激光陀螺反射镜散射检测方法

闭锁效应是影响激光陀螺性能的重要因素,而光束在反射镜表面反射时的背向散射则是形成闭锁效应的主要原因。基于矢量叠加理论,对激光陀螺反射镜背向散射对谐振腔总背向散射的影响进行了分析。在此基础上,提出一种反射镜散射的在线测量方法,以半导体激光器为光源构成远心光路,通过显微镜收集散射光,并利用CCD记录反射镜膜面的散射光场。根据散射图样对反射镜进行筛选,并最终确定反射镜膜面的安装位置与方向。在某型激光陀螺上进行了实验,结果表明使用该方法选配可以将锁区合格率由原来的75%提升至95%,改进效果明显。该检测方法结构简单,可有效控制由反射镜散射引起的锁区超标问题,在激光陀螺反射镜的在线检测及激光陀螺装调方面有很好应用前景。     

激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响

谐振式光纤陀螺使用窄线宽激光器作为光源以得到较好的谐振特性,而激光光源线宽会受驱动电流、温度等的影响发生不同程度的展宽,从而影响标度因数。为探索激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响,利用光源与谐振腔的卷积模型建立陀螺谐振腔输出的解调曲线模型,基于该模型分析激光器线宽对陀螺谐振腔解调曲线斜率的影响,进一步得出激光器线宽展宽会非线性地减小标度因数的结论。完成了实验验证,并以半高全宽为300 kHz的谐振腔为例,给出了标度因数变化范围限制在1%以内时,激光器线宽需控制在3 kHz以内的结论。为谐振式光纤陀螺中激光器的选择以及驱动电路的设计提供了理论基础。     

谐振式光纤陀螺空间光学谐振腔耦合效率分析与设计

谐振式光纤陀螺中光纤谐振腔为关键敏感器件,新型空芯光子晶体光纤具有高环境适应性和小弯曲半径等特性,有利于陀螺降低寄生噪声及小型化。针对传统熔接耦合损耗大问题,提出了基于球透镜的空间耦合谐振腔方案,分析了该谐振腔方案精度的影响因素,并给出腔内光纤耦合效率要求。根据矩阵光学理论和高斯光束传输特性推导了系统传输矩阵,并基于模场匹配法给出了系统耦合效率模型。根据导航级陀螺腔内光纤耦合效率高于87%的要求,将系统装配误差分解,完成了系统参数对装配容差的影响分析以及系统参数设计、优化及装调建议。空芯光子晶体光纤耦合误差验证实验表明,参数设计优化前后耦合效率接近,优化使得光纤径向和倾斜容差提高了约16%和100%,从而降低了装配难度,提高了系统稳定性。理论分析与实验验证基本吻合,为其工程化应用奠定了基础。     

光纤陀螺低温快速启动技术

光纤陀螺的启动时间与超辐射发光二极管(SLD)的输出性能密切相关。论文建立了SLD的ArcTan模型,并利用该模型分析光功率的温度敏感度和驱动电流敏感度。结果显示低温启动时,改变驱动电流可更快实现光功率稳定(与变温控制相比)。以此为指导设计了新型驱动电路,实现光功率自动控制,有效缩短光纤陀螺低温启动时间。论文描述了SLD的新型数学模型,设计出SLD的新型驱动电路。以低温(的40℃)启动时间较长(～8.5s)的陀螺仪表为应用对象,改进驱动电路后,该仪表可在2.5s内完成启动。     

半导体制冷器对SLD光源温控参数的影响

针对光纤陀螺用SLD光源与控制电路的匹配需求,探讨了SLD光源的重要光源组件——半导体制冷器对温度控制参数离散化的影响。结果表明,半导体制冷器(TEC)的等效内阻和制冷/加热效率的特性是目前SLD光源温控参数离散的主要原因;在当前温控模式下,TEC等效内阻对温控参数的影响最为显著,其由于工艺或使用条件变化等原因产生的任何微小差异均直接表现为温控参数的改变;TEC的制冷效率和加热效率对温控参数的影响不同,它们在制冷和加热过程分别促进和阻止温控参数的进一步离散。通过改进光源温控模式、加强光源规范管理、增强TEC的一致性,以及改进TEC制冷/加热效率,可大幅提高光源和温控电路的匹配效果。     

