光纖陀螺的誤差分析、建模及濾波研究.pdf

1、光纖陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的角速度傳感器，作為一種新型慣性測量元件，研究與開發(fā)光纖陀螺具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。本文對光纖陀螺的隨機誤差分析、建模與仿真、光纖陀螺信號的濾波等關(guān)鍵問題進行了研究，通過采用一些新的研究手段，引入一些新的理論分析方法，尋求這些問題新的解決方法。
　　為解決Allan方差在長相關(guān)時間上存在估計誤差較大的問題，根據(jù)光纖陀螺隨機誤差源的頻率特性，提出了采用總方差來代替Allan方差對光纖陀螺的

2、隨機誤差特性進行分析的新方法。分析了光纖陀螺隨機誤差特性的的總方差特征，對Allan方差和總方差方法進行了比較仿真研究。結(jié)果表明，在長相關(guān)時間上，總方差的值和實際的冪律譜噪聲的行為特征是一致的，在平均因子較大的情況下，總方差能夠有效地提高方差估計的置信度，估計精度優(yōu)于Allan方差分析方法。
　　在光纖陀螺隨機誤差分析方面，文中進一步提出了一種基于＃1理論方差(1Theo)的光纖陀螺隨機誤差特性分析方法。在長相關(guān)時間的方差估計上，

3、#1理論方差具有兩個顯著的優(yōu)點：(1)在方差算子計算的平均時間上，#1理論方差估計的平均時間比Allan方差長50％；(2)相對于Allan方差等其他方差估計算子，#1理論方差具有更高的估計置信度。采用#1理論方差分析的方法，能夠從時域上更準(zhǔn)確地辨識出影響光纖陀螺性能的主要隨機誤差源的類型并估計出相應(yīng)的誤差系數(shù)。
　　在光纖陀螺的研究和應(yīng)用中，對光纖陀螺進行建模與仿真研究具有重要意義。本文根據(jù)光纖陀螺的物理模型建立了數(shù)字閉環(huán)光纖陀

4、螺的動態(tài)模型和隨機模型。通過合理的近似，非線性動態(tài)模型簡化為線性離散模型。設(shè)計了閉環(huán)數(shù)字控制算法，對光纖陀螺的動態(tài)響應(yīng)進行了仿真實驗。在隨機建模中與仿真中，文中引入了小波分析方法，采用Shannon小波變換和反白化濾波方法，建立了1/f噪聲的小波模型。運用不同的隨機過程來模擬各種隨機噪聲，采用1/f噪聲來模擬偏置不穩(wěn)定性，用白噪聲一次離散積分的方法來模擬速率隨機游走噪聲，用一階馬爾可夫過程或指數(shù)相關(guān)隨機序列來模擬指數(shù)相關(guān)噪聲。進行了隨機

5、仿真實驗，并用#1標(biāo)準(zhǔn)差分析的方法對隨機模型和仿真結(jié)果的有效性進行了驗證。結(jié)果表明，光纖陀螺的隨機漂移可以通過仿真的方法來模擬。文中提供了一個模擬光纖陀螺隨機漂移的方法，為光纖陀螺誤差分析、性能評估、濾波器設(shè)計等方面提供了一個參考途徑。
　　光纖陀螺的輸出信號是弱相關(guān)和非平穩(wěn)的，信號中包含的隨機噪聲具有分形特性，采用傳統(tǒng)的濾波方法無法有效地去除隨機噪聲。文中引入了小波濾波方法，在小波變換的Mallat金字塔算法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了正

6、交小波變換的等效FIR濾波算法，在此基礎(chǔ)上，提出了光纖陀螺輸出信號的實時小波濾波方法。
　　為了實時消除光纖陀螺的隨機噪聲，提高光纖陀螺的性能，文中給出了基于FPGA和DSP的數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺信號處理和實時濾波的實現(xiàn)方案。在模擬電路設(shè)計中，為了抑制A/D采樣前調(diào)制方波的尖峰效應(yīng)，增加了基于開關(guān)電路的時域梳狀模擬濾波器的電路實現(xiàn)方案。根據(jù)小波變換的特點，提出了把小波實時濾波融合于多抽樣率轉(zhuǎn)換中的信號處理方案，給出了多級抽取濾波器的設(shè)