集成光学陀螺及相关技术研究的现状与展望

陀螺技术作为惯性导航的重要组成部分已广泛应用于国民经济和军事工业的众多领域.文章综述了包括机械陀螺、光学陀螺和原子陀螺在内的陀螺技术的发展过程和基本特点,着重论述了集成光学陀螺及其相关技术研究的现状与发展趋势.通过对比各种类型陀螺的性能特点,结合导航技术的发展趋势,展望了各种陀螺在相应领域的发展前景.     

陀螺与惯性制导

介绍了一种完全自主的导航系统－惯性制导系统，它主要是利用陀螺的特性来建立相对惯性空间，确定运载器的制导参数基准，实现完全自主导航，随着新型陀螺的不断出现，其测量精度也日益提高，惯性制导系统已被广泛应用于现代导弹，宇航运载器等方面。     

基于零拍探测和压缩真空光输入增强Sagnac效应

利用量子技术增强Sagnac效应提高陀螺输出精度具有重要的研究意义, 是实现全自主导航的重要途径. 以相干态激光作为输入光源的光学陀螺因真空零点波动使其输出精度限制于散粒噪声极限而难以提高. 为减小真空波动的影响, 提出在激光输入的分束器的另一输入端输入压缩真空光并结合平衡零拍探测技术的方法增强Sagnac效应. 理论分析表明Sagnac效应性能得到有效提升: 干涉输出的灵敏度检测极限和动态范围均随着压缩程度的增加而呈指数级增长. 该方法只需对经典光学陀螺做少量改动就可实现, 是提高光学陀螺输出精度的一种新方法.     

光电惯性技术的发展及对策研究

本文主要就激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺等光电惯性传感器的发展及应用进行了介绍。并对兵器行业应用和发展光学惯性器件提出建议。     

TL16C550在一种新型光纤陀螺中的应用

再入式光纤陀螺使相互干涉的两路光在干涉之前循环进入Sagnac光纤敏感环。介绍了这一新型光纤陀螺的原理,采用专门的异步串行通信芯片TL16C550扩展DSP串口,实现陀螺与导航计算机的通讯。结果表明陀螺的数据输出可以达到1kHz,能实现陀螺与导航计算机之间的快速、稳定、准确的数据传输。研制的陀螺零偏稳定性为4.5°/h。     

线性加速度计在压电陀螺卡尔曼滤波技术中的应用

针对光电稳定平台常用的压电陀螺随机游走噪声大的缺点,提出采用基于线性加速度计的卡尔曼滤波技术对其进行信号滤波。利用卡尔曼滤波理论,建立了压电陀螺角速率状态观测方程,采用线性加速度计测量平台惯性角加速度,由此对陀螺信号进行了滤波。实验结果表明：采用线性加速度计能够在不影响陀螺带宽的前提下将压电陀螺的随机游走噪声水平由原有的0.005（°）.s-1/槡Hz降低到0.001 25（°）.s-1/槡Hz,提高了光电平台的稳定精度。     

AR模型辅助SINS／GPS组合导航的实验研究

激光陀螺的随机漂移噪声类似于白噪声,可以采用AR（2）模型进行数字滤波来减小其对激光陀螺精度的影响。首先介绍了AR模型,然后利用IMU单元三组陀螺信号的AR（2）模型给出了车载SINS／GPS组合导航系统误差模型,并在GPS的辅助下,对SINS／GPS组合导航进行了实验研究。最后利用Kalman滤波器对车载SINs／GPS组合导航实际测量数据进行了离线的半实物仿真。实验结果表明,采用AR（2）模型辅助的SINS／GPS组合导航系统能够得到较高的姿态精度,并能有效抑制速度误差的发散。     

光纤陀螺受辐照影响机理分析

构成光纤陀螺敏感器件的保偏光纤环在辐射环境中损耗会增加,陀螺的精度随之降低,从而限制了光纤陀螺在空间中的应用。采用60Co作为辐射源模拟空间辐射环境,对光纤陀螺及其光电器件进行了大量的试验,并对光纤陀螺及其光电器件受空间辐射影响的机理进行了研究,得出光纤陀螺光电器件中保偏光纤环受辐射影响最严重,从而重点分析了光纤陀螺敏感器件保偏光纤环的辐射影响机理,从原理上探讨了保偏光纤环在辐射条件下损耗的增加对光纤陀螺的影响,为光纤陀螺抗辐射加固技术提供了理论基础。     