高精度光纤陀螺光源强度噪声的抑制

掺铒超荧光光纤光源的光源强度噪声是影响高精度光纤陀螺随机游走系数的主要因素。为了降低陀螺随机游走系数,进一步提高陀螺精度,提出了一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法。利用耦合器两个输出端输出光的相关性,将两束光转换为电信号送入FPGA中,用数字电路相减法实现光源强度噪声的抑制。通过Allan方差法对抑制前后陀螺输出数据的分析结果可以看出,采用数字相减法可以有效的抑制光纤陀螺的光源强度噪声,角随机游走系数与抑制前相比减小33%。该方法与以往的方法相比,具有工程实现简便、可靠性高、维护容易等优点。     

激光陀螺的光强稳定控制

针对国内稳流激光电源与激光陀螺理论要求不符这一问题,对激光陀螺光强稳定控制的理论、意义、难点及实现等各个方面的问题进行详细的讨论,提出抑制三种控制之间耦合效应的解决方案,根据所提方案设计完成基于TMS320F2812的激光陀螺三稳定全数字一体化电路系统,在国内首次实现激光陀螺光强稳定电源。最后用设计的电路系统对某型四频激光陀螺进行了各种实验。结果表明:电路系统在抑制三种稳定控制之间耦合效应方面是有效的、实用的;同时有效抑制了稳流电源下某型四频激光陀螺在高低温实验中零漂的剧烈振荡。理论和实验均证实稳流电源是不符合原理要求的,国内从激光陀螺开始研制至今仍然采用的稳流电源应该更换为光强稳定控制电源。     

交流发光二极管光源的工作特性研究

为得到交流发光二极管（AC LED）内部晶粒参数与其工作特性的关系,讨论了ACLED光源的内部结构和应用电路模型,分析了AC LED光源的工作特性,给出AC LED发光效率的解析表达式,理论上说明了AC LED的发光效率低于单颗LED晶粒的电光转换效率,且光效随着LED晶粒串联数量的增加而提高,AC LED的光效与限流电阻无关,增加串联晶粒的个数可减小限流电阻的损耗。因此,AC LED制造过程中宜降低晶粒的导通电压,以增加晶粒个数。     

非共面四频激光陀螺变温零偏周期性波动

非共面四频激光陀螺的零偏随温度周期变化直接影响陀螺性能,提出了一种采用对法拉第旋光元件参数优化有效降低零偏波动幅值的方法。根据非共面四频激光陀螺的振荡光束频率特性,结合腔内旋光元件表面反射光束和散射光束的耦合效应以及旋光元件磁光效应,理论分析确定了导致陀螺变温零偏周期性波动的主要因素。采用对旋光元件楔角、微扰角度以及方位角三项参数的理论计算及仿真分析,确定了参数优化方法和优化验证参数,经验证与理论分析结果一致,有效消除了陀螺变温零偏周期性波动,结合温度补偿模型,实现70°C变温范围内零偏最大变化由1.5(°)/h降低为0.11(°)/h。     

三浮陀螺仪径向有源磁悬浮位置检测建模与优化设计

针对三浮陀螺仪有源磁悬浮系统位置检测精度低,制约了陀螺浮子高精度悬浮目标的实现,陀螺精度的进一步提升受到了限制这一问题,结合陀螺磁悬浮的应用环境和结构特点,建立了八极式外转子径向磁悬浮元件的位置检测数学模型。基于该模型对元件设计的核心参数绕组匝数、定子外径、零位气隙等进行了优化,使元件在-15～15?m区间内位置检测灵敏度提高了23%,非线性误差降低16%。在此基础上对有源磁悬浮的控制算法进行了调整。仿真与实验结果表明优化后径向磁悬浮输出力学性能有所提升,在输出轴向上和马达轴向上两种姿态下陀螺固定位置漂移平均减小30%～50%,提出的建模与优化设计方法有效地提高了三浮陀螺精度。     

复杂温变环境下的激光陀螺零偏补偿方法

在高精度捷联惯导系统中,激光陀螺零偏随温度的变化往往不能忽略.基于不同温变环境下的激光陀螺零偏测试实验,分析了激光陀螺的零偏温度漂移特性,研究了陀螺零偏与温度变化、温变速率和温度梯度之间的相关关系,说明了在复杂或快速的温变环境中,激光陀螺零偏除与温度值变化有关外,其受温变速率和温度梯度的影响更为显著.建立了适用于缓变温度环境的静态温度模型和适用于复杂温变环境下的动态温度模型,并在快速温变和随机温变环境下对模型进行了试验验证.结果表明,动态温度模型能很好地实时补偿复杂温变引入的陀螺零偏异常,显著改善陀螺零偏稳定性使其达到或接近常温精度水平.     

