硅基光子集成芯片光纤陀螺

光纤陀螺用于敏感载体旋转角速率,是惯性导航系统的核心传感器之一。未来军用及民用领域对小体积、低成本的光纤陀螺需求巨大。利用光子集成芯片代替传统光纤分立器件,借助集成光学光刻工艺大规模批量生产的优势,降低生产成本,提高出货量,是光纤陀螺发展的重要方向。因此,在充分考虑目前国内微纳加工水平基础上,提出了一种工艺实现相对简单、可快速工程化的硅基光子集成芯片光纤陀螺设计方案。基于开环光纤陀螺架构,设计并加工了硅基光子芯片,实现了陀螺全部无源器件的片上集成,光子芯片尺寸约4 mm×3 mm;设计加工了四通道超细径保偏光纤阵列,实现波导与光纤多个耦合点的一次对准,大幅提高耦合封装效率;实现了光子集成芯片光纤陀螺样机25°C时零偏稳定性达到0.2°/h,性能优于相同结构的传统全光纤器件光纤陀螺。     

光纤陀螺中的数字锁相放大器设计

提出了一种用于光纤陀螺信号检测的数字锁相放大器的设计方法.介绍了光纤陀螺信号检测技术的理论依据-相关检测,并针对数字闭环光纤陀螺的信号特点,对信号检测进行了分析.以此为依据,设计了数字锁相放大器,其中包括信号通道、参考通道以及相关器的设计,并分析了采用相关检测的信噪比改善,作了相应的实验.实验结果表明设计的检测电路能够满足高精度光纤陀螺信号检测的要求,被测陀螺达到了0.03 (°)/h的指标.     

数字闭环光纤陀螺频率特性分析与测试

系统的闭环带宽严重影响光纤陀螺在振动、急转弯等环境条件下的测试精度,闭环光纤陀螺的实际带宽高达几kHz,无法采用一般的角振动台进行全频带频率特性测试,因此,频率特性的分析与测试成为了闭环光纤陀螺研究的一项重要内容。针对这种需求,根据系统的结构框图及工作原理,建立了数字闭环光纤陀螺的动态模型,推导出了系统的传递函数;在此基础上对数字闭环光纤陀螺的频率特性进行了分析,指出了改善系统动态特性的方法;最后,利用数字闭环光纤陀螺的闭环工作原理,通过在反馈阶梯波上直接叠加激励信号,实现了光纤陀螺阶跃响应和频率响应的测试,得出了系统闭环带宽高达9kHz的结论。     

三轴一体化光纤陀螺技术

为了实现光纤陀螺组合小型化、低成本和高精度,进行了三轴一体化光纤陀螺样机的研制。该样机包括光学表头和陀螺解算电路两部分,其中,三个安装在三维空间正交支架上的敏感线圈共用一个光源,并且和其它独立的光学器件组成光学表头。陀螺解算电路由一块FPGA芯片处理三路探测器输出信号,输出与角速度成正比的数字信号。与传统光纤陀螺组合相比,三轴一体化光纤陀螺的组合结构缩小60%,成本降低20%,功耗降低一倍,但制作工艺较复杂。经过测试,其性能和单轴陀螺相当。此项研究技术可广泛应用于对体积要求严格的战术型号上。     

基于空间应用环境的光纤陀螺可靠性分析

根据光纤陀螺应用于空间应具有长寿命高可靠性的要求,对空间应用环境进行了分析,结合空间应用的环境,采用故障树分析的方法对数字闭环干涉式光纤陀螺进行了可靠性分析.根据可靠性分析的结果,找出了光纤陀螺的薄弱环节,并对重要且出现故障概率大的器件如光源和光纤环的故障机理进行了分析,提出了改进设计措施,并已应用在光纤陀螺产品的设计中.     

基于FPGA的数字闭环光纤陀螺研究

着重对全数字闭环光纤陀螺的信号处理方法进行了详细的分析，指出了闭环控制系数A和K对闭环控制的影响，同时研究了基于FPGA的数字闭环控制系统实现方法以及利用VHDL语言进行FPGA软件设计的优点，并给出了基于FPGA设计的光纤陀螺的实验结果。     

一种三轴光纤陀螺时分复用方案的设计与分析

目前三轴一体化已成为国内光纤陀螺一个新的研究热点。提出一种光学敏感部分共用光源与探测器,信号处理部分采用单信号处理电路分时处理的三轴光纤陀螺组合技术方案。分析了信号处理中前放滤波、三轴控制时序和反馈电路中的通道选择。测试结果表明,其指标达到了低精度光纤陀螺的性能要求,适用于小型化、低成本应用背景。     

集成化光纤陀螺设计、制造及未来发展

针对光纤陀螺尺寸、重量、成本等指标无法满足轻小型高精度应用需求的问题,采用集成化手段实现光纤陀螺综合性能提升逐步成为了目前的研究热点。首先分析了国内外干涉式光纤陀螺几种典型的集成方案:主要分为光学器件集成和敏感环圈集成,重点梳理了集成化光纤陀螺在设计方法、制造工艺以及样机研制方面的最新研究成果;随后介绍了所在科研团队在集成化光纤陀螺核心部件和原理样机方面的研究进展,阐述了集成化光学陀螺优化设计方案。优化设计后的陀螺零偏稳定性达到0.048°/h,整机尺寸仅为35 mm×35 mm×35 mm;最后对集成化光纤陀螺的发展趋势进行了展望,指出基于光学器件集成的光纤陀螺具有极佳的综合性能优势,有望在短期实现系统的快速应用。     

