光纤陀螺信号误差分析与滤波算法的研究
第20卷 第4期2007年4月
传感技术学报
CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORS
Vol.20 No.4Ap r.2007
R esearch on Signal Analysis and Processing of FOG
J I W ei
3
,L I Qi
1.S chool of Elect rical and I nf ormation Engineering ,J iangsu Universit y ,Zhenj iang 212013,China;
2.Depart ment of A utomation Cont rol ,S out heast Universit y ,N anj ing 210096,Chi na
Abstract :The properties of t he fiber optic gyro (FO G )random drift are detected wit h t he Allan variance met hod.The sources of some kinds of noise and it s p roperties are analyzed and calculated.According to t he characteristics of t he gyro stabilization platform system ,t he moving filter and t he t hreshold 2value filter based on wavelet transform are used to de 2noise t he signal.The result of testing and statistic analyzing for FO G signal indicates t hat t he Allan variance means is successf ul in separating t he main random error source of signal noise and t he advantages of t he wavelet t hreshold 2value filter is verified.
K ey w ords :fiber optic gyro ;Allan variance ;power spect rum density (PSD );moving filter ;wavelet t hreshold 2value filter EEACC :7230E;7630
光纤陀螺信号误差分析与滤波算法的研究
姬 伟3,李 奇
(1.江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212013;2.东南大学自控系,南京210096)
收稿日期:2006206211 修改日期:2006207220
摘 要:针对光纤陀螺信号漂移误差和噪声的影响,采用Allan 方差法对光纤陀螺的各项随机误差成分进行了分离和计算.
然后结合陀螺稳定平台系统研究了滑动滤波、小波变换阈值滤波两种直接对陀螺输出信号进行数字滤波处理的方案.最后对某陀螺惯性稳定跟踪转台中使用的光纤陀螺信号的测试和统计分析结果表明,采用Allan 方差法能够有效地分离和辨识陀螺零漂信号中的各项噪声源随机误差系数和误差大小,采用的小波变换阈值滤波的去噪效果明显.
关键词:光纤陀螺;Allan 方差;功率谱密度;滑动滤波;小波变换阈值滤波中图分类号:V 241;TP212.1
文献标识码:A 文章编号:100421699(2007)0420847206
基于Sagnac 效应的光纤陀螺(FO G )采用低损耗
单模光纤,绕制的光纤增长了激光束的检测光路,克服了激光陀螺仪的闭锁问题,使检测灵敏度和分辨率提高了几个数量级.由于没有运动的机械部件,体积小、重量轻而且起动快、寿命长,已经成为新一代惯性导航的核心部件[122].然而由于光纤中Rayleigh 散射将引起背向散射,环境的变化(如振动、磁场等)导致信号中存在噪声和漂移等不确定因素;由温度变化引起的各元器件和整机的零点漂移均不是正态分布的平稳随机序列,含有缓慢变化的趋势;陀螺的偏置技术中引起较为严重的标度因数不稳定[223].
为了减少随机噪声、不稳定和偏置对测量精度的影响,除了在硬件结构上采用单模互易结构,相位
零化反馈闭环结构等[223].更重要的是必须采用有效的信号处理方法来抑制随机漂移.目前对陀螺信号进行处理主要有两类方法:①对陀螺信号的随机漂移建模,依据模型进行补偿[4];②直接对陀螺输出进行滤波,通过信号消噪来达到对陀螺漂移的抑制[526].在实际情况下,陀螺的随机漂移往往是弱非线性、非平稳、慢时变的,必须在线实时拟合模型、辨识参数才能达到补偿效果,这在实时系统中难于实现.在对输出信号进行补偿时采用直接滤波,通过对信号的消噪来达到对陀螺漂移的抑制是可行的.本文在引入Allan 方差法对光纤陀螺信号的多个误差成分进行分离的基础上,采用滑动滤波、小波变换阈值滤波两种直接对陀螺输出信号滤波处理的方法.
最后对某陀螺惯性稳定跟踪转台中使用的光纤陀螺信号进行了测试和统计分析比较.
1 光纤陀螺信号分析
由于光纤陀螺随机漂移中包含不同的噪声分量,因此分析和分离各种不同分量的特性及其产生根源,是采用有效的信号处理方法的前提.
1.1 陀螺信号的数学模型
静基座上,陀螺的测量轴位于水平面内,光纤陀螺的信号输出表示为
ω(t)=ω
N co s K+ε(t)(1)其中,ω(t)为陀螺输出的角速度信号;ωN=ωe co sφ为地球自转角速度ωe的北向分量,φ为地理纬度;K 为陀螺测量轴与地理北向之间的夹角;ε(t)为陀螺漂移.
光纤陀螺信号主要由常值分量、周期分量和白噪声组成:ε(t)=εd+Ωd sin(2πf d+θ0)+W(t).其中,εd为零偏,短时间内它可以视为一个常数;Ωd为周期分量的幅值;f d为周期分量的频率;θ0为初相位;W(t)为零均值高斯白噪声[526].
1.2 陀螺信号噪声的Allan方差时域分析
Allan方差法是由美国国家标准局的David Allan 为研究振荡稳定性建立起来的一种基于时域的分析方法[728].其突出特点是能够容易地对各种类型误差源和整个噪声统计特性进行细致的表征与辨识,确定产生数据噪声的基本随机过程的特性.同时,分析识别给定噪声项的来源和误差项对总误差的贡献.
1.2.1 Allan方差法基本原理[7]
设陀螺信号的采样周期为T S,共采集了N个点,将整个采样数据分成I个组,每个组有L个采样点,1ΦLΦN/2,有I=N/L,则每一组的平均角速度值为
ω
j (L)=
1
L
∑L
i=1
ω
i+(j-1)L j=1,2,…,I(2)
每一组的相关时间τ=L?T S.
Allan方差定义为
σ2(τ)=1
2
<(ωj+1(L)-ωj(L))2>
1
2(I-1)∑
I-1
j=1
(ωj+1(L)-ωj(L))2(3)
式中:<>表示总体平均.
Allan方差的估计精度随着组数I的增加而提高,通过选取不同的组数长度,就可以得到相应的Allan方差.Allan方差与采样数据组中噪声项的双边功率谱密度(PSD)SΩ(f)的关系为:
σ2(τ)=4∫∞0SΩ(f)sin4(πfτ)
(πfτ)2
d f(4)
通过一个传递函数为sin4x/x2的滤波器时, Allan方差与陀螺速率输出的噪声总能量成正比.滤波器的带通取决于τ,即不同类型的随机过程可通过调节滤波器带通来检验,因此,采用Allan方差法就可以辨别并量化数据中存在的不同噪声项.
