宽谱光源谐振式光纤陀螺谐振特性分析

为优化宽谱光源谐振式光纤陀螺（RFOG）谐振腔设计,进行了RFOG谐振特性分析。首先,根据光场传输理论完成了宽谱RFOG光场传输特性分析,建立了宽谱RFOG谐振频差曲线模型,给出了谐振特性参数表达式。理论证明了宽谱RFOG的陀螺精细度和半高全宽约为谐振腔光谱曲线的1/2和2倍。其次,基于宽谱RFOG光场理论模型,分析了耦合器交叉耦合系数、附加损耗和谐振腔腔长等谐振腔关键光学参数对陀螺精细度和极限灵敏度的影响。最后,实验验证了谐振特性理论分析的正确性,并通过优化谐振腔参数实现陀螺零偏不稳定性0.059°/h,对谐振式光纤陀螺工程设计具有理论指导意义。     

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。     

光纤陀螺捷联式惯性系统的研究与设计

介绍了基于光纤陀螺的捷联式惯性系统的总体设计,设计了加速度计再平衡回路数字读出电路及光纤陀螺信号输出电路。采用PC104工控机作为导航计算机,构成捷联式惯性系统原理样机。在此基础上,设计了系统的误差补偿方案、初始对准方案和机械编排方案。样机的初步测试结果表明:该样机达到了设计指标要求(航向精度:<1°;水平姿态精度:<0.5°)。     

基于模糊逻辑的光纤陀螺温度补偿技术

为了消除温度效应并提高陀螺精度,将模糊逻辑应用于光纤陀螺的温度漂移模型的辨识和自补偿中方案中。在模糊逻辑理论的框架下,根据光纤陀螺系统的模糊信息,建立模糊规则,进行模糊推理,实现对陀螺输出的近似辨识。此方法对其他没有温度相似性的陀螺也适用。在实际验证实验中,针对不同的陀螺,通过预先实验建立各自的规则表,然后进行实时补偿,在全温度范围内陀螺的零偏稳定性从0.3647(o)/h减小到0.0868(o)/h,陀螺预热时间缩短到30s以内。目前,在陀螺工艺条件还不够稳定的状态下,此方案是实用和可行的。     

有源再入式光纤陀螺的闭环实现

在实际应用中,陀螺动态范围一般要求在±100rad/s量级。为了达到如此大的动态范围,商用I-FOG普遍采用闭环工作方式。尽管RAI-FOG的精度比I-FOG高,可是动态范围小,因此需要闭环工作以实现大的动态范围。然而,由于RAI-FOG中有源再入式光纤萨格奈特环的光波循环再入干涉累加的过程远比I-FOG的普通光纤萨格奈特环中简单的双向光波干涉过程复杂,迄今为止,如何实现RAI-FOG的闭环工作仍是尚待解决的关键问题。本文研究了RAI-FOG的闭环原理和论证了利用方波调制阶梯波反馈方案实现有源再入式光纤陀螺闭环工作的可行性。设计、制作并调试成功了实现闭环有源再入式光纤陀螺的数字电路,建立了光纤环长为200m的闭环有源再入式光纤陀螺的实验系统。并利用闭环有源再入式光纤陀螺实验系统实现了0.67°/h的传感精度,比相同实验条件下的闭环干涉式光纤陀螺的精度提升了3倍。     

调制误差对谐振式集成光学陀螺性能的影响

采用LiNbO3相位调制器代替移频器可以明显提高调制的稳定性,但同时会引入相位调制波形失真产生的误差.分析了在采用正弦波开环相位调制技术对光路进行调制和解调时,相位调制器波形失真与陀螺输出特性的关系.通过数值仿真计算可知,调制波形的频率失真与由此引起的标度因数误差大致成线性关系;调制波形峰峰值波动引起的标度因数误差随着失真幅度的增大而急剧增大;并且当陀螺零偏为1 (°)/s时,要求调制波形频率失真小于0.07%,峰峰值失真小于1.5%,波形频率失真的影响为峰峰值失真的20倍.因此在陀螺系统设计中应保证调制频率的稳定性.     

基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法

传统光纤陀螺温度误差采用单一模型进行建模与补偿,存在模型适配性较差的问题。考虑到光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异,为提高光纤陀螺温度误差补偿精度,提出了基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法。设计了-15⁵0℃区间内温度实验,在大量实测数据分析基础上,将陀螺温度特性按照低、中、高三个温度区间,分别建立三种不同阶次的温度误差模型。采用分段拟合的方法进行误差建模,并利用所建模型对光纤陀螺进行了温度误差补偿。实测数据表明,提出方法能够有效改善光纤陀螺的温度漂移,补偿后漂移标准差减少66.67%。     