数字闭环光纤陀螺死区机理分析

结合工程实际，对基于集成光学多功能芯片的数字闭环光纤陀螺中的死区机理进行理论分析，并进行了实验验证。相位调制器的模拟驱动电压信号在数字反馈阶梯波复位作用下能产生不同的工作模式，探测器的输出微弱信号因此受到幅值和相位均不同的电子串扰。以方波调制和四态波调制为例，研究了光纤陀螺中电子串扰的作用方式、电子串扰的转换方式和形成死区的过程等问题。在上述基础上，根据需要设计了专门的可编程的光纤陀螺高速数据采集电路，对死区机理进行了研究试验。最后还从优化陀螺电路印制板设计和优化信号调制解调算法等方面进行阐述，以解决数字闭环光纤陀螺死区问题。     

一种具有低振动灵敏度和宽动态范围的MEMS陀螺仪(英文)

为了进一步提高MEMS陀螺的动态范围和振动环境适应性,以加速其工程化应用步伐,研究了陀螺振动误差,提出了一种新型MEMS陀螺结构。MEMS陀螺仍然采用了音叉结构形式,同时采用了工字型框架和隔离结构,从而提高了陀螺结构的稳定性和抗振动性能,并降低了残余应力对陀螺影响。理论分析了驱动和检测模态频差对标度因数非线性的影响,并基于理论和实验分析了振动环境中的角振动对陀螺性能的影响。在此基础上,进行了陀螺的模态优化设计,以进一步减小了陀螺的振动灵敏度,并使其具有大动态范围。MEMS陀螺采用了SOI圆片制备,并采用了圆片级真空封装技术实现陀螺芯片的真空封装。MEMS陀螺芯片和ASIC芯片叠装在陶瓷管壳内,体积为11.4?11.4?3.8 mm3。实验结果表明,MEMS陀螺的测量范围为±7200 (°)/s,零偏稳定性为12.2 (°)/h(1σ)。随机振动环境下(7.6grms),该陀螺的振中零偏变化量小于10.0 (°)/h,振中的零偏稳定性小于24.0 (°)/h,是原陀螺的1/5。     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

提高石英音叉陀螺驱动信号稳定性的数字电路设计

石英音叉陀螺通常采用模拟解调电路,现有模拟电路驱动电路幅度稳定性不高,限制了石英音叉陀螺整机性能,可以采用数字电路提高驱动幅度稳定性。文中先讨论了驱动信号幅度影响石英音叉陀螺性能的原因;然后设计了数字电路,采用数字信号处理算法实现了数字电路闭环驱动,并对数字电路闭环驱动的自动增益控制误差进行了分析;最后,对模拟电路和数字电路的驱动幅度稳定性进行了对比测试,定温情况下,模拟电路驱动幅度稳定性的均方差为4.77×10-4V,数字电路的幅度稳定性的均方差达到8.26×10-5V,模拟电路幅度稳定性在全温范围的均方差为0.0680 V,数字电路的均方差仅为0.0006V。实验表明,数字电路的驱动信号幅度稳定性显著提高。     

数字闭环光纤陀螺信号处理方法研究

着重对全数字闭环光纤陀螺的信号处理方法进行了详细分析。研究了A／D和D／A转换器对光纤陀螺测试精度的影响,证明了通过数字滤波的方法提高光纤陀螺测试精度的可行性。     

基于提升小波与灰色神经网络的光纤陀螺振动误差建模

光纤陀螺在振动环境下的输出具有噪声大、漂移强的特性,必须建立合理的振动误差模型,以便使用精确的算法进行补偿,从而提高光纤陀螺的输出精度。文中首先使用Allan方差分析法分析了某型号的数字闭环光纤陀螺在振动环境下的输出信号,随后利用提升小波分离出了光纤陀螺误差模型中的白噪声及漂移误差,并提出了基于灰色理论和RBF神经网络的漂移误差建模方法。仿真结果表明,相较于传统的RBF神经网络模型,基于提升小波的灰色RBF神经网络的漂移误差建模方法能有效滤除白噪声,并将漂移误差模型的建模精度提高了一倍左右。该方法能够有效提高光纤陀螺在振动环境下的输出精度,对光纤陀螺在振动环境下的误差研究具有重要指导意义。     

基于FPGA驱动微陀螺旋转的移相电路

传统的微陀螺转子驱动电路采用对模拟信号直接移相实现,为了解决模拟信号直接移相时移相范围有限、调试复杂等不足,设计出了基于FPGA的数字式驱动微陀螺旋转移相电路。通过FPGA产生相位差信号,经D/A转换电路和巴特沃兹滤波电路处理后输出信号。该数字式移相方法产生的信号的相位差（0°～360°）、频率均可调,为涡流旋转微陀螺转子提供了理想的信号源。     

光纤陀螺油井测斜系统硬件研究及设计

为了实现石油测井中井眼轨迹测量，提出了一种基于光纤陀螺油井测斜系统的设计和实现方法，将捷联惯性导航技术应用到油田测井领域。整个系统是以高速数字信号处理器TMS320VC33为核心实现数字滤波和导航解算，以FPGA设计为辅完成DSP外围接口功能，实现对水平井的井斜角、方位角和工具面角的测量。该文重点介绍了惯性测量单元、数据采集与接口电路、通讯电路和导航计算机等方面进行硬件和软件设计，并对已完成的试验样机进行全面测试，达到预期的基本要求。     

光纤捷联惯性测量单元设计与实现

提出了一种捷联式惯性测量单元的设计与实现方法。该系统以开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件，采用高速DSP作为中央处理器实现数据采集、处理及输出。重点介绍了系统的数据采集模块、处理模块、通讯模块等硬件电路及相应软件的设计。系统通过转台实验进行了离线标定及在线补偿，测试结果表明：系统在功能、精度以及实时性等方面达到了预期的设计目标。