1.2.2 光纤陀螺噪声误差分析
光纤陀螺中随机误差主要包括:量化噪声、角度随机游走、零偏不稳定、角速度随机游走和速率斜坡等[7,9].
(1)量化噪声
用光纤陀螺进行角速度测量时,由于信号是在固定的时间间隔内进行量测的,而陀螺在惯性空间中的旋转角不是整量化步长的整数倍,其信号的幅值随时间进行整量化,便出现了量化误差,量化噪声代表了光纤陀螺的最小分辨率.设量化噪声系数为Q,其角功率谱密度为
sθ(f)=τQ2
sin2(πfτ)
(πfτ)2
≈τQ2,f<1/2τ(5)式中:Q的理论极限为s/12,s为陀螺标度因数.由上式可得角速率PSD为
sΩ(f)=
4Q2
τsin
2(πfτ)≈(2πf)2τQ2,f<1
2τ
(6)将式(6)代入式(4)积分可得量化噪声的Allan方差
σ2
quant
(τ)=3Q
2
τ2
(7)
由于量化噪声的相关时间短,噪声频带较宽,可以在系统中采用滤波器滤掉.
(2)角度随机游走
光纤陀螺角随机游走误差是由于光子的自发辐射发散引起的,主要来源于光源、光电探测器的散粒噪声以及电子器件的热噪声[9].它是宽带随机白噪声积分引起的误差角增量具有随机游动特性的结果,角度随机游走噪声的典型带宽小于10Hz,处于大多数姿态控制系统的带宽范围内,是影响系统精度的主要误差.其PSD为
sΩ(f)=N2A(8)其中,N A为角度随机游走系数,将式(8)代入式(4)积分可得角度随机游走噪声的Allan方差为
σ2
ARW
(τ)=N
2
A
τ(9)
(3)零偏不稳定
零偏不稳定噪声来源于电子电路组件噪声以及
可能产生随机闪烁的部件.这种误差表现为角速率
输出数据中的低频零偏差抖动,设其零偏不稳定系
数为B,其PSD表示为
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sΩ(f)=
B2
2π
1
f
fΦf0
0 f>f0
(10)
其中f0为截止频率,代入式(4)可得Allan方差为
σ2
BiasInst (τ)=2B
2
π
ln2-
sin3(πf0τ)
2(πf0τ)2
(sin(πf0τ)+4πf0τcos(πf0τ))+C i(2πf0τ)-C i(4πf0τ)=2B
2
πln2(11)
其中:C i为余弦积分函数.
(4)角速率随机游走
角速率随机游走是对宽带角加速率信号的功率谱密度积分的结果,这是一个不明原因的随机过程,可能是指数相关噪声具有长相关时间的极限情况.这种噪声的PSD表示为
sΩ(f)=K R
2π
21
f2
(12)
其中:K R为角速率随机游走系数.将式(12)代入式(4)积分可得角速率随机游走的Allan方差为
σ2
RRW (τ)=K
2
Rτ
3
(13)
(5)速率斜坡
这种误差本质上是一种确定性误差,而不是随机噪声.它表明了光纤陀螺有一个长时间的非常缓慢的运动,可能是由于在同一方向上以非常小的加速度持续很长一段时间间隔引起的,表现为陀螺有一个真实的角速度输入
ω(t)=R?t(14)其中:R是速率斜坡系数,相应的Allan方差为
σ2
RR (τ)=R
2τ2
2
(15)
1.2.3 提取噪声误差系数
工程实践中假设光纤陀螺各噪声源是独立统计的,则Allan方差可以表示成各类型误差的平方和.即
σ2 total=σ2quant+σ2ARW+σ2BiasInst+σ2
RRW
+σ2RR=
3Q2
τ2+
N2A
τ+
2B2
πln2+
K2Rτ
3
+
R2τ2
2
(16)
则Allan标准差模型可表示为
σ
total (τ)=σ2total≈∑
2
n=-2
A nτn/2(17)
对于不同的积分时间τ,根据陀螺输出数据求得Allan方差,利用上式进行最小二乘法拟合,可以求得标准差多项式各个系数A n,从而分别求出各个误差项系数.
量化噪声系数:Q=A-2/3
角度随机游走系数:N A=A-1
零偏不稳定系数:B=1.505A0
角速率随机游走系数:K R=3A1速率斜坡系数:R=2A2(18)
上式为不考虑变量之间单位换算时的表达形式.
2 信号数字滤波算法
实验测试中发现:陀螺输出信号的不稳定及噪声污染对系统精度造成严重的影响,测量信号中混杂了
各种干扰信号,其采样值不稳定,无法达到10bit的
精度;信号中存在偶然的突发值或奇异值,即“野值”;
存在漂移和调零偏差;同时,数据采集也引入了高频
干扰,控制系统在复现低频输入信号的同时,在系统
带宽范围内的扰动信号也进入系统,直接影响系统过
渡过程和稳定精度.因此,为了有效地提取有用信号,
保证系统的控制性能,采用滑动滤波和小波阈值滤波
分别对陀螺信号进行滤波去噪处理.
2.1 滑动滤波用于陀螺信号处理
滑动滤波是由一阶低通滤波推广而来,其原理是把采样数据队列的长度固定为N s,每进行一次新
的采样,将本次采样值和以前的N s21次采样值一起
加权得到当前的有效采样值[10].这种滚动丢弃的方
法大大增加了数据处理的速度.其滤波结果的产生
速度与采样速度相同,实时性大大优于其它常用的
平均滤波、中值滤波算法.
滑动滤波公式表示为:
S(k)=αS(k-1)+βω(k)(19)其中:ω(k)为本次陀螺信号采样值;S(k-1)为上
次的滤波输出值;S(k)为本次滤波的输出值;α、β
为滤波系数,0<α<1,0<β<1.
把S(k)按递推公式展开,可得:
S(k)=β{ω(k)+αω(k+1)+…+αkω(0)}(20)可见,α越大,过去的输入对于S(k)的影响衰减得越慢;α越小,过去的输入对于S(k)的影响衰
减得越快.
通常输入信号都是有界的,因此假设|ω(i)|ΦM, 0ΦiΦk,由式(20)得
|S(k)|ΦβM{1+α+……+αk}=
βM
1-α
(21)
可以得到:①滤波过程是收敛的;②为了保证闭环放大系数小于1,应取β/(1-α)Φ1,使S(k)Φ
M.特殊地,当α+β=1时,S(k)有可能等于M,这
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第4期姬 伟,李 奇:光纤陀螺信号误差分析与滤波算法的研究
时的放大系数为1.
