半球谐振陀螺研究现状、关键技术和发展趋势分析

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、小型化的角速度传感器,被誉为"具有颠覆性的技术","可以改变惯导行业版图".综述了半球谐振陀螺国内外研究现状,分析了国内外主要差距;总结了半球谐振陀螺的关键技术,强调了精密加工、化抛、调平、镀膜、装配、电路控制和误差补偿等关键技术;分析了半球谐振陀螺的发展趋势,包括技术发展趋势和市场...     

谐振式光纤陀螺背向散射噪声抑制研究

背向散射噪声是谐振式光纤陀螺的主要噪声之一。基于载波抑制法降低背向散射噪声的原理,建立了温度和电压对陀螺零偏影响的数学模型,理论证明此方法受温度影响较大且对电路要求较高。提出了三频差动谐振式光纤陀螺新方案,该方案通过谐振腔内运行三束频率间隔较大的光波来抑制背向散射噪声。与传统二频闭环陀螺进行了对比试验,结果表明:新方案能有效地降低陀螺噪声,最大陀螺零偏和零偏稳定性改善约4倍。     

谐振型光纤陀螺克尔效应误差消除方法研究

对采用方波频率调制数字闭环谐振型光纤陀螺中克尔效应的影响进行了深入的理论分析,〖CM)〗〖JP〗 分析表明，由克尔效应引起的陀螺误差不仅与光纤环内两相反方向光束的光强差有关，而且还依赖于两路光波频率调制的调制幅度,通过适当调节两光束的频率调制幅度，可有效地实现克尔效应误差的消除,这种基于方波频率调制的克尔效应误差消除方法利用了方波调制的特点，通过调节调制幅度实现误差消除，无需额外光学元件，对强度调制器调制频率要求低，是数字谐振型光纤陀螺系统中消除克尔效应误差的有效方法,     

聚合物集成光学陀螺最佳耦合系数的研究

无源环形谐振腔(Passive ring resonator,PRR)是谐振式光学陀螺(Resonator optic gyros,ROG)的核心敏感器件,其光学传递函数的半峰全宽是决定陀螺标度因子的重要因素之一。根据多光束干涉理论,耦合系数将通过对反射式无源环形谐振腔的半峰全宽的作用而影响陀螺的标度因子。根据耦合模理论和调频检测原理,以标度因子最优为判据,推导了一般情形下耦合系数对标度因子的影响,论证了最佳耦合系数的存在与确定方法,并进行了仿真验证。结果表明,光纤陀螺中5%左右的最佳耦合系数取值不具有普遍意义,为较高波导传输损耗的聚合物集成光学陀螺结构优化提供一种新的思路。     

基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数测试

针对转台测试谐振式光纤陀螺标度因数时存在的测试精度受限于转台性能影响的问题,提出一种基于锯齿波等效输入的陀螺标度因数测试方法.通过在相位调制器上叠加锯齿波偏频信号用于模拟角速度输入,分析了实际转台输入和模拟角速度输入下谐振式光纤陀螺闭环传递函数,推导了偏频锯齿波信号参数与实际输入角速度的对应关系,理论证明了其技术可行性.搭建了基于锯齿波偏频的陀螺标度因数测试系统,对研制的陀螺样机进行了标度因数及非线性度测试,基于锯齿波偏频方法测得的陀螺标度因数与实际转台测试结果基本一致,且标度因数非线性度从0.42%优化到0.26%.研究表明基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数快速标定测试方法不仅可以精确测得标度因数,还可有效抑制转台振动等环境干扰引入的测量误差.     

基于TMS320C6711的光纤陀螺闭环数字信号处理系统的开发

提出了一种以TI公司的TMS320C6711处理器为基础的有工程意义的闭环光纤陀螺信号处理方案。介绍了闭环光纤陀螺系统的原理和检测方法。对ADC和DAC的选择进行了理论分析,对闭环光纤陀螺数字处理系统的硬件和软件进行了设计。使用了高效的McBSP口与外围ADC,DAC通信,利用JATG口实时监控DSP的工作过程,并升级了程序。针对陀螺系统所要求的实时性开发了能够满足精度要求的高效数字滤波算法。     

高Q光纤环谐振腔陀螺角速度传感研究

模拟仿真了谐振式光纤环腔的透射谱线以及鉴频曲线,得透射谱线最低谷值对应为调制谐振点,鉴频曲线的线性区为陀螺的工作范围区,线性区中点对应谐振点,可作为标度因数最大值.为了实现谐振点的高精度锁频和稳频,设计了谐振式光纤陀螺角速率测定方案,使用比例积分反馈电路实施锁频,利用正弦波扫描窄线宽激光器(线宽小于1kHz)的压电转化模块,使激光器谐振腔长发生变化,从而改变其输出频率,对谐振光纤环腔随外界环境变化同时进行跟踪和锁定.利用线宽法测试并计算出光纤环形谐振腔的品质因数值为107,对比分析了光纤环腔在谐振点和非谐振点锁定情况下的光电探测实时输出,并通过转动测试,得到两种情况下锁定后陀螺的连续转动效果.计算了光纤陀螺系统理论检测灵敏度,结果表明:谐振点锁定后转动效果对应的陀螺输出电平值为锁定非谐振点转速电平值的3倍,验证了谐振式光学陀螺谐振点锁频的重要性.     