基于不对称方波调制的光纤陀螺本征频率测试方法

针对工程化过程中本征频率测试不方便的问题,提出了一种新的解决方法。从光纤陀螺本征频率的测试机理出发,采用不对称方波对Y波导进行调制,分析解调信号,得到相邻脉冲宽度差值的绝对值与调制频率的关系,将本征频率的测试转化为极值搜索问题,提出了结合直接数字合成技术和极值搜索算法的设计方案。方案通过Matlab仿真进行验证,结果表明,该测试方法的测试精度可达0.1kHz。与传统测量方式相比,基于不对称方波调制的测试方法可以实现光纤陀螺本征频率的自动测试,测试精度高、速度快。     

光纤陀螺温度漂移误差的建模与补偿综述

结合近年来国内外的科研成果,介绍了光纤陀螺温度效应机理,综述了温度漂移误差的建模与补偿方法,并着重介绍了软件建模补偿的进展状况.当前,软件建模补偿的方法得到了广泛的应用,对于中低精度光纤陀螺,补偿后的精度普遍能够达到使用要求;对于中高精度光纤陀螺,也能够做到有条件的适用,但是距离实际应用还有待于进一步的提高.最后,结合自己对于中高精度光纤陀螺温度补偿的工作情况,针对温度试验的设计、软件建模的方法等提出了几点看法.     

采用马尔可夫链的光纤陀螺温度建模与补偿

由于光纤陀螺各组件对温度敏感,因此温度成为影响光纤陀螺精度的重要原因之一。为了消除温度效应并提高陀螺精度,通常采用对光纤陀螺进行温度建模的方法对其输出进行补偿。在对随机过程中的马尔可夫过程进行深入研究的基础上,推导出了单入单出系统的一阶受控马尔可夫链与差分方程的关系,并以此为依据建立了光纤陀螺温度模型,利用时齐转移概率对模型进行辨识,最后利用蒙特卡罗方法进行补偿后的结果仿真。通过对比补偿前后的输出可以看出,使用该方法建立的模型具有较好的预测效果,具有一定的应用前景,对光纤陀螺温度补偿工程化实现有一定的意义。     

温度对四频差动激光陀螺零偏的影响机理

讨论了四频差动激光陀螺温变零偏的产生机理,分析了四频差动激光陀螺工作时的热源及其对陀螺在不同工作阶段的影响,实验证明了温度变化时和频和差频的强烈相关性;通过实验分析了陀螺各部分温度变化对和频和零偏的影响,研究了水晶片在温度变化时的物理性质变化,并定量计算了由其产生的广义法拉第偏频、顺逆时针偏振光差损和左右旋偏振光差损的变化对温变零偏的影响大小,结果表明:顺逆时针偏振光差损和左右旋偏振光差损对和频、差频的不同作用机理使得和频与差频的相关性变差,导致采用以和频为基准对陀螺差频进行补偿的方法具有一定的局限性,从而提出了提高以和频为基准的温补精度的措施。     

抑制耦合干扰的半球谐振陀螺信号分频调制检测方法

针对半球谐振陀螺的共用电极结构引起振动检测信号中耦合干扰的问题,提出了一种抑制陀螺检测信号中耦合噪声的分频调制检测方法。从振动检测机理入手,首先建立了电容检测数学模型,分析了信号检测端的耦合噪声源。然后,通过改进激励与检测电极配置方法,利用两个不同频率的高频载波对谐振子x轴向和y轴向上的振动信息进行分频调制,实现了振动信号与驱动响应干扰信号的频域分离,经过信号检测器完成分频传输,从而抑制了耦合干扰。最后,进行了实验验证。实验结果表明所提出的方法相比使用较广泛的单频信号检测方法可有效抑制信号检测端的驱动耦合干扰,使控制回路锁相精度提高了一个数量级以上,陀螺输出信号噪声带由2.1 mV降至1 mV以内。     

光纤陀螺用光纤光源的新型自动温度控制

光源良好的平均波长稳定性是保证光纤陀螺标度因子稳定性的重要条件。而光纤光源平均波长的变化主要源于环境温度的变化。为了使光源获得更好的输出特性,需要对光源泵浦温度进行精密控制。文中阐述了一种基于FPGA和MAX1968芯片设计的光纤陀螺用光纤光源泵浦温度自动控制(ATC)技术。控制过程中提出了一种新的控制算法--递进式PID。与传统PID算法相比,递进式PID算法的最大特点是其各个参数可以随外界环境而变化。经试验测定,泵浦的温度稳定性能够稳定在±0.03℃以内,因而泵浦具有很好的平均波长稳定性。     

基于支持向量回归的金属谐振陀螺多元温度补偿方法

针对金属谐振陀螺随温度漂移的问题,提出了一种基于支持向量回归的多元温度补偿方法。首先分析温度、温度梯度及温度变化率对陀螺输出的影响,在此基础上设计全温区实验,采用小波去噪对实验数据进行预处理,然后根据金属谐振陀螺输出特性,综合每次实验陀螺输出的微小变化,选择径向基核函数对实验数据进行特征提取,并基于此建立基于温度、温度变化率及温度梯度的多元补偿模型,剔除非相关项,最终得到金属谐振陀螺多元温度补偿模型。实验结果表明,此方法可有效提高金属谐振陀螺的温度性能,全温区陀螺零偏稳定性提高一个量级以上。     

