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高集成度激光陀螺小型化高压电源与抖动剥除技术的研究

张庆华  
【摘要】: 在众多战术武器方面应用的激光陀螺具有体积小、成本低、高过载、快速启动和低时延等特点。为了满足上述应用要求,本文针对高集成度三轴激光陀螺,对其小型化高压电源和低时延信号处理电路相关问题进行了研究。论文主要工作如下: 1、研制了小型化的高集成度激光陀螺高压电源。高压电源电路的尺寸为4.3cm×8.0cm×1.2cm,不到目前单轴陀螺高压电源尺寸的一半。电源小型化技术主要包括提高开关电源的工作频率、采用高度集成的电源控制芯片、用单个变压器实现激光陀螺的放电和维持以及选择合适的稳流模式和状态监控参量。 2、实现了三轴激光陀螺的高可靠性放电。提出在高压电源每一稳流支路加入一单刀双掷开关,来控制稳流和状态监控的时序,从而通过监测采样电阻的端电压实现三轴激光陀螺放电状态监控。对高压稳流电源的测试结果表明:在-40℃、25℃和60℃时,3.5s内三轴激光陀螺点燃率均达到100%;在-40℃~60℃的温度变化范围内,单臂电流的稳定度均优于1.2×10~(-3),三个陀螺两臂电流差的稳定度均优于1.5×10~(-4)。 3、通过分析激光陀螺抖动反馈信号和计数脉冲信号的特点,对抖动剥除理论进行了系统、详细的阐述。并对最小二乘(LS)估计、最小均方(LMS)自适应滤波和递归最小二乘(RLS)自适应滤波的抖动剥除算法进行了理论分析和实验研究。理论分析和实验结果表明抖动反馈信号含有高次谐波和噪声,严重影响了抖动剥除算法的性能。提出先对抖动反馈信号进行带通滤波,再用于抖动剥除计算,使剥除效果得到大幅度提高。 4、在MATLAB中编写了上述算法的抖动剥除程序,并基于三轴激光陀螺对算法进行了对比测试。测试结果表明,RLS和LS估计算法对抖动偏频信号的抑制能力较强,剥除后剩余脉冲数均方差为0.5226″。LMS算法在抑制抖动偏频信号的能力上稍差一些,剥除后剩余脉冲数均方差为0.6437″。但LMS算法具有计算量小、易于实现的优点。对抖动剥除误差因素分析表明,激光陀螺脉冲数量化误差是影响陀螺抖动剥除效果的主要因素,还需要对剥除后的数据进行低阶的低通滤波来减小量化噪声的影响。 5、研制了基于32位浮点数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑芯片(CPLD)和模数转换(ADC)芯片的抖动剥除硬件电路,实现了LMS+低阶FIR滤波串联算法、级联梳状(CIC)低通滤波算法和高阶FIR滤波算法的软件编程,并对该系统进行了实验测试。测得的三轴激光陀螺零偏稳定性和重复性结果表明:LMS+35阶FIR低通滤波和79阶FIR低通滤波算法基本相当,时延从4.875ms降低到2.125ms;3级梳状延时数分别为60、65和70的CIC低通滤波算法最好,但时延也最大,为12ms。 6、用50型MDRLG对某一转台加速和匀速运动进行了测试,测试结果表明LMS抖动剥除算法可使MDRLG用于实时角速率测量,1ms输出角速率的均方差优于0.2°/s。对50型MDRLG振动前后的计数输出和抖动反馈信号进行了频谱分析,并基于CIC低通滤波、45阶FIR低通滤波及LMS+15阶FIR低通滤波三种解调算法对振动过程中陀螺1s内的脉冲数进行了测试。结果表明振动过程中抖动反馈信号混入了高频噪声,但由于抖动反馈信号用于LMS算法之前进行了带通滤波,并不影响抖动剥除的性能;振动过程中陀螺计数脉冲中混入的低频振动角速度分量,使脉冲数离散性变大;且三种方法解调后脉冲数的均值基本一致。


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