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1、上海交通大学 硕士学位论文 数字闭环光纤陀螺仪的系统设计与实现 姓名：刘瑞鑫 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：袁焱;傅长松 20090401 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 数字闭环光纤陀螺仪的系统设计与实现 摘要 数字闭环光纤陀螺仪的系统设计与实现 摘要 光纤陀螺是一种基于 Sagnac 效应的角速率传感器，它通过测量沿光 纤线圈顺时针和逆时针方向传播的两束光的光程差，来测量光纤线圈的 转速。因为其测量精度高、灵敏度高、动态范围大、体积小、重量轻、 易集成等优点，以及其在军事及民用领域的广阔应用前景，如卫星定位、 导弹制导、飞机导航等，使其成为近年来国内外
2、惯性器件领域的一个研 究热点。本文介绍了光纤陀螺的工作原理及分类，重点介绍了干涉式数 字闭环光纤陀螺的信号调制与检测方法，为开展该型陀螺仪的详细设计 奠定了基础。 本文介绍了干涉式数字闭环光纤陀螺仪的系统设计。针对干涉式数 字闭环光纤陀螺仪的系统构建，分别为其各个环节进行了数学建模，包 括：光纤环、信号调制与解调、探测器与前放、模数转换、积分器、数 模转换与驱动、Y 波导等。之后基于上述结果进行了系统设计，分别给出 了开环传递函数、单位反馈闭环传递函数、误差传递函数、输入输出传 递函数等，并进行了输出滤波器的设计。 针对干涉式数字闭环光纤陀螺仪的系统设计，本文对该型陀螺仪进 行了理论灵敏度及误
3、差分析，给出了陀螺仪的稳态误差是由标度因子稳 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 II 页 定度决定的结论，详细分析了影响标度因子稳定度的因素，并初步给出 了控制这些因素的方法。 本文最后介绍了光纤陀螺仪的主要技术指标和测试方法，并对干涉 式数字闭环光纤陀螺仪的原理样机进行了试验分析。试验结果表明，该 型陀螺仪实现了前述所要求的各个性能指标，可以满足应用需求。 主题词：光纤陀螺仪，系统设计，误差分析，测试方法 主题词：光纤陀螺仪，系统设计，误差分析，测试方法 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 第 III 页 System Design and Realtization of Digita
4、l Closed-loop Fiber-optic Gyroscope Abstract Fiber Optical Gyroseop is one kind of angle velocity sensors based on Sagnac effect. The fiber optic gyros have the significant features, being compared with the traditional spinning mass gyros, such as short worming-up time, light weight, maintenance fre
5、e, reliability, wide dynamic range, low power consumption and low cost. It can be widely used in both military field and traditional field, such as satellite direct position, missile control, aircraft navigation and so on. Because all of this, the researches on it has became hot topics in recent twe
6、nty years. The paper analyzes the principle and types of thf IFOG, and introduces the modulate and checking measure of digital closed-loop IFOG, and the foundation for the particular design with this type gyro is laid. The paper introduces the system design of the digital closed-loop IFOG. Math mode
7、ling has been set up aiming at the structure of the digital closed-loop IFOG, including optical fiber cycle, signal modulation and demodulation, detector and preamplifier, A/D, integrator, D/A and drive, Y wave-guide. The system desing has been accomplished based on the 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 第 IV 页 resu
8、lt.The open-loop transfer function, error transfer function, in-out transfer function, filter design, etc have been presented. The paper analyses the delicacy degree and error and presents the conclusion that the ultimate error is determined by the stabilization of scale factor. The causes which aff
9、ect the scale factor are analysed, and some primary methods are also given to confine their effects. Finally, the paper illuminates the major technical indexes and their measurement. Some tests and analyses for a digital closed-loop IFOG are also made, the results of which show that the performance
10、has met the requirements. Key words : fiber optic gyro, system design, error analyse, measure method 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名刘瑞鑫： 日期： 年 月 日
11、上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 刘瑞鑫 指导教师签名； 袁焱： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页
12、第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 论文研究背景及意义论文研究背景及意义1 惯性器件是陀螺和加速度计以及由它们组成的惯性测量装置和系统的总称。它 们主要用于测量载体相对于惯性空间的角运动和线运动，是运动载体的核心信息 源。由于惯性器件的工作不需要任何外界信息，因此具有很强的自主性和不受干扰 性， 在军事和民用领域都具有特殊的地位， 惯性技术也是世界公认的尖端技术之一。 惯性器件是惯性技术的基础，又是提高惯性系统功能、精度和可靠性的关键。 以陀螺仪为代表的惯性器件的发展大约经历了两种形式。一种是具有自旋质量 的机械转子式陀螺仪。例如：滚珠轴承、静压气浮、静压液浮、静电悬浮、磁悬浮、 动压气浮、
13、挠性支承等各种机械陀螺仪； 另一种是没有旋转质量的非转子式陀螺仪， 例如：激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、微机械陀螺等各种固态仪表。 由于机械转子陀螺必须具备高速旋转的飞轮组件，运动部件的存在决定该类陀 螺的寿命必然受到一定限制，而且装配、调试的难度增加。自从萨格奈克效应被发 现，并应用于惯性技术后，光学陀螺取得了长足的发展与进步，其中以激光陀螺和 光纤陀螺为代表，在发达国家，两光陀螺（激光、光纤）已经占据了陀螺仪市场一 半以上的市场份额，并广泛应用在航天、航空、航海、地面车辆等多个领域。由于 微机械陀螺、半球谐振陀螺等陀螺仪的技术尚未成熟，各自存在着较大的技术或生 产瓶颈，所以两光陀螺在今
14、后相当长一段时期内扮将扔演着陀螺仪市场的主要角 色。 1963 年在美国斯佩里公司诞生了世界上第一个激光陀螺实验模型，到 1983 年 进入了批量生产。激光陀螺是目前在惯性领域获得大量成功应用的非机电式惯性器 件，它的技术已进展到发展期。它具有精度高、可靠性高、启动迅速、动态范围宽、 寿命长、环境适应性强等优点。缺点是加工制造困难，且与同等精度机电陀螺相比 体积稍大。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 20 世纪 70 年代美国犹他大学提出了光纤陀螺方案。1976 年光纤陀螺在美国问 世，到 20 世纪 90 年代已形成批量生产。1996 年已验证了优质低成本的光纤陀螺是
15、 一种具有静电悬浮陀螺精度级的光纤陀螺。 到 90 年代末美国已制成 0.001/h 精度的 光纤陀螺，预计近期内可研制出精度超过静电陀螺的光纤陀螺。 光纤陀螺由少数几个元件构成，它没有任何活动部件，能经受极高的冲击和振 动，有能力在较宽的范围工作，具有瞬间起动能力，适合于在苛刻环境条件下使用 的各种武器系统长期贮存，性能不会退化。在工作原理上不存在激光陀螺的闭锁效 应和精度受许多复杂物理现象限制的问题。随着元器件水平的提高，光纤陀螺的性 能可不断提高。 光纤陀螺和激光陀螺相比具有尺寸小、重量轻和成本低的优点，而且具有很大 的灵活性，很容易通过调整结构和相应参数来改变陀螺特性。今后随着其尺寸的减 少、成本的降低以及性能的提高，不仅成为机械陀螺和激光陀螺的竞争者，而且将 成为惯性级甚至更高精度的候选者。 美国国防部预研计划局的一位专家曾说过：“今 天的技术是环形激光陀螺，光纤陀螺技术是陀螺技术的未来选