BP-Bagging模型在光纤陀螺温度补偿中的应用

为了消除光纤陀螺的温度效应并提高陀螺的精度,BP神经网络模型广泛的应用在光纤陀螺的零偏温度漂移辨识和补偿中。然而,单神经网络模型的泛化能力差,影响模型的预测结果。结合神经网络集成学习的思想,利用Bagging集成技术产生差异大、预测能力强的个体网络,提升模型的预测能力。建立光纤陀螺零偏温度的BP-Bagging模型,将其应用在温度补偿中。通过对某型光纤陀螺的零偏漂移数据进行仿真,结果表明:BP-Bagging模型相比线性回归模型、单BP神经网络模型的补偿效果更显著,有效改善了陀螺的零偏稳定性能。     

基于小波分析法的光纤陀螺系统标定方法

光纤陀螺的随机噪声很大程度地影响系统的标定精度,通常的解决方法是增加平均次数、延长采样时间等,不能从根本上解决问题。利用小波变换阈值滤波对光纤陀螺系统标定的测试数据进行预先处理,采用Allan方差法分析滤波前后的测试数据,发现滤波后陀螺各项随机误差系数均得到明显抑制。用消噪后的陀螺信号进行标定处理,结果表明仅用原数据量的十分之一即可获得相同的标定精度,减少了测试时间,提高了标定效率。     

连续旋转的光纤陀螺全温标度因数快速建模补偿方法

在全温范围内应用的光纤陀螺,标度因数误差是其主要的误差之一。特别是在大角速率或者高精度应用时,光纤陀螺的标度因数误差甚至超过零偏漂移误差。在实际使用中,需对陀螺标度因数在全温范围内进行建模和补偿。对光纤陀螺标度因数误差机理进行详细分析后,提出了一种连续旋转的光纤陀螺全温标度因数快速建模补偿方法。基于单轴速率转台的连续旋转,可以自动快速完成标度因数全温建模且工程实现简单易行。更重要的是该方法可以有效识别标度因数在全温范围内的变化拐点,提高建模和补偿的精度。对比试验结果表明,采用此方法后能精确测得某型光纤陀螺全温工作的标度因数真实拐点为48℃,全温标度因数补偿精度优于15′10~(-6),较按照GJB2426-2004进行的多点测试后补偿提高10%左右。     

基于光纤陀螺的温度补偿模型改进、压缩和FPGA实现

为提高光纤陀螺（FOG）在变温环境下输出误差的补偿精度,在长短期记忆神经网络模型（LSTM）基础上,利用分段非线性粒子群算法（PN-PSO）对LSTM模型超参数寻优,建立PN-PSO-LSTM光纤陀螺温度补偿模型。为有效降低计算和存储开销,便于部署在资源受限的硬件环境中,提出一套适用于光纤陀螺应用场景的模型压缩方案,包括：知识蒸馏、剪枝、激活函数线性化、定点数量化等。最后基于Xilinx公司某芯片完成部署。对比实验结果表明,相较于传统反向传播（BP）模型和传统PSO-LSTM模型,采用所提模型补偿后,陀螺零偏输出均方误差分别降低74.4%和53.5%,模型压缩后在大小减小94.1%的同时,陀螺零偏输出均方误差仍然比传统全精度模型更低,在FPGA实现后对比PC端模型推理速度提升98.47%。     

光纤陀螺静态温度特性的分析及实验研究

温度是影响光纤陀螺(FOG)精度的重要因素之一.对于中高精度的FOG,温度效应将不可再忽略.在缓慢温变环境中工作的FOG,应主要考虑其静态温度特性.首先从理论上分析了FOG静态温度效应的主要成因,继而分析了实验设计的原理及实际应用中的补偿方法,最后设计了实验方案并进行测试.测试数据表明FOG的标度因数和零偏与静态温度之间呈近似线性的关系.使用最小二乘法对数据建立1～7次模型,比较模型之间的特点并选择较优的一个,用于补偿陀螺的输出.输出补偿结果显示,新的方案可使FOG可以工作在高温或低温的缓慢温变环境中,而不会影响其输出精度.     

一种谐振式硅微机械陀螺的设计和加工

基于谐振式检测方式的高灵敏度、大动态范围、易于与数字电路接口等优点,提出了一种谐振式微机械陀螺的新型结构,研究了其工作原理,得到了双端音叉谐振器(DETF)振动Mathieu方程的稳态输出,并基于此稳态输出的贝塞尔曲线簇分解信号的幅相频率特性曲线进行了特性分析和Matlab仿真研究,从而提出了一种利用DETF输出信号xr中ωr0或ωr0 ωp频率分量来解算科氏力的方法,实现对输入角速度?的检测,并采用SOG工艺加工此新型结构得到样件。研究表明,此新型谐振式硅微机械陀螺结构具有准数字输出,并能有效提高其输出信号的信噪比。