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《国防科学技术大学》 2011年
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开环光纤陀螺性能改进及其在光纤矢量水听器姿态测量上的应用研究

陈宇中  
【摘要】:近年来,智能化水中兵器获得快速发展,由于水下环境的特殊性,惯性导航和姿态控制,以及基于水声探测的信息系统成为智能化水中兵器的核心关键技术。本文针对智能化水中兵器应用发展需求,进行开环光纤陀螺性能改进及其在光纤矢量水听器姿态测量上的应用研究,为智能化水中兵器的运动控制和水声探测技术发展提供了理论和实验基础。 对水中兵器而言,由于其动态特性和对成本的要求,开环光纤陀螺是比较理想的惯性器件。本文针对具体结构的开环光纤陀螺,进行了有关改进陀螺性能的理论和实验研究。通过采用两级波表法,提高了调制信号精度,改善了陀螺工作点控制稳定性;通过光源相对强度噪声(RIN)抑制方法,在一定程度上抑制了光源噪声,减小了陀螺随机游走;通过温度补偿,改进了陀螺温度稳定性;通过小波滤波方法,对陀螺信号中噪声的抑制取得了明显效果。对改进后的陀螺进行了综合测试,其性能明显优于国外在我国市场大量销售的开环光纤陀螺。 光纤矢量水听器的测量是相对其自身载体坐标系的测量。在运动平台上,光纤矢量水听器上变化的载体坐标系下测量的结果需变换到统一的参考坐标系下。本文结合矢量水声信号处理的特殊要求,进行了动基座下矢量水听器目标定向、四分量信号融合和水声场求解所涉及的姿态变换算法研究。针对光纤陀螺角速度输出的特点,推导了基于角速度测量的姿态算法,在典型的圆锥运动和划桨运动条件下,对改进的算法进行了优化,仿真结果表明,优化后的算法误差更小。 分析了光纤矢量水听器姿态测量系统的误差,针对矢量水听器应用的特点对误差方程进行了简化,分析了静基座下误差传播特性,得到了误差振荡频率。分析了姿态测量误差对矢量水听器目标定向误差的影响,针对无声学噪声及有声学噪声两种不同情况,推导了定向误差随姿态误差变化的关系式,对有噪声的情况进行了仿真,仿真结果证明推导的关系式正确。 研究了光纤矢量水听器姿态测量系统的标定与初始对准方法。标定需做位置试验及转动试验,可标定出光纤陀螺、加速度计、磁罗盘的零偏、标度因数和安装误差这些参数。由于开环光纤陀螺是中等精度的陀螺,因此初始对准不能通过陀螺来进行,而需引入磁罗盘。初始对准分为粗对准和精对准两个阶段,分析了粗对准的精度,精对准使用磁罗盘辅助的卡尔曼滤波方法,分析了卡尔曼滤波的可观测度,进行了计算机仿真,仿真结果表明引入磁罗盘可提高对准精度,方位角误差由4°降低至10′。 设计并研制了一套基于开环光纤陀螺的光纤矢量水听器姿态测量系统,其中包括硬件及软件的设计与调试。对姿态测量系统进行了全面的测试,包括静态测试、转动测试,并与光纤矢量水听器进行了联合海试,海试结果表明,光纤矢量水听器用姿态测量系统所测得的姿态进行姿态变换后,目标定向的精度有较大幅度的提高,方位角标准差由6°~7°降至2°~3°。 论文的主要研究成果和创新性如下: (1)提出采用两级波表法可产生开环光纤陀螺的高精度调制信号;提出了一种RIN抑制方法,可在一定程度上抑制开环光纤陀螺的光源噪声。 (2)针对光纤陀螺角速度输出特点,对等效旋转矢量算法及划桨效应补偿算法进行了优化,使算法误差更小。 (3)分析了姿态测量误差对光纤矢量水听器目标定向误差的影响,对无声学噪声情况,给出了方位角、俯仰角误差随姿态误差变化关系式,对有声学噪声情况,给出了方位角、俯仰角平均值及方差随姿态误差变化关系式。不论哪种情况,当目标俯仰角较大时,小的姿态误差都会导致姿态变换后大的方位角定向误差,提出应用时应尽量减小目标俯仰角。 (4)设计并研制了一套基于开环光纤陀螺的光纤矢量水听器姿态测量系统,其中三轴光纤陀螺模块采用了一体化的电子学处理方式,从而降低了体积与成本,并使三轴陀螺的时钟完全同步。该套姿态系统在水下可正常工作,光纤矢量水听器姿态变换后目标定向的结果正确。本文将开环光纤陀螺应用于光纤矢量水听器的姿态测量,这在国内尚属首次。本文的工作是一次真正意义上的光纤陀螺水中工程应用。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB565

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1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】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【相似文献】
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2 张开锐;薛晨阳;张国军;关凌纲;王建平;;MEMS矢量水听器及其方位估计研究[J];传感器与微系统;2009年06期
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7 关凌纲;张国军;薛晨阳;蓝伟军;;三维同振柱型矢量水听器的制作[J];舰船科学技术;2009年09期
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9 莫喜平;;第三讲 让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术[J];物理;2006年05期
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1 本报记者 朱伟光;杨士莪:大海会记得,我们来过[N];光明日报;2010年
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2 何勤;有限障板下矢量水听器性能的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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6 张俊;潜标平台下的矢量水听器悬挂系统声学性能影响研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
7 张晓龙;矢量水听器目标测向及误差校正[D];大连理工大学;2013年
8 任一石;新型结构三维矢量水听器的研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
9 归宏猛;矢量水听器(阵)及其在低频声源校准中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 李海霞;有限障板对矢量水听器测向的影响[D];哈尔滨工程大学;2010年
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