通过观察不同N s 值下滑动滤波的输出响应来选
取N s 值,以便既少占用时间,又能达到最好的滤波效果.根据系统采样周期大小以及实时性要求,本系统
选择采样队列长度为N s =5,滤波系数α、
β的选取要根据实际应用中信号的特点分别选择,在陀螺零漂信号测试实验中,由于输出为随机信号,α取得较小,α=0.2;在陀螺信号滤波实验中,α取得较大,α
=0.6.β的选取在满足α+β=1条件下,略小一点.2.2 小波变换滤波用于陀螺信号处理
小波分析(Wavelet Analysis )是80年代后期发
展起来的一个新的数学分支,被认为是继Fourier 分析之后纯粹数学和应用数学完美结合的又一光辉典范.它是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法,具有对信号的自适应性,被誉为
“数学显微镜”[11]
.
小波分析优良的多分辨率分析特性特别适用于非平稳时变信号的分析和处理.它能够根据信号和噪声在小波域具有不同的特征表现,将有效信号和噪声分离开来,具有良好的消噪效果.小波变换去噪方法主要有:基于模极大值的小波滤波、小波变换域内系数相关性滤波、小波阈值滤波[6,12].在对含噪声的信号进行滤波时,大多利用先验知识在最小均方意义下对信号进行估计.小波阈值滤波方法无需先验知识,算法实现简单,且在Besov 空间上可以得到最佳估计值.
小波多分辨率分析过程如图1所示:
图1 四层多分辨分析树结构图
在图1中,多分辨分析只对低频部分进行进一步
分解,而对高频部分则不予以考虑,分解具有关系:S =CA4+CD4+CD3+CD2+CD1,噪声信号通常表现为高频信号,因此,采用门限阈值等形式的小波函数进行处理.利用小波滤波来去除噪声的原理为:通过对原始信号进行小波分解,将其分解成一系列不同频率下的细节(detail )
和逼近(approximation ),由于噪声一般是信号的高频部分,即细节部分,通过减少细节中的变化,就能够去除噪声.采用小波阈值滤波对陀螺输出数据信号进行处理的步骤如下:
①对信号进行小波分解选择一个合适的小波
并确定小波分解层次N w ,然后对信号进行N w 层小波分解变换,得到不同尺度下的小波变换系数.综合
考虑滤波效果和运行时间,本文选用Daubechies4小波对信号进行N w =4尺度分解.
②小波分解高频系数的阈值量化处理选择适当的阈值对从1到4的每一层高频系数进行量化处理.利用Stein 的无偏似然估计原理对分解的每层高频细节信号进行噪声的方差估计,然后再对各层细节信号进行软阈值去噪,处理后小波分解系数表达式为:
η=sgn (γ
)3(|γ|-t m ) |γ|Εt m 0|γ| 其中: γ为小波系数,阈值t m 采用t m =σ2lg N w 形式,这里σ为噪声的标准差,σ=Median (|γj (k )|)/0.6745,Median 为取中值运算[13],j 为小波分解尺度. ③信号的小波重构根据小波分解的第4层的低频系数和经过量化处理后的从1到4层的高频系数,进行一维信号的小波重构,获得去噪以后的陀螺信号. 3 实验效果与统计分析 在某陀螺惯性稳定跟踪转台系统中,作为惯性空间速率敏感元件的光纤陀螺性能的好坏对于整个系统的性能起着重要作用.因此对陀螺信号漂移误差和噪声的分析和有效抑制是保证瞄准线视轴稳定性能的关键. 实验一:陀螺漂移信号测试分析 在常温下,对光纤陀螺进行零漂移噪声测试,陀螺输出为模拟信号,经放大后,由16位A/D 采样电路以1ms 的采样周期获取陀螺数据,随机取N =1000个样本数据.将上面设计的两种滤波算法分别进行仿真,实验结果如图2所示,其中图2(a )为原始零漂测试信号曲线,图2(b )、2(c )分别为采用两种算法滤波后的信号曲线. 图2 陀螺零漂信号及滤波效果曲线 根据Allan 方差原理采用批处理方法对原始漂 移信号和经过滤波后信号分别求取其Allan 标准差样本数据,并根据Allan 标准差模型采用最小二乘 058传 感 技 术 学 报2007年 法进行数据拟合,图3所示为陀螺零漂信号的Allan 标准差实验数据以及根据最小二乘法拟合所得的 Allan 标准差σ (τ)-τ双对数曲线 .图3 陀螺零漂信号Allan 标准差σ (τ)-τ双对数曲线通过最小二乘法拟合所得到的陀螺漂移原始信 号的Allan 标准差模型函数为 σtotal ( τ)=0.08127τ+0.24134τ+0.0385-0.0003τ+0.0001 τ(23) 由于本实验Allan 标准差的单位为°/s ,而相关 时间τ单位为ms ,故式(18)变换为 量化噪声系数:Q =A -2/10003角度随机游走系数:N A =A -1/1000 零偏不稳定系数:B =1.505A 0角速率随机游走系数:K R = 3000A 1 速率斜坡系数:R =10002A 2 (24) 根据上式即可求得采集的陀螺漂移原始信号中的各项随机误差系数,如表1所示.同理可获得不同 滤波算法输出的陀螺零漂信号的各项随机误差系数 结果见表1所示. 表1 采用不同方法滤波前后零漂信号各项随机误差系数比较 方法Q/° N A /°?S -1 B/°?S -1K R /°?S -1?S R/°?S -2 原始数据 4.6927e -50.00763180.057950-0.016430.14141滑动滤波 2.3337e -50.0026660.031635-0.007790.03342小波滤波 9.5017e -6 4.6434e -4 0.004165 0.00646 -0.01846 说明:①由表1中光纤陀螺零漂原始信号的统 计分析结果可知,影响最大的误差源来自偏差不稳定性、速率斜坡误差,还有角速率游走系数也较大,而角度随机游走和量化噪声误差的影响相对较小;②经过数字滤波后,陀螺零漂信号的各项误差系数都有了明显的降低,相比而言,滑动滤波对速率斜坡误差抑制比较有效;而小波阈值滤波对陀螺信号的偏差不稳定和速率斜坡误差都有明显的改善. 图2曲线显示,所采用的滤波算法都能够达到抑制零漂噪声的效果,其中小波阈值滤波后输出的波形最平滑,效果也就最明显.表2列出了原始信号和经过滤波后的零漂信号的误差统计分析结果,可以看出,滤波后陀螺零位噪声虽然没有完全消除,但其标准偏差和方差有了明显的降低,进一步说明了滤波效果是有效的,并且小波阈值滤波优于滑动滤波方法. 表2 不同方法滤波前后零漂信号误差统计分析结果方法原始数据 滑动滤波 小波滤波 零漂均值0.005610.004610.0053零漂标准差0.35120.08940.040 6零漂方差 0.1233 0.0080 0.0017 实验二:陀螺测速信号滤波效果与分析在实验转台运行时,随机采集一组光纤陀螺测速信号,取样本数据N =1000,如图4(a )所示,对其 分别采用两种滤波算法进行去噪处理的效果曲线如 4(b )、4(c )所示. 