高精度激光陀螺仪的技术关键

激光陀螺仪的精度指标为零偏稳定度、噪声和标度因数的稳定度。闭锁阈值直接影响激光陀螺仪的精度。本文介绍了闭锁阈值的计算公式,分析了激光陀螺仪的主要误差来源。在此基础上,指出减小谐振光路中损耗和采用速率偏频技术是提高激光陀螺仪精度的主要技术关键。     

核磁共振陀螺仪泵浦光频率波动抑制

核磁共振陀螺仪利用原子核自旋磁矩在静磁场中进动频率的不变性敏感载体转动信息。针对泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能的问题,研究了泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能机理和抑制方法。通过分析核磁共振陀螺仪理论输出的数学模型和自旋光泵极化~(129)Xe核子的过程,阐明了泵浦激光频率波动对陀螺仪性能影响的机理。分析表明,为了获得更高的碱金属极化率和稳定性,从而得到更好的陀螺仪零偏稳定性,需要将泵浦光的频率稳定在~(87)Rb的原子的共振跃迁频率处。采用波长调制法实现了泵浦光频率的稳定控制。通过实验对比发现:稳频使得陀螺仪的零偏稳定性从389.68(°)/h(1σ)降低至40.74(°)/h(1σ),降低了89.5%。因而得出结论:抑制泵浦激光频率的漂移可以有效提高核磁共振陀螺仪的性能,主要体现在陀螺仪的零偏稳定性上。     

静电陀螺转子位移测量电路的研究

—静电陀螺转子位移测量电路是静电陀螺支承系统的重要部件。它直接影响转子在电极球腔中的失中度，从而导致陀螺漂移。因此在温度变化及电磁干扰情况下，必须提高测量电路的分辨率和零位稳定性。本文在理论分析和实验研究的基础上，提出参数优化设计方法和模块化结构设计。实验结果表明所研制的电路性能良好，工作稳定度达到了高精度静电陀螺仪的要求。     

基于扫频振动环境的燃气陀螺仪动态漂移控制技术

燃气陀螺仪是一种依靠火药燃气驱动的陀螺本体为机械框架式结构的惯性陀螺仪,它能够准确地测出弹体在飞行过程中随时间变化的姿态角,是弹体控制回路中的关键测量部件,其在不同振动环境中的漂移控制技术对制导武器弹体姿态的准确测量非常重要。本文利用欧拉方法,推导了陀螺仪的测量原理和漂移产生机理,分析了摩擦力矩、不平衡力矩,以及弹体环境施加的外力矩对陀螺漂移度的影响,并设计燃气陀螺仪的扫频振动试验找到陀螺对外加力矩的敏感频率。试验结果表明,在敏感频率400～800Hz范围内,通过改善弹体安装环境,可将陀螺仪漂移从大于3°减少至0.5°范围内。该方案具有较高的工程实用价值。     

基于多周期测量的四频差动激光陀螺高精度信号解调

分析了四频差动激光陀螺信号的解调原理，针对采用频率测量计数解调方法存在脉冲量化造成的角速度测量分辨率低的问题，改用多周期测量来代替频率测量，大大提高了四频差动激光陀螺信号的解调精度。通过数字滤波器滤波处理，可以减少随机噪声干扰，进一步提高精度。为满足实时性要求，该方法采用FPGA来实现。实验表明，此方法提高了四频差动激光陀螺角速度测量分辨率，为快速高精度方位自对准奠定了基础。     

激光陀螺捷联惯导减振系统动力学建模与仿真

由于激光陀螺固有机抖频率的存在,以及导弹运输、装卸、发射与飞行过程经历的动态环境中振动、冲击、过载等激励,导致激光陀螺在导弹上使用输出精度差。应用多体系统传递矩阵法,建立了激光陀螺捷联惯性测量组合减振多体系统动力学模型,分析激光陀螺固有抖动和导弹振动冲击对激光陀螺输出精度的影响。通过对减振系统动力学模型进行仿真,获得了激光陀螺抖动和导弹冲击环境下激光陀螺捷联惯性测量组合减振系统动态响应。该仿真结果为激光陀螺捷联惯性测量组合减振设计提供理论依据,该分析方法为激光陀螺捷联惯组在导弹上应用提供理论基础。     

