光纤陀螺数字信号滤波及动态误差补偿研究

摘要

光纤陀螺是一种以 Sagnac效应为基本原理，用于测量载体运动角速度的惯性导航系统，其应用发展在近年来获得广泛关注。目前，国内外许多机构都致力于研究高精度的光纤陀螺，随着惯导系统的发展，其系统性能对光纤陀螺在动态条件下的输出信号提出了更高的要求。本文在干涉式光纤陀螺基本工作原理的研究基础上，分析光纤陀螺动态条件下的误差机理，通过一套实验室测试方法确定光纤陀螺系统存在的延迟时间，并对该延时误差进行补偿，针对数字部分的时序要求，对信号进行滤波处理。
　　本文首先阐述了数字闭环光纤陀螺基本工作原理，分析建立了干涉式光纤陀螺数字闭环控制系统的数学模型。由于摇摆运动是载体实际运行环境中的常见形式，所以本文从理论上分析了光纤陀螺进行摇摆运动时的误差因素，结合实验室方法对系统延时进行测试，通过对系统施加斜坡激励，分析得到信号延迟时间。对于数字信号处理频率的要求，说明了该延时会对输出造成一定的影响。其次，针对该延时进行相关补偿设计，分析了一阶锁相环路算法对该误差的补偿，由于该算法会受到摇摆幅度的限制，提出了基于频点的不等相移时延补偿算法，该算法可以在满足载体动态范围的同时对系统进行误差补偿。根据载体的实际运行环境，本文通过模拟不同的动态激励，对系统误差情况进行对比，经补偿后的系统误差降低，验证了该算法可以改善光纤陀螺的动态性能。最后，在数字信号处理部分对解调出的角速度信号进行滤波，而大部分数字滤波会产生较大的滞后，其阶数高低会导致滤波器时间延迟的大小。所以本文采用了不受滤波器阶数影响的分布式算法进行滤波，考虑到 FPGA内部资源的情况，编写 VHDL程序实现其功能，并进行Modelsim仿真验证。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 光纤陀螺信号滤波和动态误差研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 干涉式光纤陀螺工作原理

2.1 光路结构研究

2.2 光纤陀螺的调制与闭环控制技术

2.3 本章小结

第3章 光纤陀螺动态性能理论分析

3.1 光纤陀螺的摇摆运动分析

3.2 光纤陀螺物理结构和信号处理周期对其动态性能影响

3.3 本章小结

第4章 系统延时分析与动态误差补偿方案设计

4.1 系统延时分析

4.2 延时补偿研究

4.3动态误差补偿算法研究

4.4 动态误差补偿仿真研究

4.5 本章小结

第5章 光纤陀螺数字信号滤波设计

5.1 陀螺数字信号滤波研究

5.2 基于FPGA的数字信号滤波设计

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