激光自准直中的数字滤波技术研究

论文摘要

利用激光光束直线基准进行自准直角度测量具有测量精度高、测量距离远等优点。在实际应用中,激光光束用于高精度自准直小角度测量时,却由于光束的漂移使角度测量的精度及稳定性难以进一步提高。因此,抑制激光光束漂移,改善其方向稳定性是激光自准直小角度测量中亟待解决的问题。本文在激光自准直光束漂移量靶标反馈控制技术的基础上,提高光束漂移量检测电路的探测精度,对漂移量信号频谱进行分析,从信号噪声扰动抑制与衰减的角度,对反馈系统中的数字滤波技术进行研究,研制基于FPGA和DSP的漂移量信号采集、处理及控制电路,对光束的漂移量进行实时处理。具体内容包括:(1)根据课题的要求改进光电检测电路,提高漂移量检测的信噪比;研制基于FPGA和DSP的光束漂移信号采集及处理电路板,实现光束漂移信号的同步采集、滤波及PID运算并输出;(2)讨论激光自准直测量中光束漂移的影响程度,对采集的光束漂移信号进行频谱分析,确定漂移信号及噪声的频谱分布,为滤波器的设计提供依据;(3)针对采集的光束漂移信号中的特定频率干扰,选择数字陷波器对其进行滤波。比较不同方法设计的IIR陷波器的性能,讨论了滤波器系数量化效应的影响,根据系统特定频率噪声的具体数值,给出滤波器的系数并进行实验仿真;(4)针对漂移信号中的随机噪声干扰,采用时间序列分析对光束漂移信号建模,利用所建立的模型设计Kalman滤波器滤除测量中的随机噪声。通过在线辨识ARMA模型参数判断测量中是否出现粗值点并予以剔除,引入强跟踪滤波算法改善Kalman滤波器对突变信号的跟踪能力,提高滤波精度;(5)对漂移量检测系统的分辨力进行测试,比较加入滤波器前后光束漂移量探测分辨力的变化。实验表明,采用本文的滤波器后光束漂移量检测的分辨力由之前的0.016″提高到0.0050″,说明本课题采用的数字滤波技术能很好地降低漂移量反馈信号的噪声,提高光束漂移量探测的分辨力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外自准直测量技术的研究现状
• 1.2.1 国外自准直技术发展现状
• 1.2.2 国内自准直技术发展现状
• 1.3 激光自准直测量中的主要技术问题
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 激光自准直光束漂移量反馈系统
• 2.1 引言
• 2.2 漂移量反馈系统的组成
• 2.2.1 测量系统的组成及工作原理
• 2.2.2 光束漂移量检测系统设计
• 2.2.3 基于FPGA 和DSP 的信号采集处理电路设计
• 2.3 激光自准直测量中光束漂移的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 光束漂移信号的IIR 数字陷波器设计
• 3.1 引言
• 3.2 光束漂移信号频谱分析
• 3.3 反馈系统中滤波器的选择
• 3.3.1 滤波器类型的选择
• 3.3.2 滤波器实现方式的选择
• 3.4 二阶IIR 数字陷波器的设计
• 3.4.1 零极点法IIR 数字陷波器设计
• 3.4.2 基于全通网络的IIR 数字陷波器设计
• 3.5 滤波器系数的量化及敏感度分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 光束漂移时间序列分析的Kalman 滤波器设计
• 4.1 引言
• 4.2 光束随机漂移时间序列分析建模
• 4.2.1 时间序列分析的理论模型
• 4.2.2 光束随机漂移数据的统计分析及预处理
• 4.2.3 光束随机漂移模型参数估计及适用性检验
• 4.3 Kalman 滤波在滤除光束漂移信号随机噪声中的应用
• 4.3.1 Kalman 滤波在滤除光束漂移随机噪声中的应用
• 4.3.2 抗粗值Kalman 滤波算法
• 4.3.3 强跟踪Kalman 滤波算法
• 4.4 Kalman 滤波器对PID 控制器性能的改进
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验及数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 IIR 陷波器性能测试
• 5.3 Kalman 滤波器对随机噪声的滤除效果测试
• 5.4 反馈系统的分辨力测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