冷原子干涉仪激光控制系统集成化设计及其在重力测量中的应用

为满足冷原子干涉仪工程化研制需求，推动其在重力测量等领域的实际应用，提出一种以现场可编程逻辑门阵列为集成微处理单元，以直接数字频率合成器为分布执行单元的单激光器激光控制方案，降低系统的尺寸重量功耗，提高控制的集成度，改善外场的适应能力。对基于该激光控制系统的性能进行了评估，并开展了87Rb自由下落式冷原子干涉重力测量实验验证。实验结果表明，所提出方案能够适用于冷原子重力仪激光系统的输出控制，基于所搭建的激光控制系统完成了41小时的连续重力测量实验，重力固体潮测量稳定性达到4.3μGal@1 h，与原有实验室样机的重力测量性能相当，且体积重量功耗之乘积降低至其1/11。     

光纤陀螺仪在惯性测量组合中的应用分析

介绍了闭环方案的干涉型光纤陀螺仪和捷联惯性测量组合。针对惯测组合的特定应用，分析了其面向的系统环境。通过对环境引入陀螺仪的误差项及其控制方案进行了具体分析和比对，提出了较优的应用方案和测试参数。采用该方案的惯性测量组合进行了充分实验和实际应用，证明了其可行性。     

气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响及改进

研究了气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响,提出了降低光纤陀螺仪气压灵敏度的设计方法。理论分析并实际测量了气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响,试验研究了光纤环浸胶固化和密封这两种降低光纤陀螺仪气压灵敏度设计方法的有效性。结果表明,变气压条件下光纤陀螺仪的零偏稳定性劣化1~2个量级,对光纤环浸胶固化后,光纤陀螺仪的气压灵敏度减小1倍,可以在一定程度上减小空气的扰动,改善气压变化对光纤陀螺仪的影响。而对光纤陀螺仪进行密封设计是一种更有效的措施。对光纤陀螺仪进行密封设计后,光纤陀螺仪的气压灵敏度为零,光纤陀螺仪零偏稳定性基本不受变气压环境的影响,解决了光纤陀螺仪受气压变化影响精度的问题。     

基于DDS-PLL技术的MEMS陀螺仪闭环驱动系统设计

为了提高科氏振动陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性,设计了基于DDS-PLL技术的MEMS陀螺仪闭环驱动系统。利用基于直接数字频率合成器（DDS）算法的数字锁相环实现对陀螺谐振频率和相位的跟踪,采用数字自动增益模块（AGC）实现驱动幅值的稳定控制。实验结果表明,通过DDS算法实现的闭环驱动系统具有更高的控制精度,驱动幅值变化的均方差缩小到0.0011 mV,幅度稳定性为183 ppm,谐振频率变化的均方差缩减至0.07 Hz,频率稳定性为3.48 ppm,陀螺仪驱动模态的幅值和频率控制精度得到了提高。     

空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统设计

针对空间三轴机抖激光陀螺设计了交流稳频控制系统,分析了系统原理,进行了Simulink仿真建模和试验研究。在系统原理中分析了控制过程,推导了系统函数,通过Simulink交流稳频系统仿真建模摸索了空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统中PID参数对系统响应的影响,并得到了优化参数(K_P=0.048,K_I=0.0021,K_D=0.0037),为硬件调试提供了参考。将交流稳频控制系统应用于国产某型空间三轴机抖激光陀螺进行试验,试验结果显示通过PID参数调节后的交流稳频陀螺PZT码值变化平稳,陀螺静态脉冲输出稳定,与原直流稳频控制方法相比将空间三轴机抖激光陀螺的精度提高了20%。     

激光陀螺数字直流稳频系统设计

从激光陀螺稳频原理出发，分析了交流稳频和直流稳频的异同。设计实现了激光陀螺数字直流稳频系统，分析了控制系统的稳定性和误差并做了数字算法实现。最后试验验证了该系统的稳频性能，得到了优于交流稳频的效果。     

Two component LDV system with dual-differential acousto-optical frequency shift and its applications

This paper describes the main properties of the two component LDV system developed with the dual-differential frequency shift technique. It has the advantages of multiple functions, better SNR and high utilization of information. So it offers as a complete technique and method for measuring 2-D complex flows. By applying this system, 2-D turbulent separated flow measurements have been made in a duct with an asymmetrical sudden expansion and in a wind tunnel flow over a 2-D rib. The Reynolds numbers were at 5900 and 4500 respectively.     

