四频差动激光陀螺小抖动稳频初步研究

为避免传统光强差稳频方式的缺陷,提出了四频差动激光陀螺小抖动稳频方法.从四频陀螺工作原理出发,分析了小抖动稳频的特性和难点,如鉴频灵敏度较低、陀螺参量不当时工作点有严重偏移、工作模式不易判别、陀螺零漂受稳频精度影响大.针对每一难点提出,解决办法,特别是极低噪声电路的设计技术是提高四频陀螺小抖动稳频精度的关键.提出的解决方案为进一步实验研究提供了理论指导.     

有限冲击响应滤波器在四频激光陀螺中的应用

针对目前四频差动激光陀螺光学解调方案可靠性和温度特性差的特点,介绍一种基于FPGA的数字拍频解调方案。分析了四频差动激光陀螺数字拍频解调对电路系统的需求,对数字拍频解调的关键部件低通滤波器进行了设计与实现。根据四频差动激光陀螺的特性参数计算滤波器的通带截止频率及阻带截止频率,使用MATLAB的滤波器设计和分析工具FDATool完成了有限冲击响应（FIR）数字滤波器的参数设计,并利用Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE实现FIR数字滤波器的片上系统设计。仿真和实验结果表明,所设计的FIR数字滤波器对四频差动激光陀螺的和频分量衰减达到-66 dB,满足四频差动激光陀螺拍频解调的需求,并有助于实现四频差动激光陀螺的小型化和数字化。     

四频差动激光陀螺稳频控制仿真

介绍了四频差动激光陀螺稳频的基本工作原理,在分析稳频电路各组成环节传递特性的基础上,给出了稳频控制系统的开环和闭环传递函数,并从满足相位裕度指标(45°)角度对控制系统各参数进行了优化,结果显示当开环总增益k取33时系统有较好的稳定性和较快的响应速度,满足四频差动激光陀螺稳频控制要求。     

四频差动激光陀螺工作点的选择

当四频差动激光陀螺工作于增益曲线上左、右旋陀螺比例因子相等位置时,误差因素在拍频的差动中得到较好的抵消,因而具有较优的性能。为了从实验上寻找该最佳工作点,对四频差动激光陀螺拍频表达式进行了分析,发现静态下和频的电压扫描曲线呈抛物线变化,而且当左、右旋陀螺比例因子相等时,和频的电压扫描曲线处于转折点。设计了实验通过和频电压扫描曲线得到了理论最佳工作点,在不同工作点下对陀螺进行测试,根据其零偏稳定性随工作点的变化趋势,得到了实测最佳工作点。对某型5个陀螺的多次实验表明,由和频电压扫描曲线得到的理论最佳工作点与实测最佳工作点基本一致,最大误差2Hz。该方法可作为四频陀螺选择最佳工作点的参考方法。     

基于DSP的激光陀螺稳频回路设计及其参数整定

针对某小型化激光陀螺,对基于TMS320F2810数字信号处理芯片（DSP）的激光陀螺交流抖动稳频回路设计及其参数整定进行了理论分析、Matlab数值仿真和实验研究。TMS320F2810这款芯片具有集成度高、处理速度快、功耗低和性价比高等突出优点,有利于实现激光陀螺控制系统的小型化。基于这款DSP芯片实现了某小型化激光陀螺的交流抖动稳频回路的软、硬件设计,使用衰减曲线法得到了该型激光陀螺经优化后的PID控制参数（Kp=0.048,Ki=0.059,Kd=0.013）,并根据国军标对稳频回路进行了实验验证。实验结果表明,稳频控制回路经过PID参数整定后,该小型化激光陀螺的零偏稳定性从0.025/h降到0.014/h,该稳频控制回路在目标型号激光陀螺上满足预期的性能指标要求。     

基于电子信号处理的四频激光陀螺信号读出研究

针对当前四频差动激光陀螺(DLG)读出系统结构复杂、易受温度影响等问题,对现有读出系统进行了改进,设计了使用电子信号处理代替光学信号处理来分离左、右旋陀螺信号的新型读出系统。通过对一个DLG同时使用新旧两套不同的读出系统进行测试,得到了相同的测试结果,表明电子信号处理和光学信号处理在分离左、右旋陀螺信号方面是等效的。在此基础上,首先使用模数转换器对DLG的光电转换信号进行采样,然后进行了数字信号处理,并研制出了全数字化读出系统。新型读出系统不使用四分之一波片和偏振片等光学元件,具有温度稳定性好、结构简单、全数字化等优点,有利于四频陀螺性能的提高和批量生产。     