图4 陀螺信号及滤波去噪效果曲线 信号降噪的准则一般采用光滑性和相似性判定,其中光滑性表示降噪后的信号应该至少和原信号具有同等的光滑性;相似性表示降噪后信号和原信号的方差估计应该是最坏情况下的方差最小.常用处理后信号在原信号的能量成分和与原信号的标准差来衡量.表3列出了采用这两种滤波算法去噪的误差统计分析结果. 表3 采用不同方法滤波误差统计分析结果项目原始数据 滑动滤波 小波滤波 能量成分10.92360.9567标准差 108.0316 48.9257 由图4和表3可以看出,所采用的滤波算法都 1 58第4期姬 伟,李 奇:光纤陀螺信号误差分析与滤波算法的研究 能够去除噪声,增强信噪比.原始信号中存在毛刺,这是陀螺信号漂移和外部噪声共同的结果.其中,滑 动滤波曲线比较光滑,有效地去除了高频噪声,但同时将原信号中能量比重小的有用信号成分也滤掉了,这一点可以从其能量成分以及与原信号的标准差的大小中看出来;在使用小波变换进行阈值去噪时,由滤波效果曲线以及能量成分和标准差统计数据可知,在获得平滑信号的同时,也真实地反映了信号的边界和趋势,保证信号的不失真程度,实现信噪分离的效果较好. 4 结 论 本文采用Allan 方差法对光纤陀螺信号的各项 随机误差成分进行了分离和计算,研究了两种直接对陀螺输出信号进行数字滤波处理的方案:滑动滤波、小波变换阈值滤波用于陀螺信号的滤波处理.对采集的光纤陀螺数据分别进行了测试和统计分析,结论如下: ①采用Allan 方差法能够有效地分离和辨识出光纤陀螺零漂信号中的各项误差源随机误差系数和误差大小,为有针对性的采取抑制噪声措施和采用各种滤波算法提供一定的参考依据; ②滑动滤波算法简单,便于实现,易保证实时性,对于平稳信号滤波效果较好,而对于突变信号效果不明显,它对于频带之外的频谱不加区分的予以滤除,因此对混杂在噪声信号中的真实信号的高频成分也产生抑制;小波变换阈值滤波结合了时域和频域分析的优点,可以有选择的对噪声成分进行抑制,手段灵活,滤波效果明显,随着分解尺度的加大,效果会更好,但滤波过程中需要对信号的噪声方差进行估计,所需测试数据较多,计算量会大幅度增 加,将会影响整个系统的实时性.在系统中的实现和实时运行中的效果还有待于进一步去研究.参考文献: [1] 谭显裕.军用光纤陀螺的发展、关键技术和应用前景[J ].现代 防御技术,1998,26(4):55261. 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K e yw o r d s:F O G(f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e);S a g n a c e f f e c t;i n t e r f e r o m e t r i c;r e s o n a n t;B r i l l o u i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪———光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪———环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单、价格 收稿日期:2004-11-20便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H o n e y w e l l,N o r t h r o p等公司。 1 目录 一、kalman滤波简介 (1) 二、kalman滤波基本原理 (1) 三、Kalman滤波在运动跟踪中的应用的建模 (3) 四、仿真结果 (6) 1、kalman的滤波效果 (6) 2、简单轨迹的kalman的预测效果 (7) 3、椭圆运动轨迹的预测 (9) 4、往返运动归轨迹的预测 (10) 五、参数的选取 (11) 附录： (13) Matlab程序： (13) C语言程序： (13) Kalman滤波在运动跟踪中的应用 一、kalman滤波简介 最佳线性滤波理论起源于40年代美国科学家Wiener和前苏联科学家Ｋолмогоров等人的研究工作，后人统称为维纳滤波理论。从理论上说，维纳滤波的最大缺点是必须用到无限过去的数据，不适用于实时处理。为了克服这一缺点，60年代Kalman把状态空间模型引入滤波理论，并导出了一套递推估计算法，后人称之为卡尔曼滤波理论。卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法，其基本思想是：采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值。它适合于实时处理和计算机运算。 Kalman滤波是卡尔曼(R.E.kalman)于1960年提出的从与被提取信号的有关的观测量中通过算法估计出所需信号的一种滤波算法。他把状态空间的概念引入到随机估计理论中，把信号过程视为白噪声作用下的—个线性系统的输出，用状方程来描述这种输入—输出关系，估计过程中利用系统状态方程、观测方程和白噪声激励(系统噪声和观测噪声)的统计特性形成滤波算法，由于所用的信息都是时域内的量，所以不但可以对平稳的一维随机过程进估计，也可以对非平稳的、多维随机过程进行估汁。 Kalman滤波是一套由计算机实现的实时递推算法．它所处理的对象是随机信号，利用系统噪声和观测噪声的统计特性，以系统的观测量作为滤波器的输入，以所要估计值(系统的状态或参数)作为滤波器的输出，滤波器的输入与输出之间是由时间更新和观测更新算法联系在一起的，根据系统方程和观测方程估计出所有需要处理的信号。所以，Kalman滤波与常规滤波的涵义与方法不同，它实质上是一种最优估计法。 卡尔曼滤波器是一个“optimal recursive data processing algorithm（最优化自回归数据处理算法），对于解决很大部分的问题，他是最优，效率最高甚至是最有用的 二、kalman滤波基本原理 Kalman滤波器是目标状态估计算法解决状态最优估计的一种常用方法具有计算量小、存储量低、实时性高的优点。实际应用中，可以将物理系统的运行过程看作是一个状态转换过程，卡尔曼滤波将状态空间理论引入到对物理系统的数学建模过程中来。其基本思想是给系统信号和噪声的状态空间建立方程和观测方程，只用信号的前一个估计值和最近一个观察值就可以在线性无偏最小方差估计准则下对信号的当前值做出最优估计。 设一系统所建立的模型为： 实验8 普通螺纹中径尺寸测量和螺纹几何参数的综合检测 一、用螺纹千分尺测量螺纹中径 螺纹千分尺如图8-1所示。螺纹千分尺 主要用于测量螺纹的中径尺寸，其结构与外 径千分尺基本相同,只是砧座与测量头的形 状有所不同。其附有各种不同规格的测量 头，每一对测量头用于一定的螺距范围，测 量时可根据不同的螺距选取不同规格的测 量头。