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《上海交通大学》 2010年
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光纤陀螺的信号分析及滤波技术研究

党淑雯  
【摘要】: 惯性导航系统(Inertial Navigation System,简称INS)已广泛应用于国防及航空航天等各个领域。随着惯性技术的发展,惯性导航系统主要是以新型光学陀螺代替传统的机械陀螺,以捷联惯导系统代替平台惯导系统。随着光电技术的发展,在惯性系统中,光学传感器成为新一代的惯性测量元件。尤其是光纤陀螺(Fiber Optic Gyroscope,简称FOG)凭借其体积小、重量轻、易维护和良好的性价比等优势,成为中低精度惯性导航系统的首选惯性测量元件。 导航系统的精度是其应用的关键,如何在已有的硬件设备的基础上提高导航的精度是我国现有航天技术研究领域中急需解决且难度很大的研究课题之一。在从硬件角度提高精度的同时,采用软件方法可以降低系统成本,缩短研发周期,且更具备灵活性。通常的解决方法是采用滤波方法,即对测量传感器的输出信号进行信号滤波,对导航系统的状态进行状态滤波。由于光纤陀螺随机噪声具有一定的特殊性,采用传统的滤波方法无法解决,因此,本课题的任务之一就是采用新的非线性滤波方法对光纤陀螺的输出信号进行信号分析和噪声滤除以提高光纤陀螺的精度,进而提高导航系统的精度。 在已有的光纤陀螺信号处理方法研究中,关于光纤陀螺仪信号分析及滤波技术的研究尚处初步探索阶段。因此,论文是根据我国航天领域相关技术的研究现状提出和开展的,具有十分重要的现实意义和理论研究价值。 本研究课题以干涉型光纤陀螺仪(Interferometer Fiber Optical Gyroscope,简称IFOG)为研究对象,通过对光纤陀螺建模与仿真以及对实测数据的分析,在研究其噪声特性的基础上,结合分形理论、小波分析、提升小波变换以及经验模态分解方法来分析滤除包含有分形噪声在内的光纤陀螺随机噪声。本文结合航天科技创新基金项目“小波和分形理论在光纤陀螺随机噪声滤除中的应用研究”主要进行了以下几个方面的工作: 1.光纤陀螺随机噪声特性分析及仿真建模研究 在介绍光纤陀螺的工作原理和结构的基础上,分析了干涉型光纤陀螺随机噪声组成及噪声特性,建立了数字闭环光纤陀螺的动态模型和随机模型。针对不同精度等级的光纤陀螺进行了噪声对比分析,为后续的噪声参数估计分析及噪声滤除的研究工作奠定基础。 2.分形理论在光纤陀螺中参数估计的应用研究 针对中高精度光纤陀螺随机噪声中所包含的白噪声以及分形噪声,将小波分析与分形理论相结合,利用极大似然估计方法进行噪声参数估计。给出了小波变换域极大似然估计方法的推导、流程以及算法的检验。该噪声参数估计方法有助于对FOG的性能评估,从理论上指导提高FOG的精度。通过对参数估计结果与实际光学陀螺的性能进行比较,验证了这种方法的有效性。同时,根据光纤陀螺的结构组成,通过随机噪声参数从器件组成上给出了提高其精度的途径。 3.基于小波分析的光纤陀螺噪声滤除方法研究 简述小波变换基本理论的基础上,讨论了小波滤波方法的基本步骤。仿真验证了小波分解和重构的Mallat算法、小波软阈值滤波算法、不同阈值选取方法的传统小波滤波方法、以及利用传统小波分析滤除光纤陀螺噪声的方法。 4.自适应提升小波光纤陀螺随机噪声滤除方法研究 为解决小波滤波方法的缺陷—去噪效果欠佳以及无法满足信号多样性需求,提出自适应提升小波滤波方法。首先简述了提升小波变换方法基础理论,在小波滤波策略的基础上,从自适应提升方法中的预测算法和更新算法出发,提出Harr小波基及DB4小波基自适应提升小波滤波方法,并应用于光纤陀螺噪声滤除。该方法通过与传统小波滤波方法进行比较,通过仿真实验验证了该方法的有效性。 5.基于经验模态分解的混合型光纤陀螺滤波方法研究 为克服经验模态分析方法自身的缺陷—高频分辨率低及端点边界效应,将提升小波分解方法以及径向基函数神经网络引入到经验模态分析方法中,提出了一种改进的混合型经验模态分析方法,并通过仿真实验对其进行了有效的验证。 本文的研究工作可为我国惯性技术领域光纤陀螺信号处理及噪声滤除研究工作提供参考与借鉴。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V241.5

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
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中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 刘强;徐晓苏;;光纤陀螺信号滤波算法研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张娜;光纤陀螺的动态性能研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 陶奇;廖海黎;李明水;刘明;;苏通长江公路大桥最大单悬臂施工状态结构模态参数识别[J];四川建筑科学研究;2009年05期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杜陈艳;肖敏;张榆锋;苏娜峰;王荔芳;陈明;石岩岩;白宝丹;;相空间最近邻非线性自适应预测法在EMD边缘效应中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
2 刘营;郝燕玲;王仁龙;;一种离散小波变换的优化并行硬件结构[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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4 刘小峰;秦树人;柏林;;EMD中存在的问题及解决方法探讨[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
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7 张龙;何晶;许信玉;;H.264解码器中反变换的硬件实现[A];图像图形技术研究与应用2009——第四届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2009年
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9 陈大科;韩九强;;5/3提升小波变换及逆变换的FPGA设计方法[A];2005年全国自动化新技术学术交流会论文集[C];2005年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王婷;EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