闭环光纤陀螺全数字式信号检测方法研究

研制成功基于阶梯波调制技术的闭环光纤陀螺全数字式信号检测系统.提出了闭环光纤陀螺几个重要参数的测试方法,并给出了实验结果.     

闭环光纤陀螺数字信号处理系统设计

针对光纤陀螺信号处理要求实时性高、算法较为复杂的特点,提出了一种以Xilinx公司的现场可编程门阵列XC6SLX16为基础的闭环光纤陀螺信号处理方案。根据光纤陀螺高精度和匹配性要求,对闭环信号处理系统关键的模数转换器和数模转换器的选择进行了理论分析,并对系统的硬件和软件进行了设计。对试验样机的测试结果表明,该系统能准确快速地实现光纤陀螺信号检测,体积小、功耗低、可靠性高,对光纤陀螺的工程化具有实际的参考意义。     

高Q值半球谐振子精密加工技术研究

半球谐振子的机械能量损耗包括材料本征损耗、空气阻尼损耗、支撑损耗、热弹性损耗和表面损耗等,直接影响了半球谐振子Q值。通过分析这些能量损耗的数学模型,总结出半球谐振子的关键技术指标是材料性能、形位精度和表面粗糙度。综合考虑半球谐振子的精度和工程化应用,提出了一套高精度半球谐振子加工工艺,经过精密磨削、精密抛光和化学抛光后,加工得到的谐振子球面圆度小于0.25μm,表面粗糙度小于15 nm,品质因数大于5.2×107。对高精度半球谐振子加工和半球谐振陀螺制造工程化具有重要的指导意义。     

半球谐振陀螺驱动电路仿真及实验研究

半球谐振陀螺具有结构简单、抗辐射与冲击、寿命长、可靠性高等优点,其中驱动电路是获取高精度陀螺信号的关键。对影响半球谐振陀螺性能指标的单元电路展开了研究及优化设计,基于微弱信号处理、滤波等技术研究了提高检测电压稳定的方法。采用Tina-TI软件对设计电路的性能进行了仿真,实现了增益40 dB、噪声4.81μV/√Hz的整体电路设计。搭建陀螺样机测试了电路,根据实验结果给出了HRG不同叠加激励信号的作用下其输出信号的演变趋势。结果表明:随着直流、交流电压的增加,均会增大半球谐振陀螺输出信号的幅值;当激励信号电压不变时,交流信号的频率改变也会影响半球谐振陀螺输出信号的幅值。因此,研究半球谐振陀螺的激励信号对输出信号的影响,为设计半球谐振陀螺的驱动电路提供了参考。     

面向谐振式微光学陀螺应用的球形谐振腔DQ乘积优化

基于谐振式光学陀螺高灵敏度、低成本与微型化的发展需求, 为了实现高灵敏度的谐振式微光机电陀螺, 提出了以集成光学微谐振腔领域里高Q值、大直径谐振腔的制作为目标, 应用方向为谐振式光学陀螺的球形光学微谐振腔核心敏感单元. 在实验中以氢火焰作为热源采用熔融法制备球形光学微谐振腔. 通过调节氢气的流量控制氢火焰热源面积, 制备了不同直径(300-2200 μm)的球形谐振腔, 分析了球形谐振腔Q 值、DQ乘积、陀螺灵敏度与谐振腔直径D的对应关系及其原因, 获得了最优参数的面向谐振式光学陀螺的球形谐振腔敏感单元. D=1260 μm时, 球腔品质因数 Q=7.18×10⁷, 得到的最优陀螺灵敏度约为10°/h, 满足商业级应用的需求, 为芯片级、高精度、低成本的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础.     

三角波调制对谐振微光学陀螺偏置稳定性的影响

谐振式微光学陀螺是一种新型的惯性传感仪器,与传统的机械陀螺与其他光学陀螺相比具有很多理论上的优势。通过分析抑制载波和提高信噪比,深入地研究了三角波调制频率和幅度对谐振式微光学陀螺偏置稳定性的影响。通过理论计算和仿真分析,考虑得到更好的载波抑制效果,调制幅度应选为15.44 V;考虑提高信噪比,调制频率应设为1 MHz。搭建了谐振式微光学陀螺系统,实验测试结果与理论分析吻合较好。此外,采用优化的调制参数,陀螺的偏置稳定性由0.39 ()/s提高到0.18 ()/s(10 s积分时间)。研究结果表明:选择优化的调制三角波参数可以将陀螺偏置稳定性提高一倍,对于其他调制方案,如正弦波相位调制方案,同样可以通过分析载波抑制和信噪比优化调制参数,改善陀螺偏置稳定性。     