测量时，V形测量头与螺纹牙型的凸 起部分相吻合,锥形测量头与螺纹牙型沟槽图8-1 螺纹千分尺 部分相吻合，从固定套管和微分筒上可读出螺纹的中径尺寸。 二、用“三针法”测量外螺纹单一中径 在生产中，该测量具有方法简单、测量精度高的优点，应用广泛（测量原理见图8-2）。 根据被测螺纹的螺距选取合适直径的三根精密量针，按图示位置放在被测螺纹牙槽内， 再夹放在千分尺的两测头之间。外螺纹单一中径：d s 2=M-3d +0.866P（见教材P199）。 三、用螺纹塞规、环规综合检验内、外螺纹的合格性 图8-3所示为用环规检验外螺纹的图例，用卡规先检验外螺纹顶径的合格性，再用螺纹环规的通规检验，如能与被检测螺纹顺利旋合，则表明该外螺纹的作用中径合格。若被检测螺纹的单一中径合格，则螺纹环规的止规不能通过被检外螺纹（最多允许旋进2~3牙）。 用螺纹塞规检验内螺纹的的原理同上。 图8-2 用“三针法”测量外螺纹单一中径图 8-3用螺纹环规和光滑极限量规检验外螺纹实验9 圆锥锥角偏差测量和圆锥几何参数的综合检测 一、正弦规的工作原理和使用方法 正弦规结构简单,主要由主体工作平板和两个直径相同的精密圆柱组成,如图9-1所示。为了便于被测工件在工作平板的工作面上定位和定向,装有侧挡板和后挡板。 正弦规上两个精密圆柱的中心距尺寸精度很高,中心距有100、200mm等规格，如：中心距为100mm的极限偏差为土0.003或±0.002mm,同时，工作平板工作面的平面度精度以及两个精密圆柱的形状精度和它们之间的相互精度都很高,可以用作精密测量。 国内外光纤传感器的发展现状 2011-6-29 8:25:44 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 摘要:本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。 本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，这些是目前的研究热点；后者介绍了光层析成像技术、智能材料、光纤陀螺及惯性导航系统、工业工程类传感器（其中包括电力工业用高电压、大电流传感器，利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2°/hr ；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂 理论课教案首页 教学 教学内容教师活动学生活动时间环节 一、正弦规的结构 导入 新课 进入 新课 1.原理 正弦规是利用三角法测量角度的一种精密量具。一 般用来测量带有锥度或角度的零件。因其测量结果，是 通过直三角形的正弦关系来计算的，所以称为正弦规。 2.组成 它主要由一准确钢制长方体—主体和固定在其两端 的两个相同直径的钢圆柱体组成。其两个圆柱体的中心 距要求很准确，两圆柱的轴心线距离L一般为100毫米 或200毫米两种,也有500毫米的。工作时，两圆柱轴线 与主体严格平衡，且与主体相切。 3.使用方法 图为利用正弦规测量圆锥量规的情况。在直角三角 形中，sinα=H/L，式中H为量块组尺寸，按被测角度的 公称角度算得。根据测微仪在两端的示值之差可求得被 测角度的误差。正弦规一般用于测量小于45°的角度，在 测量小于30°的角度时，精确度可达3″～5″。 信息反馈： 教学 环节 教学内容教师活动学生活动时间 新课4.技术要求 a、正弦规工作面不得有严重影响外观和使用性能的 裂痕、划痕、夹渣等缺陷。 b、正弦规主体工作面的硬度不得小于664HV，圆 柱工作面的硬度不得小于712HV，挡板工作面的硬度不 得小于478HV。 c、正弦规主体工作面的粗糙度Ra的最大允许值为 0.08μm，圆柱工作面的表面粗糙度Ra的最大允许值为 0.04μm，挡板工作面的表面粗糙度Ra的最大允许值为 1.25μm。 d、正弦规各零件均应去磁，主体和圆柱必须进行稳 定性处理。 e、正弦规应能装置成0°~80°范围内的任意角度， 其结构刚性和各零件强度应能适应磨削工作条件，各零 件应易于拆卸和修理。 f、正弦规的圆柱应采用螺钉可靠地固定在主体上， 且不得引起圆柱和主体变形；紧固后的螺钉不得露出圆 柱表面。主体上固定圆柱的螺孔不得露出工作面。 二、正弦规的用途 正弦规是用于准确检验零件及量规角度和锥度的量 具。它是利用三角函数的正弦关系来度量的，故称正弦 规或正弦尺、正弦台。既是测量用的工具,又可做为夹具, 在多品种小批量生产及新产品试制中应用极为广泛。 可以测量角度和锥度。 理解 读图1-2-4 记笔记 10` 信息反馈： 中国光纤陀螺仪行业 市场调研投资分析预测报告 正文目录 第一章光纤陀螺仪行业概述 (19) 第一节光纤陀螺仪简述 (19) 一、定义及分类 (19) 二、产品特性 (20) 三、主要应用领域 (21) 第二节光纤陀螺仪的型号及用途 (21) 第三节光纤陀螺仪行业发展现状 (22) 第四节产业链结构分析 (25) 第五节光纤陀螺仪生产技术和工艺分析 (28) 第六节光纤陀螺仪在生产中遇到的问题及其解决方法 (31) 第七节光纤陀螺仪行业的地位分析 (31) 一、行业在第二产业中的地位 (31) 二、行业在GDP中的作用 (31) 第八节2015-2020年光纤陀螺仪行业相关政策发展的影响展望 (32) 一、国家“十三五”产业政策发展的影响展望 (32) 二、相关行业政策的影响展望 (32) 第二章中国光纤陀螺仪行业政策技术环境分析 (34) 第一节光纤陀螺仪行业政策法规环境分析 (34) 一、国家“十三五”规划解读 (34) 二、行业“十三五”规划解读 (34) 三、行业税收政策分析 (35) 四、行业标准概述 (36) 五、行业环保政策分析 (36) 六、行业政策走势及其影响 (36) 第二节政策法规对光纤陀螺仪产品的影响 (37) 一、2014-2015年中国光纤陀螺仪环保政策执行影响分析 (37) 二、节能环保新政策对光纤陀螺仪市场的影响 (37) 三、新政策对光纤陀螺仪市场的影响 (37) 第三节光纤陀螺仪行业技术环境分析 (38) 一、国内技术水平现状 (38) 二、国际技术发展趋势 (38) 三、科技创新主攻方向 (39) 第三章光纤陀螺仪生产技术分析 (41) 第一节光纤陀螺仪主要生产工艺技术 (41) 一、光纤陀螺仪生产工艺原理 (41) 二、光纤陀螺仪生产工艺流程 (42) 第二节光纤陀螺仪其他生产方法 (43) 第三节光纤陀螺仪生产工艺优劣势比较 (46) 第四节光纤陀螺仪工艺技术的改进与发展趋势 (46) 第五节光纤陀螺仪工艺技术路线的选择 (46) 第六节光纤陀螺仪质量指标 (47) 中华人民共和国机械行业标准—正弦规 JB/T7973-1999 正弦规代替JB/T7973-95 Sine bar 范围 本标准规定了精度等级为0级、1级正弦规的型式与尺寸、技术要求、检验方法、标志与包装等。 本标准适用于两圆柱中心距为100mm和200mm的正弦规。 