激光陀螺测角仪误差理论与实验研究

论文摘要

激光陀螺与传统的机电陀螺相比具有高灵敏度、高精度、大动态范围的特点,是惯性系统的理想角速度传感器。基于激光陀螺的动态测角仪系统能够将它的这些优异特性在角度测量的过程当中得以充分的发挥。论文从激光陀螺测角仪的结构出发,对其误差的来源及减小方法展开了研究,旨在从减小最主要误差因素的影响着手,确实提高测角仪的角度测量精度。首先,对激光陀螺动态测角仪系统的各个部分及其工作原理展开介绍。分析了双光束干涉型指零仪的结构,从数学上对干涉光强及光电探测器所响应的电信号表达式进行了推导,得到了作为角度边界标志的零位脉冲,这是动态角度测量的基础。其次,根据其结构详细分析了激光陀螺测角仪系统误差的主要来源,包括激光陀螺的误差、指零仪的误差、量化误差、机械安装误差等,并分别估计了各因素引入误差的大小。结果表明,量化误差对目前动态测角仪系统的误差贡献最大,要进一步提高测角精度应该从减小量化误差着手。接着,总结分析了减小量化误差的几种方法与实现途径。具体阐述了信号细分法和脉冲细分法的含义及相应的FPGA开发流程和陀螺计数模块的设计,并利用LabVIEW完成了对上位机采集程序的编写。最后,由零位脉冲的重复性和动态响应能力实验确定测角仪工作时的最佳转速,并据此设计了一系列的测角实验,包括基于信号细分法的4倍频、8倍频、16倍频信号测角实验,基于脉冲细分法的陀螺原始脉冲信号及4倍频、8倍频、16倍频信号的测角实验。通过对实验数据的分析表明,信号细分与脉冲细分法能够有效地减小量化误差,系统精度达到0.08″,达到了预期的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 角度测量技术及发展现状
• 1.1.1 角度测量技术的分类
• 1.1.2 激光陀螺测角国内外研究发展现状
• 1.2 激光陀螺的原理
• 1.2.1 Sagnac 效应
• 1.2.2 激光陀螺的工作原理
• 1.2.3 闭锁效应
• 1.2.4 激光陀螺的特点
• 1.3 论文主要工作
• 第二章 激光陀螺测角仪系统与测角原理
• 2.1 激光陀螺测角仪系统的构成
• 2.1.1 双光束干涉指零仪
• 2.1.2 陀螺及控制系统
• 2.1.3 转动平台及控制系统
• 2.1.4 测角信号的处理与数据采集系统
• 2.2 激光陀螺测角仪的工作原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 测角误差来源及评价
• 3.1 误差理论简介
• 3.1.1 误差公理及有关概念
• 3.1.2 误差的来源及分类
• 3.2 影响本测角方法准确度的误差源分析
• 3.2.1 激光陀螺的影响
• 3.2.2 指零仪的影响
• 3.2.3 量化误差
• 3.2.4 平面镜的制造误差
• 3.2.5 仪器的安装误差
• 3.2.6 振动及转速不稳的影响
• 3.2.7 测角误差的合成
• 3.3 本章小结
• 第四章 测角仪量化误差的减小方法
• 4.1 现场可编程门阵列
• 4.1.1 FPGA 简介
• 4.1.2 FPGA 开发软件介绍
• 4.2 信号倍频的方法
• 4.2.1 直接倍频法
• 4.2.2 信号细分法
• 4.3 脉冲细分的方法
• 4.4 脉冲计数的FPGA 实现过程
• 4.4.1 数据处理流程
• 4.4.2 FPGA 计数模块
• 4.5 数据采集程序
• 4.6 本章小结
• 第五章 测角实验及结果分析
• 5.1 实验仪器简介
• 5.2 动态回零实验
• 5.3 动态响应能力实验
• 5.4 实验概述
• 5.5 陀螺原始脉冲测角实验
• 5.6 测试台四倍频非整周测角实验
• 5.7 信号细分非整周角测角实验
• 5.8 脉冲细分法非整周测角实验
• 5.8.1 陀螺原始方波脉冲的细分实验
• 5.8.2 四倍频鉴相方波脉冲细分实验
• 5.8.3 八倍频鉴相方波脉冲细分实验
• 5.8.4 十六倍频鉴相方波脉冲细分实验
• 5.9 实验结果的对比与结论
• 5.10 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文主要工作总结
• 6.2 论文的后续工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 陀螺坐标系到地心坐标系的变换
• 附录B 动态回零实验数据
• 附录C 零位脉冲动态响应能力实验数据