[发明专利]一种光纤陀螺的噪声谱分析及信噪比优化方法

说明书

本发明公开了一种光纤陀螺的噪声谱分析及信噪比优化方法，包括如下步骤：步骤一、利用正弦波调制技术解调得到闭环光纤陀螺系统的闭环误差；步骤二、基于闭环误差模型，考虑参数不确定性建立光纤陀螺的动态方程；步骤三、设计闭环光纤陀螺系统反馈控制矩阵Kc，使之保证光纤陀螺在具有所需的H_∞性能的前提下，在参数不确定，非线性和扰动的情况下满足指数稳定性以优化光纤陀螺系统的线性度和检测精度。本发明将闭环误差调制到高频，以消除干涉光强度和杂散光干扰的影响，考虑了非线性干扰效应，光强波动和不可避免的噪声，建立了闭环光纤陀螺系统的动态模型。然后，设计了鲁棒的控制算法来优化光纤陀螺系统的性能。

技术领域

本发明属于光纤陀螺噪声谱分析及优化领域，涉及采用正弦波调制的光纤陀螺闭环控制的性能优化方法。

背景技术

光纤陀螺目前在诸如惯性导航，地震监测和车辆安全系统等各个领域中发挥着重要作用。近年来，由于光纤陀螺具有理论精度高，体积小和对电磁干扰具有固有抗扰性的优点，被认为是惯性导航领域最有前景的技术方向之一。然而，光纤陀螺的光弱信号容易受到各种噪声和光学参数不确定性的影响，这给获得光纤陀螺理论上的高精度信号带来了挑战。

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度测量装置，在Sagnac效应的作用下，光纤陀螺系统的角速度转换为谐振腔谐振频率的变化，通过信号检测系统提取频率变化信息进而解算出系统角速度大小。

在过去的几十年中，光纤陀螺的信号检测方案研究工作很多。光纤陀螺由于非线性光学效应，光纤陀螺的动态范围和线性度难以改善。闭环检测技术被用于光纤陀螺中，以满足工程实践的需求。在光纤陀螺闭环检测系统中引入反馈系统，以提高动态范围。但是干涉光强为含有Sagnac相位的微弱信号，需要高精度地提取被噪声淹没的微弱闭环误差信号，因此，闭环光纤陀螺的噪声水平有待优化，以适应高精度光纤陀螺在工程实践中的应用。特别是，光功率的波动和杂散光的干扰将导致闭环误差信号很难被准确提取，因此，噪声谱分析及信噪比优化对于光纤陀螺检测精度的提高至关重要。可见，如何分析闭环误差的噪声谱及优化信噪比对于实现光纤陀螺的高性能是一个重要的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种光纤陀螺的噪声谱分析及信噪比优化方法，其中采用一种采用正弦波调制技术的新型光纤陀螺闭环控制方法，以准确地提取有关角速度的闭环误差，并提高光纤陀螺的检测精度和线性度；首先，本发明将光纤陀螺闭环误差调制为高频，以消除干扰光强度和无关杂散光中存在的直流分量，并将调制后的信号传递到PSD和解调滤波器，从而提高了闭环光纤陀螺系统的信噪比。此外，本发明设计了光纤陀螺系统的鲁棒控制器，以确保系统具有规定的H_∞性能水平的均方指数稳定性。最后，通过实验结果证明了采用正弦波调制技术的闭环控制方法的有效性。

本发明提供了一种光纤陀螺的噪声谱分析及信噪比优化方法，其中，采用正弦波调制技术的新型光纤陀螺闭环控制方法，并设计了光纤陀螺系统的鲁棒控制器：具体如下：

首先，本发明提出一种正弦波调制解调方法，以准确地获得闭环误差信号。如图1为本发明闭环光纤陀螺系统信号检测原理示意图。正弦波调制技术包括调制信号，解调信号，低通滤波器。所有这些模块均由FPGA芯片实现，并且调制信号和参考信号具有相同的频率，同时设计正弦调制以抑制电路检测系统的1/f噪声，并消除干扰光信号和无关杂散光的直流分量。调制信号和反馈信号被加在一起并通过D/A转换器加载到集成光学相位调制器上，从而使低频闭环误差信号通过正弦波传递到高频。根据Jacobi-Anger，将检测到的信号写为：