定义 本标准采用下列定义。 正弦规 根据正弦函数原理，利用量块的组合尺寸，以间接方法测量角度的测量器具。 样式与尺寸 正弦规的型式见图1所示（图示仅作图解说明，不表示详细结构）。 图1完 正弦规的其本尺寸见表1的规定。 技术要求 1正弦规工作面不得有严重影响外观和使用性能的裂痕、划痕、锈迹、夹渣等缺陷。 2正弦规主体工作面的硬度不得小于664HV，圆柱工作面的硬度不得小于713HV，挡板工 作面的硬度不得小于478HV。 3正弦规主体工作面的表面粗糙度Ra的最大允许值为0.08μm，圆柱工作面的表面粗糙度Ra的最大允许值为0.04μm，挡板工作面的表面粗糙度Ra的最大允许值为1.25μm。 4正弦规的尺寸偏差、形位公差和综合误差见表2的规定 5正弦规各零件均应去磁，主体和圆柱必须进行稳定性处理 6正弦规应能装置成0°~80°范围内的任意角度，其结构刚性和各零件强度应能适应磨削工作条件，各零件应易于拆卸和修理。 7正弦规的圆柱应采用螺钉可靠地固定在主体上，且不得引起圆柱和主体变形；紧固后的螺钉不得露出圆柱表面。主体上固定圆柱的螺孔不得露出工作面。 检验方法 1圆柱工作面的圆柱度 如图2a)所示，以0级V型架支承圆柱，用分度值为0.001mm的测微仪在圆柱全长的中间及两端A、B、C三个截面上公别测理出转动一周时的最大值和最小值之差。 按图2b）放置圆柱，用分度值为0.001mm的测微仪在圆柱上相隔90°的四条母线（1,2,3,4）上，分别测出中间及两端A、B、C三个位置上的最大值和最小值之差。 两种测理差值中，取最大值，即为圆柱的圆柱度误差。 光纤陀螺及军事应用 摘要：本文主要介绍了光纤陀螺，光纤陀螺的发展历史及其现状；在光纤陀螺分类的基础上分析其原理；光纤陀螺的特点；分别于陆海空三个不同的方面讲述光纤陀螺的军事应用以及光纤陀螺未来发展趋势。 关键词：光纤陀螺；发展历史；原理；分类；特点；军事应用；发展趋势 Fiber Gyroscope and Military Application Xu Rui (School of Economy and Administration, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: This paper mainly introduces the development history and present situation of fiber optic gyroscope, optical fiber gyroscope; analyze its principle based on the classification of the characteristics of fog; fog; military application and development trends in the future about the fiber optic gyroscope fog on three different aspects of armed respectively Keywords: Fiber gyroscope；History；principle；Classification；Characteristic；Military application；Development trend. 1 前言 现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中 广泛使用的一种惯性制导仪器，它的发展对一个国家的 工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意 义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械 式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精 度受到了很多方面的制约[1]。光纤陀螺仪作为新一代的 陀螺仪，是一种利用Sagnac效应测量旋转角速度的新型 全固态惯性仪表[2]，较为常见的外形如图（1）所示。光 纤陀螺因其零部件少、体积小、抗电磁辐射和冲击能力图1 光纤陀螺 强、寿命长、易于集成、成本低等优点而飞速发展, 广泛用于兵工、航海、航空、航天等军事领域。 2 光纤陀螺仪的发展历史及现状 自从美国犹他大学的VAL I和 SHORTHI LL等人成功研制第1个光纤陀螺以来,光纤陀螺已经发展了将近30年。以下是光纤陀螺的主要发展历程[3~7]。 1970 年,新一代低损耗光纤推动光纤陀螺的研制; 1976年, VAL I和SHORTHI LL 等人成功研制了干涉式光纤陀螺(I-FOG);1977 年～1982年,对光纤陀螺的基本结构进行研究,提出了光纤陀螺最小结构,开环结构和闭环结构,并提出了谐振式光纤陀螺(R-FOG)和布里渊光纤陀螺(B-FOG)的思想;1980年～1990年,对光纤陀螺的误差因素和光学元件进行研究,引入了超辐射发光二极管、保偏光纤、光学铌酸锂集成芯片、绕纤技术等,对光纤陀螺提出“all digital”的概念,首次实现商业化(实用于波音777);1990 年至今,光纤陀螺的实际应用研究(特别是航天航空,工业领域),运用光电集成芯片(LiNbO 质子交换光波导)、微光电机械、 3 信号处理技术等技术致力于降低光纤陀螺成本、小型化、高性能的研究,对I-FOG 光纤陀螺寻北仪的发展现状 1光纤陀螺的研究及应用现状 (1) 2 陀螺寻北仪的发展情况 (1) 1光纤陀螺的研究及应用现状 在惯性导航和惯性制导系统中，陀螺仪是极其重要的敏感元件。所谓惯性导航，就是通过测量运载体的加速度，经过计算机运算，从而确定出运载体的瞬时速度和瞬时位置。所谓惯性制导，则是在得到这些参数的基础上，控制运载体的位置以及速度的大小和方向，从而引导运载体飞向预定的目标。 以陀螺仪和加速度计为敏感元件的惯性导航和惯性制导系统，是一种完全自主式的系统。它不依赖外部任何信息，也不向外发射任何能量，具有隐蔽性、全天候和全球导航能力。因此，惯性导航成为现代飞机、大型舰只和核潜艇的一种重要导航手段，而惯性制导则成为地地战术导弹、战略导弹、巡航导弹和运载火箭的一种重要制导方法。此外，惯性导航还可陆军炮兵测位、地面战车导航以及大地测绘等领域。由此可见，陀螺仪在航空、航天、航海、兵器以致国民经济的某些部门中都有着广泛的应用。 2 陀螺寻北仪的发展情况 第一阶段，20世纪50年代在船舶陀螺罗经的基础上，研制出矿用液浮式陀螺罗盘，这是陀螺寻北仪发展的初级阶段。在这个阶段，德国的克劳斯塔尔矿业学院于1949年研制出液浮式单转子陀螺球，电磁定中心，陀螺电源频率333HZ，电压为100伏三相交流电，陀螺转速19000转/分。一次观测中误差06'' ±，定向时间4小时，仪器重量640千克。其型号为MWI，1955年和1959年相继研制出MW3和MW4a型。