机械抖动激光陀螺抖动剥除技术研究

论文摘要

在机械抖动激光陀螺的输出信号中不仅包含了外界输入角速率信息,还包含了抖动信号的角速率信息,因此必须对输出进行解调以消除抖动角速率信息。目前机械抖动激光陀螺的解调方法主要有整周期解调法和高速采样滤波法,本文研究了一种新的解调方法,即抖动剥除技术。首先,分析了激光陀螺输出脉冲信号和抖动传感器反馈电压信号的特点,以及脉冲差值数和电压差值数的特点。通过仿真发现对电压差值数进行移相和幅度调整能对应脉冲差值数中的抖动成分,从而提出抖动剥除设计思路。在具体实现过程中会面临两个问题:一是对电压差值数的相位和幅度需要调整多少,二是如何进行调整。针对这两个问题,提出了三种求解相位差和幅度比的方法,并分别对其进行了仿真计算。通过比较发现,数字相关法对相位差和幅度比的求解不仅精度高,而且有一定的抑噪能力。同时提出了两种移相方法,从仿真结果看,两种方法都能使电压差值数和脉冲差值数中的抖动分量相位基本对齐。接着,设计了抖动剥除系统。硬件部分主要包括对陀螺输出的两路相位差为90o的方波信号进行四倍频鉴相计数、基于DSP和AD976A设计了对抖动反馈电压的数字采集,以及DSP和计算机之间的串口通信电路。软件部分包括与硬件相对应的DSP程序,以及基于LabVIEW设计了数据接收、相关法求解相位差和幅度、移相、以及抖动剥除计算等程序。通过实验验证,基于DSP的各部分电路工作正常、性能稳定。经过数学运算移相法抖动剥除后,输出脉冲差值数中的抖动成分衰减了约99% ,可直接应用于实时角速率测量。FIR带通滤波法对采样电压差值数进行移相抖动剥除后,输出脉冲差值数中的抖动成分衰减了约98%,再经过15阶FIR低通滤波能取得比较好的测量结果。在常温静态条件下,对陀螺进行零偏稳定性测试,发现抖动剥除加15阶FIR低通滤波测得的零偏值一秒均方差和百秒均方差值均优于直接30阶FIR低通滤波。实验结果说明通过抖动剥除,可以剥除陀螺输出信号中大部分抖动成分,降低了滤波阶数,减小了解调系统延迟时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光陀螺的工作原理与抖动偏频
• 1.1.1 激光陀螺的工作原理
• 1.1.2 闭锁效应与机械抖动偏频
• 1.2 陀螺输出信号常用解调方法
• 1.2.1 整周期计数法
• 1.2.2 高速采样滤波法
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 抖动剥除原理和系统设计
• 2.1 输出脉冲数和抖动反馈电压特点分析
• 2.1.1 输出脉冲数和采样电压分析
• 2.1.2 脉冲数差值和采样电压差值分析
• 2.2 抖动剥除仿真
• 2.2.1 在抖动驱动中不添加随机噪声时抖动剥除仿真
• 2.2.2 在抖动驱动中添加随机噪声时抖动剥除仿真
• 2.2.3 相位差和幅度比测量误差对抖动剥除精度的影响
• 2.3 抖动剥除系统实现框图
• 2.4 本章小结
• 第三章 电压差值数对应脉冲差值数中的抖动分量
• 3.1 相位差和幅度的测量方法
• 3.1.1 正弦波拟合法
• 3.1.2 基于离散付里叶变换法
• 3.1.3 数字相关法
• 3.2 三种测量方法比较与分析
• 3.3 对电压差值数进行移相
• 3.3.1 采用数学运算移相
• 3.3.2 采用FIR带通滤波移相
• 3.4 本章小结
• 第四章 抖动剥除系统设计
• 4.1 抖动剥除系统硬件设计
• 4.1.1 DSP芯片简介
• 4.1.2 激光陀螺输出信号鉴相计数电路
• 4.1.3 抖动反馈电压数字采集电路
• 4.1.4 DSP与计算机通信电路
• 4.2 DSP程序设计
• 4.2.1 DSP主程序设计
• 4.2.2 DSP中断程序设计
• 4.3 LabVIEW程序设计
• 4.3.1 LabVIEW简介
• 4.3.2 LabVIEW接收DSP发送数据测试
• 4.3.3 LabVIEW抖动剥除相关数据处理
• 4.4 本章小结
• 第五章 抖动剥除实验测试与分析
• 5.1 数据同步采集测试
• 5.1.1 基于DSP的同步数据采集
• 5.1.2 LabVIEW接收DSP发送数据测试
• 5.2 抖动剥除测试与分析
• 5.2.1 采用数学运算移相抖动剥除测试
• 5.2.2 采用数学运算移相抖动剥除分析
• 5.2.3 采用FIR带通移相抖动剥除测试与分析
• 5.2.4 机械抖动激光陀螺漂移稳定性测试
• 5.2.5 机械抖动激光陀螺高低温测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献表
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录I 基于DSP的电路设计原理图