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3 陈世同;高精度光纤陀螺建模及信号处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 张之猛;水声信号处理中的盲解卷积技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
5 王咏胜;复数轮廓波变换的构造、扩展及其图像处理应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 唐国维;嵌入式小波图像编码算法及应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 魏浩征;高压直流输电系统可听噪声预测系统的研究[D];合肥工业大学;2010年
8 黄伟国;基于振动信号特征提取与表达的旋转机械状态监测与故障诊断研究[D];中国科学技术大学;2010年
9 宋国明;基于提升小波及SVM优化的模拟电路智能故障诊断方法研究[D];电子科技大学;2010年
10 吴富梅;GNSS/INS组合导航误差补偿与自适应滤波理论的拓展[D];解放军信息工程大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 高昌鑫;Hilbert-Huang变换改进算法及其在齿轮箱故障诊断中的应用研究[D];河南理工大学;2010年
2 曹倩;基于分形的心电信号压缩技术的研究[D];山东科技大学;2010年
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10 李海燕;基于EMD的直扩通信窄带干扰自适应抑制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨新勇,黄圣国;智能磁航向传感器的研制及误差补偿算法分析[J];北京航空航天大学学报;2004年03期
2 王子亮,房建成,全伟;基于遗传算法的多模型Kalman滤波算法及应用研究[J];北京航空航天大学学报;2004年08期
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9 许晖,石秀华,曹永辉;磁通门罗盘的设计[J];传感技术学报;2003年04期
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 高延增;超小型水下机器人关键性能提升技术研究[D];华南理工大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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5 申宇;移动卫星电视接收伺服系统的研究与实现[D];西安电子科技大学;2006年
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10 陈健明;船载卫星天线自动跟踪技术研究与实现[D];大连理工大学;2008年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵岳生,邓正隆;光纤陀螺输出信号的可视化研究[J];中国惯性技术学报;2004年02期
2 邱高理,舒晓武;光纤陀螺性能数字评价系统的可视化研究[J];光电工程;2002年S1期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 马丽元 通讯员 王丽梅;大力倡导开创型创新[N];中国航空报;2011年
2 王红霞;光纤陀螺生产线在宝成开工建设[N];中国航空报;2009年
3 本报记者 索阿娣;光纤陀螺技术拿到国际“护照”[N];中国航天报;2009年
4 王红霞;空装副部长张伟到中航工业宝成考察[N];中国航空报;2010年
5 ;求实篇·乘风破浪创佳绩[N];中国航空报;2010年
6 程献影 唐新培;用心跳好“发丝上的舞蹈”[N];中国航天报;2011年
7 记者 陈立;航天科工项目摘金挂铜[N];中国航天报;2010年
8 通讯员 王红霞;中航工业宝成迎来55周年华诞[N];中国航空报;2010年
9 刘治德 郭晓洪;21世纪的精确制导武器技术[N];解放军报;2001年
10 汪玲;红峰厂 10万元重奖技术进步项目[N];中国航天报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 党淑雯;光纤陀螺的信号分析及滤波技术研究[D];上海交通大学;2010年
2 陈世同;高精度光纤陀螺建模及信号处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 张娜;光纤陀螺的动态性能研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
4 杨汉瑞;光子晶体光纤陀螺温度效应的机理与抑制[D];哈尔滨工程大学;2013年
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6 张伟;基于开环光纤陀螺控制的无人作战平台稳定技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
7 姬忠校;光纤陀螺性能改善技术研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2011年
8 张琛;光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 王鑫哲;光纤陀螺捷联旋转式惯导系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
10 徐博;舰船高精度光纤捷联惯性导航系统技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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2 李亚梅;光纤陀螺测试与标定技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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4 张立华;光纤陀螺捷联系统硬件平台的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 孙英杰;光纤陀螺温度漂移误差建模及补偿技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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7 邱高理;光纤陀螺性能评价系统[D];浙江大学;2003年
8 刘仲恒;光纤陀螺及其数字信号处理[D];电子科技大学;2001年
9 王爽;光纤陀螺寻北系统误差研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 陈文海;光纤陀螺数据采集处理系统改进及振动特性研究[D];浙江大学;2004年
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