精度进一步提高，定向时间进一步缩短，仪器重量进一步减轻。 第二阶段，从20世纪60年代开始，利用金属悬挂带将陀螺灵敏部陀螺马达转子和陀螺房在空气中通过悬挂柱悬挂起来，悬挂带的另一端与支承外壳相固定并采用三根导流管直接向马达供电。这样构成了摆式陀螺罗盘。与第一阶段相比，仪器结构大大简化，全套仪器进一步小型化，重量大大减轻，由于电源频率稳定性大大提高，使陀螺转速稳定，减小了角动量脉动，提高了仪器观测精度。1963 2005年第24卷第6期 传感器技术(Journa l o f T ransducer T echno logy) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘 要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:TN2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 Devel op m ent status of fiber optic gyroscopes Z HOU H a i bo,LI U Jian ye,LA I Ji zhou,LI Rong b i n g (Navi gati on Res Cen ter,Nan jing Un iversity of Aeronau tics and A stronau tics,N an ji ng210016,China) Abstract:The fi ber opti c gyroscope(FOG)is c lassified i nto different types acco rd i ng t o its pr i nc i ple and character i sti c.The i n ternati onal status of FOG is i ntroduced and the short ter m and l ong ter m trend o f FOG i s forecast.It w ill be bene fit to t he course o f our FOG. K ey word s:FOG(fi ber optic gyro scope);Sagnac e ffect;i nterfero m e tric;resonan t;B rillou i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪 光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪 环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单、价格 收稿日期:2004-11-20便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H oneyw el,l N orthrop等公司。 1 无锡工艺职业技术学院 《零件的质量检测与分析》课程标准 1前言 1.1课程的性质 本课程是数控技术专业的一门专业技术课程。本课程是在学习《机械工程图的识读与绘制》、《工程材料的选用及热处理》的基础上开设的，为后续课程《零件的普通机床加工》、《零部件的手工制作与拆装》、《机械零件及传动的认识与选用》、《机械加工工艺文件识读与编制》、《零件的数控车削加工》等课程学习提供支撑，为今后职业能力和职业素质的培养打下良好的基础。 本课程通过任务驱动的项目化教学，培养学生掌握零件测量和产品检测的专业技能，同时养成“一丝不苟、精益求精”的职业素养；同时具有较强分析解决问题和创新能力；使学生获得典型机械零件的几何量公差控制标准的有关知识，以及掌握通用量具和有关精密测量仪器所必须的知识结构；从生产实际出发，重点培养学生针对检测任务，能正确选用计量器具对机械零件几何量进行检测、数据处理、合格性判断，能胜任质检工作岗位，并对机械加工、设计作技术基础。 1.2设计思路 本课程标准的总体设计思路：本课程的课程结构设置为项目引领型，以企业岗位职业能力为依据，培养学生的职业能力和可持续发展能力为出发点，围绕典型机械零件测量项目的需要来选择课程内容，变知识学科本位为职业能力本位，打破传统的学科型课程目标，从“项目与职业能力”分析出发，设定职业培养目标；变书本知识的传授为动手能力的培养，打破了传统知识传授方式的框架，以“工作项目”为主线，创设工作情景，培养学生的实践动手能力。 本课程标准以数控技术专业学生的就业为导向，根据数控行业专家对专业群 所涵盖的岗位群进行的任务和职业能力分析，以相应的岗位能力为依据，遵循学生认知规律，确定本课程的项目和课程内容。本课程以技能训练为主线，学做合一。按照常见几何量传统测量和精密测量等实践过程安排学习项目，使学生掌握通用量具和最新精密计量仪器的测量技能。为了充分体现任务引领、实践导向的课程思路，将本课程的教学活动分解设计成九个项目，以项目为单位组织教学，以典型零件为载体，其内容按照“操作从简单到复杂、被测零件精度从低级到高级、测量任务从单一到综合”思路设计教学过程，将有关国家标准等理论知识融合到项目中去，按照“做中学、学中做、教学做为一体”，推行理实一体化，在学习中设计学习情境，按照任务→信息→计划→实施→检查→评估六步实施教学。通过案件，让学生掌握有关互换性和检测技术的标准、标注、查表，掌握常用几何量测量技术的基本知识，具备正确选择计量器具、正确测量典型零件几何量的技能，培养学生的综合职业能力，满足学生职业生涯发展的需要。 该门课程的总学时为48课时，3个学分。 2课程目标 通过任务引领型的项目活动，掌握典型零件几何量测量技能及互换性相关理论知识，能完成本专业有关的检测岗位的工作任务，具有诚实、害信、善于沟通和合作的品质、具有“一丝不苟、精益求精”的职业素养，为发展职业能力奠定良好的基础。 职业能力培养目标 ●能掌握有关尺寸、公差制度知识和国家计量标准 ●能熟练使用游标卡尺、千分尺、内径百分表等通用量具测量尺寸误差并 分析 ●能使用百分表、磁性表座、平板、角尺、V型铁、厚薄规等测量平行度、 垂直度、圆跳动、同轴度等形位误差并分析 ●能使用螺纹千分尺、三针法、工具显微镜、螺纹量规等测量螺纹中径、 螺距、牙型角和综合检测并分析 ●能使用万能角尺、正弦规等测量角度、锥度误差并分析 ●能使用公法线千分尺、齿圈径向跳动仪、万能测齿仪等测量齿轮精度等 评定参数误差并分析 ●能使用三坐标测量仪测量几何量误差 ●能用计量器具对零件进行加工误差的综合测量并分析 光纤陀螺仪的应用及发展 谷军，蔺晓利，何南，姜凤娇，邓长辉 （大连海洋大学信息工程学院） 摘要：本文介绍了光纤陀螺的工作原理，并根据光纤陀螺的特点介绍了在各个领域的应用，阐述了光纤陀螺在国内外的发展现状，并指出了光纤陀螺的发展趋势。从发展角度看，光纤陀螺仪将成为21世纪前期的发展重点。 