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(zhǎng)、成本低、可靠性高、抗輻射和動(dòng)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(guó)對(duì)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(lái)越高，已經(jīng)在很多方面超過(guò)并替代了激光陀螺。本文對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量極限—光子散粒噪聲。
　　其次，介紹了光纖陀螺的測(cè)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(shí)，平均時(shí)間最大可達(dá)到數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間的一半，浪費(fèi)了較多的數(shù)據(jù)，而且當(dāng)平均時(shí)間長(zhǎng)時(shí)Allan方差的自由度（置信度）較低，估計(jì)誤差大。為了提高長(zhǎng)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(shí)間長(zhǎng)時(shí)具有較高的置信度，而且其平均時(shí)間可達(dá)到數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)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(shí)Allan方差有較高的置信度，當(dāng)平均時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)＃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(lái)對(duì)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(shí)采用Allan方差而當(dāng)平均因子較大時(shí)采用＃1理論方差的無(wú)偏估計(jì)（理論 BR方差）的估計(jì)方法。對(duì)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(shí)間大于10％時(shí)，Allan方差出現(xiàn)了較強(qiáng)烈的波動(dòng)，而混合理論方差在整個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(guò)散粒噪聲，因此

5、要想提高陀螺的檢測(cè)靈敏度和信噪比必須要對(duì)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(cè)器并對(duì)噪聲信號(hào)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(duì)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(cè)光的偏振度來(lái)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(lái)減小探測(cè)光的偏振度從而降低強(qiáng)度噪聲的方法，并對(duì)此方法進(jìn)行了仿真。
　

6、　在對(duì)背向瑞利散射進(jìn)行分析時(shí)，指出光纖陀螺采用本征頻率方波調(diào)制時(shí)，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(guò)程中就不能更改，因此需要在使用前對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。現(xiàn)有的測(cè)量方法有兩種—基于對(duì)稱方波的測(cè)量方法和基于不對(duì)稱方波的測(cè)量方法。基于對(duì)稱方波調(diào)制的測(cè)量方法需要在探測(cè)器輸出方波占空比為百分之五十時(shí)確定本征頻率的值，本征頻率的測(cè)量精度取決于探測(cè)器輸出方波占空比的測(cè)量精度，且需要

7、使用等間距連續(xù)采樣多周期法來(lái)確定占空比?；诓粚?duì)稱方波調(diào)制的測(cè)量方法需要根據(jù)探測(cè)器輸出干擾脈沖寬度差來(lái)確定陀螺的本征頻率，當(dāng)脈沖寬度差為零時(shí)通過(guò)極值搜索算法即可確定本征頻率。這兩種方法測(cè)量精度都取決于探測(cè)器輸出信號(hào)的測(cè)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(cè)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(duì)Y波導(dǎo)進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)探測(cè)器輸出為一條沒(méi)有干擾脈沖的直線時(shí)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(duì)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(cè)量方法的精度為0.05KHz，基于4倍本征頻率測(cè)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(huì)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(duì)Y波導(dǎo)半波電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，而在低精度光纖陀螺中無(wú)第二閉環(huán)反饋回路對(duì)Y波導(dǎo)半波電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋，因此需要更準(zhǔn)確的測(cè)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(zhǎng)成正比，因此需要使用與光纖陀螺相同的光路進(jìn)行測(cè)量。目前測(cè)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(cè)量光路與光纖陀螺相同，不需要額外搭建測(cè)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(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，提出了一種新的測(cè)量方法—基于四態(tài)方波的測(cè)量方法?；谒膽B(tài)方波的測(cè)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(cè)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)