闭环光纤陀螺信号处理系统研究

论文摘要

光纤陀螺是基于萨格奈克效应而发展起来的一种新型角速率传感器。由于其具有动态范围大、灵敏度高、可靠性高、寿命长、易集成等优点,自诞生以来就受到了世界各国的重视,发展至今,已在军事和民用领域获得了广泛的应用,具有很广阔的发展前景。目前,光纤陀螺已成为惯性器件领域的研究热点。本文首先详细介绍了光纤陀螺的国内外发展动态及现阶段应用情况,系统地阐述了光纤陀螺的原理和基本组成,深入分析了影响光纤陀螺性能的主要因素。为下一步开展光纤陀螺的研究奠定了理论基础。然后,通过对相位检测和相位调制技术的研究,确定了全数字处理技术的闭环陀螺检测方案。采用数字解调技术进行信号检测,采用数字相位阶梯波和方波偏置进行反馈控制,采用数字滤波方案降低噪声。详细分析了影响光纤陀螺性能的各种噪声,并提出初步解决方法。在此基础上,对常规LMS自适应滤波算法进行了改进,提出了变步长LMS自适应算法。实验表明变步长LMS算法收敛速度更快,稳定性和实时性都具有优越性,滤波精度有所提高,且更易于工程实现。最后,详细描述了数字闭环光纤陀螺信号处理系统模拟部分和数字部分的设计实现。模拟电路部分详细介绍了各个部分的设计思想,包括：前置放大电路、A/D转换电路、信号处理电路和D/A转换电路的设计。数字电路部分,采用FPGA独立完成全部数字信号处理功能,除详细介绍数字系统的整体设计思想外,还具体介绍了各个单元的实现,包括：时序控制、输出滤波、数字解调、调制信号发生、串行通信等部分。并且,进行了系统测试和分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 光纤陀螺的分类
• 1.3 光纤陀螺的发展及应用
• 1.3.1 光纤陀螺的发展现状
• 1.3.2 光纤陀螺的应用现状
• 1.4 课题的研究内容
• 第2章 干涉式光纤陀螺的基本原理
• 2.1 萨格奈克效应
• 2.1.1 真空中萨格奈克效应
• 2.1.2 介质中萨格奈克效应
• 2.2 光纤陀螺的互易性结构
• 2.2.1 分束器的互易性
• 2.2.2 单模互易性
• 2.2.3 偏振互易性
• 2.2.4 最小互易性光路结构
• 2.3 干涉式光纤陀螺的工作原理
• 2.3.1 干涉式光纤陀螺的基本输出
• 2.3.2 萨格奈克相移的检测方法
• 2.4 光纤陀螺的主要性能指标
• 2.5 本章小结
• 第3章 闭环光纤陀螺信号处理方案和误差分析
• 3.1 光纤陀螺的闭环检测方案
• 3.1.1 模拟闭环检测方案
• 3.1.2 全数字闭环检测方案
• 3.2 闭环光纤陀螺总体设计方案
• 3.3 光纤陀螺误差分析
• 3.3.1 光路噪声及其抑制方法
• 3.3.2 电路噪声及其抑制方法
• 3.4 光纤陀螺输出信号滤波方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 闭环光纤陀螺信号处理系统的实现
• 4.1 前置放大电路设计
• 4.2 A/D转换电路设计
• 4.3 信号处理器选取
• 4.4 D/A转换电路设计
• 4.5 系统软件设计
• 4.5.1 FPGA总体结构
• 4.5.2 时序控制单元设计
• 4.5.3 数字解调单元设计
• 4.5.4 阶梯波和方波生成单元设计
• 4.5.5 串行UART单元设计
• 4.6 输出滤波单元设计
• 4.6.1 LMS自适应滤波算法
• 4.6.2 变步长LMS自适应滤波算法
• 4.6.3 输出滤波器的实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 系统测试和分析
• 5.1 系统测试
• 5.1.1 灵敏度和零偏测试
• 5.1.2 标度因数测试
• 5.1.3 动态测试
• 5.2 相关检测
• 5.3 输出信号的尖峰问题
• 5.4 2π复位不准确的影响
• 5.5 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