三角波调制对谐振微光学陀螺偏置稳定性的影响（英文）

谐振式微光学陀螺是一种新型的惯性传感仪器,与传统的机械陀螺与其他光学陀螺相比具有很多理论上的优势。通过分析抑制载波和提高信噪比,深入地研究了三角波调制频率和幅度对谐振式微光学陀螺偏置稳定性的影响。通过理论计算和仿真分析,考虑得到更好的载波抑制效果,调制幅度应选为15.44V;考虑提高信噪比,调制频率应设为1 MHz。搭建了谐振式微光学陀螺系统,实验测试结果与理论分析吻合较好。此外,采用优化的调制参数,陀螺的偏置稳定性由0.39(°)/s提高到0.18(°)/s(10s积分时间)。研究结果表明:选择优化的调制三角波参数可以将陀螺偏置稳定性提高一倍,对于其他调制方案,如正弦波相位调制方案,同样可以通过分析载波抑制和信噪比优化调制参数,改善陀螺偏置稳定性。     

集成光波导陀螺双光路三角波调相谱脉冲噪声特性

基于三角波调相谱技术的谐振式集成光波导陀螺(RIOG)信号检测,光波相位调制引入的频谱分量所带来的光学噪声成为限制陀螺性能提升的主要因素。结合光波在三角波相位调制下的频率变化特性和波导谐振腔的光传输特性,给出了三角波调制下的同步解调信息;依据三角波调制下对背向散射噪声抑制的幅度调制参数和系统最大灵敏度工作点的频率调制参数,结合多光场叠加原理,理论仿真分析了谐振谱不同谐振区的输出脉冲噪声,这种脉冲噪声将对工作于不同调制频率下顺逆时针传输光波的信号采集区带来干扰;搭建了基于二氧化硅波导环形谐振腔的陀螺实验系统,分别测试了激光扫描下谐振腔不同谐振区的脉冲噪声和激光频率锁定在谐振腔谐振点时的脉冲噪声,与理论分析一致。分析结果表明,RIOG采用的三角波调相谱信号检测技术存在无法克服的脉冲噪声,针对不同要求的RIOG,给出了相应的调制技术方案,这为RIOG的工程化和性能优化提供了技术参考。     

光纤陀螺数字闭环控制系统模型实验研究

数字闭环光纤陀螺的动态性能受控制系统设计的影响.根据光纤陀螺数字闭环检测过程,建立了控制系统的数学模型.为在全频带内对模型进行验证,提出了基于Faraday效应的光纤陀螺频率响应测试方法,对该测试方法与角振动台测试方法的等效性进行了分析.设计了频率响应测试系统,测试范围大于50 kHz,波形失真小于0.1%.实测了采用一阶积分控制算法的数字闭环光纤陀螺频率响应.实验结果表明模型误差小于8%.     

谐振式集成光学陀螺解调特性分析

基于激光器频率谱检测技术,沿着光的传输方向分析了光波在谐振式集成光学陀螺系统中的传播,结合输入信号特征,建立频域内的数学模型,通过数值仿真和实验得到了调频检测系统下的解调曲线。按照光的传输方向：激光器、声光晶体移频器、光波导环形谐振器、探测器,利用贝塞尔函数展开和光场耦合模理论分析了谐振式集成光学陀螺解调特性,及其调频调制检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系。通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在激光器压电陶瓷驱动器上调制波形的最佳调制系数。在实验上搭建了激光器频率调制解调技术系统,得到了解调曲线。数值仿真和实验结果表明,当调制系数M=2时,线性工作区间斜率最大,解调曲线最好。实测形状与理论分析结果相符,从解调信号得到±2×10³ rad/s的陀螺动态范围。     

无自旋交换弛豫原子自旋陀螺非线性特性实验研究

采用基于圆偏振探测光的光纤Sagnac原子自旋进动闭环检测技术,实验测试了无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺在两种不同抽运状态下的角速度输入/输出特性,发现了SERF原子自旋陀螺输出的非线性现象。基于SERF原子自旋陀螺理论,建立了非线性响应模型并进行仿真研究,仿真结果与实验测试一致。研究表明:SERF原子自旋陀螺的非线性由原子内在相互作用决定,与总电子弛豫率R_(tot)密切相关。     

谐振腔光纤陀螺光纤谐振环特性研究

对有限光源线宽情况下反射式光纤谐振环的响应特性进行了研究,得到了光纤谐振环各谐振特性参量的表示式.分析了特性参量与光源线宽和耦合器特性的关系,结合对方波调制谐振腔光纤陀螺极限灵敏度的分析,给出了设计高灵敏度谐振腔光纤陀螺光纤谐振环的要求和原则.进行了谐振腔光纤陀螺用光纤谐振环的实验研究,制作了适用于谐振腔光纤陀螺的高精细度和高谐振深度光纤谐振环.     

集成光学芯片的闭环光纤陀螺研究

简要分析集成光学芯片闭环光纤陀螺的构成、信号检测方法及电路实现方法。