與解調(diào)的方法；推導(dǎo)了數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的傳遞函數(shù)和陀螺系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。分析了光纖陀螺中的主要誤差源，并對如何消除這些誤差做了理論分析。最后介紹了光纖陀螺的基本測量極限—光子散粒噪聲。
　　其次，介紹了光纖陀螺的測試方法—Allan方差法估計(jì)光纖陀螺的誤差系數(shù)。指出利用Allan方差法估計(jì)陀螺誤差

3、系數(shù)時，平均時間最大可達(dá)到數(shù)據(jù)持續(xù)時間的一半，浪費(fèi)了較多的數(shù)據(jù)，而且當(dāng)平均時間長時Allan方差的自由度（置信度）較低，估計(jì)誤差大。為了提高長期頻率穩(wěn)定性，出現(xiàn)了＃1理論方差估計(jì)。＃1理論方差估計(jì)在平均時間長時具有較高的置信度，而且其平均時間可達(dá)到數(shù)據(jù)持續(xù)時間的四分之三，有效的提高了數(shù)據(jù)的利用率。當(dāng)平均因子較小時Allan方差有較高的置信度，當(dāng)平均時間較長時＃1理論方差有較高的置信度，因此本論文提出了用混合理論方差來對光纖陀螺的誤差系數(shù)

4、進(jìn)估計(jì)?；旌侠碚摲讲钍窃谄骄蜃虞^小時采用Allan方差而當(dāng)平均因子較大時采用＃1理論方差的無偏估計(jì)（理論 BR方差）的估計(jì)方法。對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有光纖陀螺做了Allan方差估計(jì)和混合理論方差估計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在數(shù)據(jù)持續(xù)時間大于10％時，Allan方差出現(xiàn)了較強(qiáng)烈的波動，而混合理論方差在整個數(shù)據(jù)長度上都很平滑，能夠更加有效的提高估計(jì)精度。
　　在使用了寬帶和輸出功率高的摻鉺光纖光源的光纖陀螺中，其光源強(qiáng)度噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過散粒噪聲，因此

5、要想提高陀螺的檢測靈敏度和信噪比必須要對光源強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制。論文分析了目前已有的強(qiáng)度噪聲抑制方法，指出這些方法需要增加光纖探測器并對噪聲信號進(jìn)行延遲或者增加光強(qiáng)外調(diào)制回路，體積大，成本高。對光源強(qiáng)度噪聲進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光的偏振度影響著強(qiáng)度噪聲的大小，由此本文應(yīng)用了降低探測光的偏振度來減小強(qiáng)度噪聲的方法。分析了Lyot消偏器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)性能，提出利用Lyot消偏器來減小探測光的偏振度從而降低強(qiáng)度噪聲的方法，并對此方法進(jìn)行了仿真。
　

6、　在對背向瑞利散射進(jìn)行分析時，指出光纖陀螺采用本征頻率方波調(diào)制時，理論上將不產(chǎn)生任何背向瑞利散射誤差。本征頻率還是光纖陀螺調(diào)制、解調(diào)、采樣的重要參數(shù)，且一旦確定在使用的過程中就不能更改，因此需要在使用前對其進(jìn)行精確的測量?，F(xiàn)有的測量方法有兩種—基于對稱方波的測量方法和基于不對稱方波的測量方法?；趯ΨQ方波調(diào)制的測量方法需要在探測器輸出方波占空比為百分之五十時確定本征頻率的值，本征頻率的測量精度取決于探測器輸出方波占空比的測量精度，且需要

7、使用等間距連續(xù)采樣多周期法來確定占空比?；诓粚ΨQ方波調(diào)制的測量方法需要根據(jù)探測器輸出干擾脈沖寬度差來確定陀螺的本征頻率，當(dāng)脈沖寬度差為零時通過極值搜索算法即可確定本征頻率。這兩種方法測量精度都取決于探測器輸出信號的測量精度。論文提出了基于2倍本征頻率和基于4倍本征頻率的方波測量方法。這兩種方法的基本原理都是利用本征頻率偶數(shù)倍的方波對Y波導(dǎo)進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)探測器輸出為一條沒有干擾脈沖的直線時即可計(jì)算出本征頻率。利用本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光纖陀螺對論

8、文提出的這兩種方法進(jìn)行了驗(yàn)證，基于2倍本征頻率測量方法的精度為0.05KHz，基于4倍本征頻率測量方法的精度為0.025KHz。
　　光纖陀螺的半波電壓是光電調(diào)制中的重要參數(shù)，其誤差將會導(dǎo)致光纖陀螺存在非互易性相位差。高精度光纖陀螺一般采用第二閉環(huán)反饋回路對Y波導(dǎo)半波電壓進(jìn)行實(shí)時修正，而在低精度光纖陀螺中無第二閉環(huán)反饋回路對Y波導(dǎo)半波電壓進(jìn)行實(shí)時測量和反饋，因此需要更準(zhǔn)確的測量Y波導(dǎo)半波電壓的值。根據(jù)定義可知Y波導(dǎo)的半波電壓與入射

9、光的波長成正比，因此需要使用與光纖陀螺相同的光路進(jìn)行測量。目前測量Y波導(dǎo)半波電壓值的方法有很多種，但只有 Sagnac干涉儀法和開環(huán)搜索法的測量光路與光纖陀螺相同，不需要額外搭建測量光路，且精度比其它方法高。為了彌補(bǔ) Sagnac干涉儀法和開環(huán)搜索法測量時間長的缺點(diǎn)，提出了一種新的測量方法—基于四態(tài)方波的測量方法。基于四態(tài)方波的測量方法采用反饋技術(shù)，是開環(huán)搜索法的改進(jìn)，其速度是開環(huán)搜索法測量速度的八倍。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有陀螺進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)