激光陀螺零偏温度补偿研究

在对某型激光陀螺进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种零偏温度补偿模型,并用该模型对新测的试验数据进行了预测补偿。补偿结果表明:激光陀螺经该模型补偿后基本上可以将零偏减小一个数量级,并进一步提高了零偏稳定性,完全满足工程上的实时补偿要求。因此,该模型具有很强的工程实用价值。     

机抖温度特性对激光陀螺零偏稳定性的影响

机抖机构是一个工作于谐振状态的精密机电元件,当环境温度发生变化时,机抖的抖动偏频量将发生变化,这将引起角度随机游走误差的变化,并导致激光陀螺的零偏稳定性变差。本文推导了机械抖动激光陀螺的抖动速率与激光陀螺输出误差的关系表达式,提出了均方意义下的等抖动速率控制保持激光陀螺零偏稳定性的方法,并且通过实验具体研究了电磁式机械抖动装置的温度特性及其对激光陀螺零偏稳定性的影响。仿真实验与实测数据结果表明:在全温度范围内保持机抖机构抖动速率的一致性能有效地提高激光陀螺的零偏稳定性。     

激光陀螺谐振腔损耗与相位差测量

介绍了激光陀螺谐振腔损耗及相位差的一种测量方法。将频率可调激光器发出激光入射被研究激光陀螺谐振腔，使之产生强迫振荡。用光电接收器接收振荡功率信号，输入计算机分析，绘出谐振腔的功率谱线图。通过测量谱线半波宽度、纵模间隔时间兀计算出谐振腔的损耗及相位差。损耗测量精度可达10^-6级，相位差测量精度达0．1度。     

激光陀螺POS惯性数据滤波及时延补偿

激光陀螺作为位置姿态测量系统(POS)的核心传感器,其精度直接决定激光陀螺POS系统精度,围绕机抖激光陀螺信号去噪的需求,基于FIR滤波器建模的方法,设计了FIR数字低通滤波器;针对滤波器导致的信号延迟问题,根据FIR数字滤波器群延迟特性建模,提出了激光陀螺POS数据时延补偿方法。静态实验结果表明,设计的FIR数字低通滤波器降低了激光陀螺抖动噪声功率达80dB。进一步通过飞行实验表明,提出的方法降低了激光陀螺POS系统姿态角误差,与POS/AV510相比航向角误差由0.017°降低到0.01°,俯仰角误差由0.007°降低到0.005°,横滚角误差由0.016°降低到0.005°,满足了机载InSAR对激光陀螺POS精度要求。     

激光陀螺电路系统的研制

本文分析了系统各部分的原理，给出了测试结果，介绍了系统特点，实验表明达到了引进系统的精度。     

激光陀螺速率偏频系统初始对准方法研究

针对速率偏频激光陀螺转动的工作特性，建立了新的系统误差方程，并在静基座条件下，采用卡尔曼滤波方法实现了系统的初始对准。仿真结果表明，这种初始对准方法对准速度较快，水平对准精度比抖动偏频系统提高了一个数量级，方位对准精度也有较大提高，并且对两个水平加速度计随机常值偏置有很好的估计效果。     

环形激光陀螺随机误差测试中的计数误差

详细讨论了环形激光陀螺（RLG）误差测试中的计数误差。首先提出了在角度随机游走为主要误差源的情况下，RLG的离散输出模型。在假设累积角度量化误差为白噪声的前提下推导了方差（或AIlan方差）分析中的量化误差模型。接着指出白噪声假设并不总能成立，特别是对于由计数器只能计整数引致的量化误差（特称为“计数误差”），由于量化间隔很大，这一假设通常不能成立。最后，给出了一种白噪声假设不能成立时的处理方法及仿真数据分析结果。     

速率偏频激光陀螺标定方法讨论

三轴整体式速率偏频激光陀螺由于总是绕其对称轴做等速率的正负旋转运动,通过传统的位置法和旋转法无法对用其构成的捷联式惯导系统进行标定。中讨论了速率偏频激光陀螺在系统中的精确标定方法,指出该方法需要特殊的转台设备,目前尚无法满足,因此提出了一种结合光学方法测量陀螺安装误差角。这种方法利用速率偏频转台自身的旋转角速率对陀螺刻度系数和常值漂移进行简易标定的方法,实验表明该方法可满足系统导航要求。     

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。