高精度光纤陀螺建模及信号处理技术研究

【摘要】：近30年来,光纤陀螺作为一种新型惯性敏感器件在国防领域得到了广泛的应用。在国外,随着光学器件的加工工艺和关键技术的突破,高精度光纤陀螺也进入了使用阶段。在国内,由于光学器件的加工工艺和某些关键技术尚未突破,高精度光纤陀螺还停留在实验室阶段。尤其是高精度光纤陀螺的建模技术和信号处理技术,仍处于初步探索阶段。经研究发现,光路参数、电路参数以及调制解调的方法都会约束光纤陀螺精度的进一步提高,所以建立高精度光纤陀螺的光学模型与电路控制模型非常有意义。本文在前人的工作基础上,提出了基于四状态的双闭环调制解调技术,对光纤陀螺光路模型和闭环控制电路的数学建模进行了深入的研究,并对光纤陀螺信号处理技术做了深入研究。 首先,设计了三轴一体化的高精度光纤陀螺的光路结构,对光路中各个分立的光学器件建立基于琼斯矩阵的数学模型,根据光干涉理论和偏振态理论,建立了光纤陀螺整体光路的数学模型。在光路模型的基础上,分别仿真研究了集成光学相位调制器的消光比、光纤焊接熔接角、相位噪声以及光纤内部存在的偏振耦合点对干涉结果的影响。 其次,详细分析了方波偏置下的数字闭环调制解调原理和反馈回路增益误差产生的原因及其解调方法,并对方波偏置下的数字双闭环调制解调方法的优缺点进行了深入的研究。在此基础上提出了基于四状态偏置的数字双闭环调制解调方案,分别研究了几种不同条件下的调制解调过程,并给出了调制解调方程。最后给出了四状态偏置的数字双闭环调制解调方案详细实现。 再次,为了能够满足不同应用环境对光纤陀螺性能的要求、实现光纤陀螺系统参数的优化设计以及深入掌握光纤陀螺系统参数与光纤陀螺性能参数之间的关系,建立了光纤陀螺的数字双闭环控制回路模型,并进行仿真研究。对采用两种不同调制解调方案的光纤陀螺系统进行了实际比较,从而有效地证明了四状态偏置的数字双闭环调制解调方案的优越性,为提高光纤陀螺的精度提供了一个有效的途径。 最后,为了减轻调制解调电路的压力,提高光纤陀螺的精度,提出了基于归一化最小均方算法(NLMS)的前向线性预测滤波器(FLP)的降噪方法。首先分析了光纤陀螺系统各种噪声的来源,并用Allan方差来描述,然后对FLP和NLMS理论进行了深入研究。最后对实时采集的光纤陀螺数据进行降噪处理,证明了基于NLMS的FLP降噪的有效性,为光纤陀螺精度的提高提供了又一个有效地途径。