低雷诺数下圆柱体的旋涡脱落频率

本文用激光测速技术观测到,在雷诺数50至250的范围内,圆柱体绕流的旋涡脱落频率与来流流速之间的关系存在不连续的突变。为了避免前人实验中存在的疑点,本文用FFT技术对信号进行分析以提高频率的测量精度;用锁相环跟踪技术以实现频率-流速关系的连续自动记录。本文得出,当雷诺数达到150—160时,旋涡脱落频率与来流流速的关系突然由一直线下降到另一直线,频率减小约3％。     

集成光学角速度传感器及其关键器件的研制

本文介绍了清华大学研制的集成光学角速度传感器 ( IORS)系统方案及其关键器件 ,包括 :( 1 )窄线宽单模光纤 Bragg光栅外腔式二极管激光器 ( FBG- LD) ;( 2 )声体波的声光移频器 ( AOFS)及其直接数字合成 ( DDS)的控制电路 ;( 3)谐振型 IORS( R- IORS)的实验装置 ,采用光纤仿真的光波导 Sagnac敏感环 ( SSR) ;( 4 )干涉型 IORS( I- IORS)的实验装置 ,采用光纤仿真的再入式 SSR。采用上述 AOFS研制了一种全光纤延迟的自外差测量系统 ,用于测量上述 FBG- L D。初步的实验结果表明 ,所提出的上述 R- IORS和 I- IORS都可开发为新型光学陀螺的产品     

激光陀螺抖动系统振动特性的有限元分析

建立了激光陀螺抖动系统的三维有限元模型,对其振动特性进行了模态分析,并对该系统进行了模态实验测量,最后将模态分析的结果和实验测量结果进行了对比。对比结果表明,所建立的有限元模型合理,分析结果可靠,对该系统的改进设计具有重要意义。     

基于激光陀螺的稳定平台控制

针对舰载双轴稳定平台的控制技术研究,选用四频激光陀螺作为惯性角传感器,通过扫频辨识出控制对象的传递函数,再利用滞后型频率特性补偿器进行频率校正,设计出了速度与位置双闭环的伺服稳定控制系统。对设计的双轴激光陀螺稳定平台系统进行了仿真计算和实验测量,仿真与实验结果比较一致,主要参数为:设计的稳定平台控制系统静态力矩刚度达到了7.852×107 N.m/rad,阶跃响应的上升时间为30 ms,调整时间为150 ms,超调量为12%;当载体基座以幅值为17.661°、频率为0.437 Hz的正弦角速度扰动时,速度环稳定误差优于±0.05(°)/s,位置环稳定误差优于±3″。     

2007年激光市场和技术

本文叙述了2007年激光市场及相关的技术状况。2007年的激光市场规模预计为60亿美元，比去年增加8%。半导体激光器的销售额占总数的一半以上。半导体激光器的主要应用是光学数据储存和长途光通讯。非半导体激光器具有比较强大的激光能力和广泛的应用，但是比较复杂。非半导体激光器主要用于与半导体及汽车商业有关的材料加工。非半导体激光器的第二个用途是与整容化妆有关的医学治疗。光纤激光器是最有魅力的非半导体激光器。     

基于高速图像分析的激光器光束稳定性及光斑质量评价方法研究

机载激光器的光束稳定性及光斑质量是关系到该武器系统毁伤效率的关键性因素。本文基于棱镜分光及数字图像处理技术,发展了能够在实验室实验中同时获取激光光斑位置和光强分布信息且不会对系统自身工作产生影响的方法及系统,实现了对激光光束稳定性及光斑质量的评价。该方法利用数字相机采集光斑图像,并根据像素灰度值计算光斑位置和光强分布。标定实验结果表明,该方法对光斑位置的测量误差可控制在1%以内,对光斑质量也可以实现很好的评价。