光纖陀螺的信號(hào)分析及濾波技術(shù)研究.pdf

1、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,簡(jiǎn)稱INS)已廣泛應(yīng)用于國(guó)防及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。隨著慣性技術(shù)的發(fā)展,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要是以新型光學(xué)陀螺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械陀螺,以捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)代替平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)。隨著光電技術(shù)的發(fā)展,在慣性系統(tǒng)中,光學(xué)傳感器成為新一代的慣性測(cè)量元件。尤其是光纖陀螺(Fiber optic Gyroscope,簡(jiǎn)稱FOG)憑借其體積小、重量輕、易維護(hù)和良好的性價(jià)比等優(yōu)勢(shì),成為中低精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的

2、首選慣性測(cè)量元件。
　　 導(dǎo)航系統(tǒng)的精度是其應(yīng)用的關(guān)鍵,如何在已有的硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上提高導(dǎo)航的精度是我國(guó)現(xiàn)有航天技術(shù)研究領(lǐng)域中急需解決且難度很大的研究課題之一。在從硬件角度提高精度的同時(shí),采用軟件方法可以降低系統(tǒng)成本,縮短研發(fā)周期,且更具備靈活性。通常的解決方法是采用濾波方法,即對(duì)測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)濾波,對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)濾波。由于光纖陀螺隨機(jī)噪聲具有一定的特殊性,采用傳統(tǒng)的濾波方法無(wú)法解決,因此,本課題的任務(wù)之

3、一就是采用新的非線性濾波方法對(duì)光纖陀螺的輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析和噪聲濾除以提高光纖陀螺的精度,進(jìn)而提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。
　　 在已有的光纖陀螺信號(hào)處理方法研究中,關(guān)于光纖陀螺儀信號(hào)分析及濾波技術(shù)的研究尚處初步探索階段。因此,論文是根據(jù)我國(guó)航天領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀提出和開(kāi)展的,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論研究?jī)r(jià)值。
　　 本研究課題以干涉型光纖陀螺儀(Interferometer Fiber Optical Gyrosco

4、pe,簡(jiǎn)稱IFOG)為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)光纖陀螺建模與仿真以及對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,在研究其噪聲特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合分形理論、小波分析、提升小波變換以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法來(lái)分析濾除包含有分形噪聲在內(nèi)的光纖陀螺隨機(jī)噪聲。本文結(jié)合航天科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“小波和分形理論在光纖陀螺隨機(jī)噪聲濾除中的應(yīng)用研究”主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方而的工作:
　　 1.光纖陀螺隨機(jī)噪聲特性分析及仿真建模研究
　　 在介紹光纖陀螺的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,分析了干

5、涉型光纖陀螺隨機(jī)噪聲組成及噪聲特性,建立了數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的動(dòng)態(tài)模型和隨機(jī)模型。針對(duì)不同精度等級(jí)的光纖陀螺進(jìn)行了噪聲對(duì)比分析,為后續(xù)的噪聲參數(shù)估計(jì)分析及噪聲濾除的研究工作奠定基礎(chǔ)。
　　 2.分形理論在光纖陀螺中參數(shù)估計(jì)的應(yīng)用研究
　　 針對(duì)中高精度光纖陀螺隨機(jī)噪聲中所包含的白噪聲以及分形噪聲,將小波分析與分形理論相結(jié)合,利用極大似然估計(jì)方法進(jìn)行噪聲參數(shù)估計(jì)。給出了小波變換域極大似然估計(jì)方法的推導(dǎo)、流程以及算法的檢驗(yàn)。該

6、噪聲參數(shù)估計(jì)方法有助于對(duì)FOG的性能評(píng)估,從理論上指導(dǎo)提高FOG的精度。通過(guò)對(duì)參數(shù)估計(jì)結(jié)果與實(shí)際光學(xué)陀螺的性能進(jìn)行比較,驗(yàn)證了這種方法的有效性。同時(shí),根據(jù)光纖陀螺的結(jié)構(gòu)組成,通過(guò)隨機(jī)噪聲參數(shù)從器件組成上給出了提高其精度的途徑。
　　 3.基于小波分析的光纖陀螺噪聲濾除方法研究
　　 簡(jiǎn)述小波變換基本理論的基礎(chǔ)上,討論了小波濾波方法的基本步驟。仿真驗(yàn)證了小波分解和重構(gòu)的Mallat算法、小波軟閾值濾波算法、不同閾值選取方法

7、的傳統(tǒng)小波濾波方法、以及利用傳統(tǒng)小波分析濾除光纖陀螺噪聲的方法。
　　 4.自適應(yīng)提升小波光纖陀螺隨機(jī)噪聲濾除方法研究
　　 為解決小波濾波方法的缺陷-去噪效果欠佳以及無(wú)法滿足信號(hào)多樣性需求,提出自適應(yīng)提升小波濾波方法。首先簡(jiǎn)述了提升小波變換方法基礎(chǔ)理論,在小波濾波策略的基礎(chǔ)上,從自適應(yīng)提升方法中的預(yù)測(cè)算法和更新算法出發(fā),提出Harr小波基及DB4小波基自適應(yīng)提升小波濾波方法,并應(yīng)用于光纖陀螺噪聲濾除。該方法通過(guò)與傳統(tǒng)小