关键词：光纤陀螺；现状；应用； 0 引言 萨格纳克（Sagnac）在1913年首先论证了运用无运动部件的光学系统能够检测出相对惯性空间的旋转的奇特现象，现在统称为萨格纳克效应。1976年Vali和Shorthill首次提出了光纤陀螺（Fiber optic gyro）的概念，它标志着第二代光学陀螺的诞生。光纤陀螺一问世就以其明显的优点、结构的灵活性以及诱人的前景引起了世界上许多科学家和工程师的普遍关注。国内对光纤陀螺的研究也有20多年的历史，经历开环到闭环的研究历程。在20多年的研究过程中，光纤陀螺的广泛应用前景已经得到了专家的认可，光纤陀螺作为惯性技术的核心器件，已经逐渐成为陀螺市场的主流产品。人类对光纤陀螺的需求也变得十分迫切。 光纤陀螺的应用非常广泛，是基于Sagnac效应的原理工作的。作为继激光陀螺仪之后出现的新一代陀螺，各国的研制工作已经取得了重大的进展。光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领域十分重要，随着计算机、微电子和光纤技术的发展和应用，它将取代传统的机械陀螺和平台惯导系统。与机械陀螺相比，光纤陀螺无运动部件、使用寿命长；全固化结构、抗冲击能力强；测量动态范围大、无预热时问、启动时问短；不受地球吸引力影响；工艺相对简单，价格便宜；对捷联应用有先天优势。与激光陀螺相比，光纤陀螺的成本低、性价比高；体积小、功耗低、应用灵活；克服了激光陀螺闭锁带来的负效应；随着工艺和信号处理方案的发展，精度也可以和激光陀螺相当。 1 光纤陀螺仪 光纤陀螺仪是光学陀螺仪的一种。所谓光学陀螺仪就是利用萨格纳克Sagnac)效应构成的陀螺仪。利用光纤线圈构成的干涉仪效应来敏感角运动的装置称为干涉型光纤陀螺仪(IFOG)；采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装置称为谐振型光纤陀螺仪(RFOG)；利用布里渊光纤环形激光器的频率变化原理构成的测角装置称为布里渊光纤陀螺仪(BFOG)。由于光学陀螺仪不象传统陀螺那样，依靠自转子的动量矩来敏感角运动。所以国外学术界也把这类陀螺定义为非陀螺仪角运动敏感器。 1.1光纤陀螺仪的特点 光纤陀螺仪作为一种新兴传感器件，具有许多深受欢迎的特点：（1）无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动；（2）结构简单，零部件少，价格低廉；（3）启动时间短（原理上可瞬间启动）；（4）检测灵敏度和分辨率高（可达10 -7rad/s）；（5）可直接用数字输出并与计算机接口联网；（6）动态范围极宽；（7）寿命长，信号稳定可靠；（8）易于采用集成光路技术；（9）克服了激光陀螺因闭锁现象带来的负效应。 光纤陀螺最大的特点是可根据不同的用途，选择不同的光纤长度和线圈直径及不同的信息处理方法，可覆盖陆地、航空、航天、航海等所有陀螺仪应用范围。与传统陀螺仪(液浮 针规的应用和检测 读被检的方法实施的,而高频电压表的检定程序是按图2检定原理编程的. 4系统的适用范围 高,低频电压表自动检定系统分别由宽频带电 压标准和5720A低频电压标准组成,因此该系统的适用范围分别由两个标准的频率范围,电压输出范围,输出阻抗以及测量不确定度决定,具体适用范围在前面电压标准主要技术特点部分都已介绍,这里不再叙述. 5结束语 综上所述,高,低频电压表自动检定系统选用 目前国内外最先进的电压标准组合,建立频率范 围从10Hz～1.2MHz,电压范围从0～1100V,分 辨力ltzV的低频电压标准量值和频率范围从 10Hz～2GHz,电压范围从0.2～2V,测量不确定 度为0.6%～1.5%的高频电压标准量值,在计算 机的控制下,根据计量检定原理以及计量检定规程,实现了高低频电压表电压刻度误差和频率附 加误差的自动检定,提高了电压参数自动化测试 水平. 参考文献 [1]周明德.微型计算机系统原理及应用.北京:清华大学出版社, 1998. [2]王立吉,金国钧.无线计量与测试.北京:中国计量出版社,1986. [3]JJG25—81电子电压表计量检定规程.北京:中国计量出版社, 1989. 针规的应用和检测 朱绯红张苏宁 (江苏省计量测试技术研究所,南京210007) 摘要介绍在实际工作中应用针规的几种方法和检测针规直径时应注意的问题. 关键词针规(Pingauge);用途;直接测量;比较测量 0引言 随着科技的发展和市场不断的需求,一种圆柱 形钢质量具——针规(Pingauge)已被广泛的运用. 但到目前为止,我们国家还没有制定针规的校准规 范或检定规程来规范检测市场.本文主要介绍应用 针规的几种方法和检测针规直径时应注意的问题. 1针规介绍 目前,我国生产针规的厂家主要有成都量具刃 具厂,哈尔滨量具刃具厂,国外产品主要是日本三丰 1）扩展卡尔曼的递推公式的程序 function [x_kk,p_kk]=KF(x_k1k1,p_k1k1,yk) TT=0.2; ztzy=[1 TT TT^2/2;0 1 TT;0 0 1]; F=[ztzy zeros(3,3) zeros(3,3);zeros(3,3) ztzy zeros(3,3);zeros(3,3) zeros(3,3) ztzy]; gr=[TT^2/2 TT 1]'; tou=[gr zeros(3,1) zeros(3,1);zeros(3,1) gr zeros(3,1);zeros(3,1) zeros(3,1) gr]; R=[20 0 0;0 5*2*pi/6000 0;0 0 5*2*pi/6000]; x_kk1=F*x_k1k1; x=x_kk1(1,1); y=x_kk1(4,1); h=x_kk1(7,1); h_k=[(x^2+y^2+h^2)^(1/2);atan2(y,x);atan2(h,sqrt(x^2+y^2))]; H_k=[1/(x^2+y^2+h^2)^(1/2)*x 0 0 1/(x^2+y^2+h^2)^(1/2)*y 0 0 1/(x^2+y^2+h^2)^(1/2)*h 0 0; -y/x^2/(1+y^2/x^2) 0 0 1/x/(1+y^2/x^2) 0 0 0 0 0; -h/(x^2+y^2)^(3/2)*x/(1+h^2/(x^2+y^2)) 0 0 -h/(x^2+y^2)^(3/2)*y/(1+h^2/(x^2+y^2)) 0 0 1/(x^2+y^2)^(1/2)/(1+h^2/(x^2+y^2)) 0对杠杆表和正弦规的使用和测量方法的几点浅见
光纤陀螺仪的发展现状_周海波
Kalman滤波在运动跟踪中建模
互换性实验指导
国内外光纤传感器的发展现状
《机械测量技术》1-21 正弦规的使用
中国光纤陀螺仪市场调研报告
正弦规
光纤陀螺
光纤陀螺寻北仪的发展现状
光纤陀螺仪的发展现状
零件的质量检测与分析课程标准10.8
光纤陀螺仪的应用及发展
针规的应用和检测
利用扩展卡尔曼滤波算法进行目标状态估计