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(cè)量元件，研究與開發(fā)光纖陀螺具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)光纖陀螺的隨機(jī)誤差分析、建模與仿真、光纖陀螺信號(hào)的濾波等關(guān)鍵問題進(jìn)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(zhǎng)相關(guān)時(shí)間上存在估計(jì)誤差較大的問題，根據(jù)光纖陀螺隨機(jī)誤差源的頻率特性，提出了采用總方差來代替Allan方差對(duì)光纖陀螺的

2、隨機(jī)誤差特性進(jìn)行分析的新方法。分析了光纖陀螺隨機(jī)誤差特性的的總方差特征，對(duì)Allan方差和總方差方法進(jìn)行了比較仿真研究。結(jié)果表明，在長(zhǎng)相關(guān)時(shí)間上，總方差的值和實(shí)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(jì)的置信度，估計(jì)精度優(yōu)于Allan方差分析方法。
　　在光纖陀螺隨機(jī)誤差分析方面，文中進(jìn)一步提出了一種基于＃1理論方差(1Theo)的光纖陀螺隨機(jī)誤差特性分析方法。在長(zhǎng)相關(guān)時(shí)間的方差估計(jì)上，

3、#1理論方差具有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：(1)在方差算子計(jì)算的平均時(shí)間上，#1理論方差估計(jì)的平均時(shí)間比Allan方差長(zhǎng)50％；(2)相對(duì)于Allan方差等其他方差估計(jì)算子，#1理論方差具有更高的估計(jì)置信度。采用#1理論方差分析的方法，能夠從時(shí)域上更準(zhǔn)確地辨識(shí)出影響光纖陀螺性能的主要隨機(jī)誤差源的類型并估計(jì)出相應(yīng)的誤差系數(shù)。
　　在光纖陀螺的研究和應(yīng)用中，對(duì)光纖陀螺進(jìn)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(dòng)態(tài)模型和隨機(jī)模型。通過合理的近似，非線性動(dòng)態(tài)模型簡(jiǎn)化為線性離散模型。設(shè)計(jì)了閉環(huán)數(shù)字控制算法，對(duì)光纖陀螺的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。在隨機(jī)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(yùn)用不同的隨機(jī)過程來模擬各種隨機(jī)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(jī)游走噪聲，用一階馬爾可夫過程或指數(shù)相關(guān)隨機(jī)序列來模擬指數(shù)相關(guān)噪聲。進(jìn)行了隨機(jī)

5、仿真實(shí)驗(yàn)，并用#1標(biāo)準(zhǔn)差分析的方法對(duì)隨機(jī)模型和仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，光纖陀螺的隨機(jī)漂移可以通過仿真的方法來模擬。文中提供了一個(gè)模擬光纖陀螺隨機(jī)漂移的方法，為光纖陀螺誤差分析、性能評(píng)估、濾波器設(shè)計(jì)等方面提供了一個(gè)參考途徑。
　　光纖陀螺的輸出信號(hào)是弱相關(guān)和非平穩(wěn)的，信號(hào)中包含的隨機(jī)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(jī)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(hào)的實(shí)時(shí)小波濾波方法。
　　為了實(shí)時(shí)消除光纖陀螺的隨機(jī)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(hào)處理和實(shí)時(shí)濾波的實(shí)現(xiàn)方案。在模擬電路設(shè)計(jì)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(shí)域梳狀模擬濾波器的電路實(shí)現(xiàn)方案。根據(jù)小波變換的特點(diǎn)，提出了把小波實(shí)時(shí)濾波融合于多抽樣率轉(zhuǎn)換中的信號(hào)處理方案，給出了多級(jí)抽取濾波器的設(shè)