四频差动激光陀螺最佳工作点实时控制技术

为了降低四频差动激光陀螺（FMDLG）零偏对外界因素影响的敏感性,采用了最佳工作点实时控制技术。该技术使用色散平衡和稳频偏置的方法,对增益区磁场和失谐频率进行小幅度正弦调制,在FMDLG输出零偏中解调出误差信号,经负反馈控制回路使FMDLG在对外界干扰敏感性最小的唯一最佳工作点下工作。与仅使用光强差进行稳频的传统方法相比,最佳工作点控制技术大大降低了FMDLG的磁敏感度和零偏稳定性,证实了FMDLG最佳工作点实时控制技术的有效性;静态、动态测试实验结果证明了该技术的正确性。     

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。     

异面腔四频差动激光陀螺的色散平衡

为了减小异面腔四频差动激光陀螺(DLG)腔长变动导致的零漂,对DLG的色散平衡进行了研究.利用气体激光的经典理论,推导了DLG零偏与工作点和轴向磁场的函数关系,给出了色散平衡的理论证明.利用在DLG增益管上缠绕通电线圈,给增益介质施加大小可控的轴向磁场,通过驱动腔平移镜上的压电换能器调节腔长来改变工作点,做出了零偏随腔长和线圈电流的变化曲线.结果表明,零偏对腔长变化的灵敏度是轴向磁场的函数,当增益曲线的塞曼分裂量等于非互易分裂量时零偏对腔长变动不敏感.色散平衡技术减小了腔变动对DLG的影响,有利于提高DLG精度.     

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.     

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。     

磁场对四频差动激光陀螺光强和零偏的影响

研究了四频差动激光陀螺输出光强和零偏随纵向磁场的变化规律。理论分析表明,当由纵向磁场引起的增益/色散曲线的塞曼分裂等于非互易分裂时,顺时针模式和逆时针模式的光强相等,零偏不随腔长的变化而变化,实验结果与理论分析基本一致。同时还发现顺时针和逆时针模式的光强随磁场线性变化,但变化量较小且易受温度的影响,不适合作为磁场大小的度量。由于沿谐振腔环路的增益和损耗并非处处相同,顺时针和逆时针光束入射到光电管上的量不相等,因此需要对顺时针和逆时针输出光强的放大倍数进行标定,以便进行色散平衡的控制。     

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.     

异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频

为了解决光强差稳频系统易受光电元件参量影响的问题,设计了一套用于异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频系统。采用高频放大和幅度检波电路检出四频差动激光陀螺顺时针(或逆时针)输出光束的拍频幅度,然后用模数转换器采集到数字信号处理器(DSP)内。四频差动激光陀螺正常工作时拍频幅度取极大值,因此可通过对腔长进行小抖动调制实现稳频。利用DSP设计了一套数字式稳频系统,1 s取样的稳频精度为2×10-9,更重要的是稳频点不受光电元件参量变化的影响。设计的小抖动稳频电路精度高、通用性好,对提高四频差动激光陀螺适应恶劣环境的能力有一定的价值。     

四频激光陀螺性能与室温的相关性研究

室温条件下温度对四频激光陀螺零漂的影响非常复杂.为尝试定性找出温度影响陀螺零漂的机理,对室温下陀螺零漂、表面温度、两路信号的光强差及光强和、两臂放电电流差以及和频进行实时监控测试,通过分析计算各个参数与温度的相关系数.得出以下结论:四频激光陀螺各个参数与温度的相关系数随陀螺运行时间的长短而不同,并且陀螺各参数与温度相关系数的逐次偏差也较大,陀螺室温下的温度补偿对四频激光陀螺性能的改善十分有限;室温下和频与温度具有较好的线性关系.但线性比例系数是变化的.     

四频激光陀螺高低温过程中零漂振荡的分析

四频激光陀螺在高低温实验中的零漂变化非常复杂,温度单方向变化时零漂会呈振荡形式,这是四频激光陀螺温度效应中一个难以解释和解决的难题。在常温下改变四频激光陀螺的放电电流来模拟变温过程中光强的变化,发现零漂随光强的变化也呈现出振荡形式。从而得知,导致四频激光陀螺变温过程中零漂振荡的一个主要因素是温度单方向变化导致光强的变化,而光强的变化导致零漂的改变。如果四频激光陀螺的光强能够在高低温实验中保持不变,则零漂在高低温变化中的剧烈振荡会得到有效的抑制。通过光强稳定控制下的高低温实验,证明以上结论是正确的。     

零闭锁激光陀螺磁敏感特性研究

与腔内运行线偏振光的抖动陀螺相比,腔内运行圆偏振光的零闭锁激光陀螺对磁场更为敏感.为了减小零闭锁激光陀螺的磁敏感性,理论分析了其磁敏感特性.当左、右旋陀螺的比例因子修正相等时,陀螺零偏不随磁场的变化而变化,同时陀螺比例因子线性度也将得到改善.试验测试了零闭锁激光陀螺的磁敏感性,结果表明陀螺存在磁不敏感点.试验结果与理论分析吻合.与传统的被动磁屏蔽方法相比,通过主动控制使得零闭锁激光陀螺工作在磁不敏感点的方法对于降低该陀螺的磁灵敏度和提高准确度具有实用价值.     

激光陀螺磁灵敏度特性研究

分析、计算了激光陀螺的磁灵敏度特性,并进行了磁灵敏度试验.试验结果及分析表明：在腔体加工准确度不变的情况下,采用合理的设计可以大大降低激光陀螺在某些方向上的磁灵敏度,同时磁试验结果对于设计激光陀螺的磁屏蔽结构具有一定的实用价值.     

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。     

基于逐步回归分析的激光惯导温度补偿研究

针对激光陀螺惯导的温度补偿,将影响激光陀螺零偏的各种可能的变量作为零偏补偿的状态变量,利用逐步回归分析方法,挑选出对零偏贡献较大的显著变量,建立精准的数学物理模型,并对实测的激光陀螺进行温度补偿建模。结果表明,温度变化率以及与温度的交叉积对温度补偿模型的影响不显著,得到的温度补偿模型可以对陀螺的零偏进行实时补偿,提高了陀螺的精度。     

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。     

异面腔四频差动激光陀螺的智能选模

针对异面腔四频差动激光陀螺(DILAG)工作模式不确定性和跳模对其性能的负面影响,提出了根据开机时腔体温度快速选择最优初始模的智能选模方法。分析了纵模阶数对DILAG的零偏和比例因子的影响以及跳模的危害,指出选择最优初始模是在现有基础上进一步提高DILAG性能的重要方法。通过温度实验做出了最优模相应的压电换能器(PZT)驱动电压随温度的变化曲线,为建立选模模型提供了基本依据。实验表明,智能选模使腔长控制系统加电后能快速稳定在最优初始模,减小了跳模几率,提高了腔长控制电路的鲁棒性和自适应性,对改善DILAG的性能、可靠性具有实用价值。