四频差动激光陀螺中的粒子数脉动效应

为研究激光陀螺精细模耦合作用,考虑了增益介质中的粒子数脉动效应.从激光器物理原理出发,分析了粒子数脉动效应的产生机制,结合四频差动激光陀螺特点,得出粒子数脉动效应是一种精细模耦合效应,不同激光模式间的拍频使增益介质中粒子数布居差产生调制,进而对模耦合产生影响.数值计算了粒子数脉动在耦合效应中的大小.计算结果表明:粒子数脉动效应和其他耦合效应随腔频变化基本一致,在大多数腔频范围内数值较小,为其他耦合效应的4%以下;在某些腔频范围(如0.37＜ξ＜0.46,0.02＜ξ＜0.06,0.86＜ξ＜0.88)有较大数值,为其他耦合效应的80%以上,在激光陀螺的模耦合分析中不可忽略.     

基于FPGA的四频陀螺信号解调系统的设计与仿真

为了简化四频差动激光陀螺的信号读出系统,采用了一种基于FPGA实现的数字电路解调方案取代传统的合光棱镜中的1／4波片和偏振片来分离左、右旋陀螺信号。简述了四频差动激光陀螺的信号读出原理及解调电路方案,设计了主要由A／D转换器和FPGA构成的四频陀螺信号读出系统。通过Quartus Ⅱ等EDA工具在软件上对系统予以了实现,并针对其主要功能模块进行了仿真验证。仿真结果表明,将四频陀螺信号转化为数字信号后,利用FPGA实现信号解调并最终达到分离左、右旋陀螺信号的方案是可行的,该方案将有助于全数字化激光陀螺的研制。     

正负旋四频差动激光陀螺矢量自洽方程组的推导

<正>负旋四频差动激光陀螺是一种除反射片外腔内无光学元件的新型四频差动陀螺,其激光工作模式为椭圆偏振本征模。为研究其工作特性,以椭圆偏振模式为本征模,从兰姆半经典自洽场理论出发,结合密度矩阵运动方程,采用三阶微扰处理方法,得出了椭圆偏振模式下的兰姆系数。分析表明,圆偏振本征模下的兰姆系数经加权后可得到椭圆偏振本征模下的兰姆系数,权重是正/负旋圆偏振模电场强度分量大小占椭圆偏振模总电场强度大小比重的平方。由此建立了正负旋四频差动激光陀螺矢量自洽方程组,初步实验验证了理论公式的有效性,可用来对正负旋四频差动激光陀螺进行理论研究。     

激光陀螺稳频稳锁区控制参数测试系统

稳频稳锁区控制系统对提高激光陀螺的性能有着重要意义。设计了激光陀螺稳频稳锁区控制系统,并开发了稳频稳锁区控制参数测试系统。结合某型激光陀螺进行了试验验证。结果表明,该系统完全满足陀螺控制系统参数测试的需求,符合陀螺设计指标。     

石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺中光场偏振特性的影响

为研究石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺的影响,从陀螺的自再现传播矩阵出发,结合石英晶体旋光率随温度变化的经验公式,利用琼斯矩阵求本征模的方法,得出了四频差动激光陀螺腔内光场本征偏振态与温度的关系并进行了数值分析,得到椭圆度和左右旋差损随温度变化的曲线。结果表明,石英晶体温度效应对偏振特性的影响与反射镜片的振幅反射率和反射相移有密切关系,对于典型陀螺参量,在-60℃～60℃范围内石英晶体温度效应导致左右旋差损从0增加至10-6量级, 椭圆度从0.122增至0.138。     

四频差动激光陀螺开机零漂特性研究

四频差动激光陀螺开机零漂性能对于快速启动场合有重要价值。从开机预热过程出发,分析其物理作用机制,讨论了几种影响因素,并提出相应解决方法。如采用色散平衡技术减小零漂对稳频位置的敏感性,采用自动增益控制回路稳定光强,采用空间异面腔结构消除水晶片负性影响,采用合理的热布局设计加快热平衡过程,采用可靠性高的检测电路增强稳定性,采用相关措施削弱腔体变形等方法。实验表明,这些方法对改善开机零漂性能是有效的,对研究者有一定参考价值。     

小型集成三通道机抖激光陀螺数字式控制电路设计

针对军事和民用工程中亟待解决的捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度问题,提出了一种以单块电路板实现对3个机械抖动激光陀螺进行数字式稳频控制、抖动控制、稳流控制、信号检测及脉冲计数的全功能小型机抖激光陀螺集成控制方案,设计了以DSP和FPGA为核心控制器的陀螺电路。试验结果表明,该集成控制电路能同时实现3路陀螺的自动控制,参数调整灵活方便,控制精确稳定,在实现小型化集成化的同时,提高了激光陀螺的输出精度,为捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度奠定了基础,已在多个项目中获得工程应用,具有较高实用价值。     

