Fiber optik jiroskoplarin performanslarinin sayısal işaret işleme yöntemleri ile arttırılması

Abstract

FİBER OPTİK JİROSKOPLARIN PERFORMANSLARININ SAYISAL İŞARET İŞLEME YÖNTEMLERİ İLE ARTTIRILMASI Fiber optik jiroskoplar (FOG) havacılık, denizcilik ve uzay sistemlerinde kullanılan ataletsel navigasyon sistemlerinin önemli birer bileşenidir. Fakat fiber optik jiroskoptan alınan sinyaller içerisinde bulunan gürültülerden dolayı navigasyon sistemlerinin güvenirliliği azalmaktadır. Fiber optik jiroskop sürüklenmesine neden olan stokastik süreçlerin sayısal işaret işleme yöntemleri ile ortadan kaldırılması gerekmektedir. Bu çalışmada bir interferometrik fiber optik jiroskop gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen jiroskopun gürültü modeli Allan varyans analiz yöntemi ile elde edilerek performansı belirlenmiştir. Fiber optik jiroskop gürültülerinden açısal rasgele yürüme (ARW) ve hızdaki rasgele yürümenin (RRW) ortadan kaldırılması amacıyla Kalman filtresi için uygun bir durum uzay modeli oluşturulmuştur. Özellikle manevra durumlarında Kalman ve adaptif Kalman filtrelerinin eksikliklerini gidermek için yineleme tabanlı yeni bir uyarlamalı Kalman filtresi geliştirilmiştir. Geliştirilen filtre süreç gütültü kovaryansı Q ve ölçüm gürültü kovaryansı R’yi başarılı bir şekilde hesaplamıştır. Sunulan adaptif kalman filtresi yapay olarak üretilen FOG sinyalleri ve gerçekleştirilen FOG’tan alınan sinyaller ile test edilmiştir. Sunulan yöntem geleneksel Kalman filtresi ve adaptif Kalman filtresi ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonunda fiber optik jiroskop çıkışındaki açısal rasgele yürüme ve hız rasgele yürüme gürültüleri başarılı bir şekilde ortadan kaldırılmıştır. Sunulan yöntem ile açısal rasgele yürüme ham veriye göre %70 iyileştirilmiştir. Hız rasgele yürüme gürültüsü ise %43 oranında azaltılmıştır. Özellikle FOG sinyalindeki ani açısal hız değişimleri başarılı bir şekilde filtre çıkışına aktarılarak veri kaybı oluşmamıştır.

IMPROVING THE PERFORMANCE OF FIBER OPTIC GYROSCOPES USING DIGITAL SIGNAL PROCESSING TECHNIQUES. Fiber-optic gyroscopes (FOG) are an important component of the inertial navigation systems, which one used in aviation, marine and aerospace systems. However the noises in FOG signal reduce the reliability of navigation systems. Stochastic processes, which cause gyroscope to drift, should be eliminated by using digital signal processing methods. In this thesis, an interferometric fiber optic gyroscope have been realized. Noise performance of the gyroscope was determined using Allan variance analysis. In this thesis, an adaptive Kalman filter was designed in order to filter angle random walk (ARW) and rate random walk (RRW) noises observed in the output of the FOG. Adaptive mechanism is based on innovation approach. Especially in case of rapid maneuvers, an adaptive filter was developed to overcome the deficiencies of Kalman and Adaptive Kalman filters. Process noise covariance Q and measurement noise covariance R calculated successfully and by using these parameters comparisons of conventional Kalman filter and adaptive Kalman filter were made on both real and artificial signals. At the end of the study, ARW, RRW and Flicker noises were reduced successfully. The ARW and Flicker noise parameters were improved in the proportion of 70%. RRW was reduced in the proportion of 43%, also the sudden angular rate changes in FOG signal was transferred successfully to the filter output.