抖动偏频激光陀螺速率阈值特性研究

本文从理论上分析了正弦抖动偏频激光陀螺速率阈值特性,提出了一种用于测试抖动偏频激光陀螺速率阈值的试验方案,结果表明激光陀螺在零速率处存在与理论相符合的小死区,动态锁区值与陀螺速率阈值具有确定的对应关系。     

激光陀螺抖动偏频优化研究

基于频率调制理论,分析、仿真计算了正弦抖动偏频和优化后的正弦抖动偏频条件下,激光陀螺输入-输出曲线的特点.结果表明：正弦抖动偏频时激光陀螺的输入-输出曲线在抖动频率的倍频点处存在着动态锁区,其宽度与激光陀螺静态锁区、抖动角振幅有关.采用优化后的正弦抖动偏频可以很好地克服动态锁区,大大提高激光陀螺输入-输出曲线的线性度.试验对比了正弦抖动偏频和优化后的正弦抖动偏频条件下激光陀螺的输出性能.试验结果表明：采用优化后的正弦抖动偏频显著提高了陀螺准确度.     

四频差动激光陀螺的磁敏感性与最佳工作点

为了减小四频差动激光陀螺(DILAG)的磁敏感性,研究了工作点对磁敏感性的影响.根据理论分析,磁敏感性主要来自于左、右旋陀螺相对比例因子修正的不对称,它与工作点有关,在最佳工作点下为零.通过在DILAG增益管上缠绕线圈产生轴向磁场,调节附着于腔平移镜上的压电换能器的驱动电压改变工作点,得到磁灵敏度随工作点的变化规律.结果表明,DILAG在最佳工作点下对外界磁场不敏感,且在每个工作区存在唯一的最佳工作点.DILAG工作在最佳工作点可以使外界干扰在差动中消除,因而有利于提高其性能.为了保证DILAG工作在最佳工作点,必须改变传统的光强差稳频方式.     

全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术

针对全反射棱镜式激光陀螺在稳频过程中相敏信号易受噪声干扰的现象,研究了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术。理论分析了全反射棱镜式激光陀螺的稳频特性,结合自适应噪声对消原理,建立了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频系统的数学模型。通过硬件电路设计,搭建了基于递归最小二乘算法的自适应稳频控制系统。分别对原有稳频技术与自适应稳频技术进行了实验测试,实验结果表明,自适应稳频能有效消除噪声对相敏信号的干扰,稳频精度提高了近一个数量级,陀螺精度相应提高了60%以上。此分析结果为提高全反射棱镜式激光陀螺的性能提供了重要参考。     

全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术EI北大核心CSCD

针对全反射棱镜式激光陀螺在稳频过程中相敏信号易受噪声干扰的现象,研究了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术。理论分析了全反射棱镜式激光陀螺的稳频特性,结合自适应噪声对消原理,建立了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频系统的数学模型。通过硬件电路设计,搭建了基于递归最小二乘算法的自适应稳频控制系统。分别对原有稳频技术与自适应稳频技术进行了实验测试,实验结果表明,自适应稳频能有效消除噪声对相敏信号的干扰,稳频精度提高了近一个数量级,陀螺精度相应提高了60%以上。此分析结果为提高全反射棱镜式激光陀螺的性能提供了重要参考。     

激光陀螺光强扫模曲线模高的影响因素与改善途径分析

激光陀螺光强扫模曲线是陀螺稳频的依据,也是激光陀螺环形激光器振荡特性的基本表征,同时也是陀螺性能好坏的重要标志之一。通过引入新的参量——模高,描述光强扫模曲线的其他特征。光强扫模曲线模高是在腔长变化一个0.6328 μm条件下对应光强的最大变化量,是反映光强扫模曲线尖锐度的特征量,该特征量与陀螺稳频精度、稳频响应时间等物理量直接相关,模高越大,则对应的稳频精度就越高,稳频响应时间越短。通过对激光陀螺扫模过程中模高产生的物理机理进行理论分析,确定出了影响模高的主要因素。通过理论分析、数值仿真得出:采取增大球面镜曲率半径、增大腔长、降低损耗、增大增益等措施,可使激光陀螺光强扫模曲线的模高增大3倍以上,这对于提升稳频精度、缩短稳频响应时间、降低陀螺比例因子非线性度误差、提高激光陀螺快速稳定性等具有重要的指导意义和工程实用价值。     

基于DSP技术的外腔半导体激光器自动稳频系统

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。