陀螺冗余安装在机载光电系统中的设计与应用北大核心CSCD

陀螺是光电系统瞄准线稳定的重要元器件,介绍了一种基于光电系统的光纤陀螺冗余安装方法。在冗余安装陀螺数量确定的前提下,考虑到工程实际应用的安装空间、体积、重量和成本等因素,设计了4个陀螺的八边形金字塔冗余安装方式,对此冗余安装方式的精度和可靠性进行了分析和仿真,并与无冗余安装进行了对比。同时,该安装方式可用于陀螺与磁流体动力学角速率传感器的冗余安装。结果表明,该方法使角速度测量的噪声标准差下降约25.3%,可靠性提升约1.75倍。该方法能有效解决某光电系统受安装空间限制而陀螺精度不够的问题,提升了光电系统可靠性;同时也可应用于三轴陀螺稳定光电系统中,对工程应用有一定的指导作用。     

数字化高精度动调陀螺马达的电源设计

对数字化高精度动调谐陀螺马达电源的设计进行了研究。设计了基于SVPWM技术和DSP技术的数字化陀螺马达电源,分析了SVPWM技术原理和电源输出稳幅控制策略,给出了采用TMS320LF2407数字信号处理器、智能驱动模块和集成功率运算放大器实现的逆变器电路和稳幅电路,并给出了电源输出的实测结果与波形失真度分析。测试结果表明,运用SVPWM技术设计的数字化陀螺马达电源可以满足动调陀螺在光电稳瞄系统中应用的技术要求。     

机载惯性/天文组合导航技术综述

分析了惯性／天文组合导航的基本原理。针对航空机载应用平台,介绍了国内外天文导航设备和惯性／天文组合导航系统的研究现状,分析了我国在该领域的技术差距,探讨了未来机载惯性／天文组合导航技术的发展方向。     

小型集成三通道机抖激光陀螺数字式控制电路设计

针对军事和民用工程中亟待解决的捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度问题,提出了一种以单块电路板实现对3个机械抖动激光陀螺进行数字式稳频控制、抖动控制、稳流控制、信号检测及脉冲计数的全功能小型机抖激光陀螺集成控制方案,设计了以DSP和FPGA为核心控制器的陀螺电路。试验结果表明,该集成控制电路能同时实现3路陀螺的自动控制,参数调整灵活方便,控制精确稳定,在实现小型化集成化的同时,提高了激光陀螺的输出精度,为捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度奠定了基础,已在多个项目中获得工程应用,具有较高实用价值。     

基于FPGA的四频陀螺信号解调系统的设计与仿真

为了简化四频差动激光陀螺的信号读出系统,采用了一种基于FPGA实现的数字电路解调方案取代传统的合光棱镜中的1／4波片和偏振片来分离左、右旋陀螺信号。简述了四频差动激光陀螺的信号读出原理及解调电路方案,设计了主要由A／D转换器和FPGA构成的四频陀螺信号读出系统。通过Quartus Ⅱ等EDA工具在软件上对系统予以了实现,并针对其主要功能模块进行了仿真验证。仿真结果表明,将四频陀螺信号转化为数字信号后,利用FPGA实现信号解调并最终达到分离左、右旋陀螺信号的方案是可行的,该方案将有助于全数字化激光陀螺的研制。     

地理跟踪过程中光电吊仓惯性定位技术研究

探讨了地理跟踪过程中光电吊仓惯性定位的技术途径。在随机调转的光电稳瞄平台上增设加速度计，使之与陀螺组成惯性测量组件，同时向稳瞄系统和导航系统提供信号；光电稳瞄平台在运动中完成瞄准的同时，解算出平台的姿态矩阵；通过平台环架转动夹角的角度量，获得吊仓姿态矩阵，以此得出吊仓的加速度在导航坐标系上的分量，最终完成航迹推算。理论分析和验证试验表明：利用光电吊仓中的惯性组件可以获得光电吊仓的位置和姿态。     

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。     

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。     

On the ultimate sensitivity of fiber-optic gyroscopes

The influence of noise inherent in emission sources and effects due to polarization mode coupling on random inhomogeneities in single-mode fibers on the ultimate sensitivity of fiber-optic gyros to rotation is studied. It is shown that the ultimate sensitivity of navigation fiber-optic gyros and precision fiber-optic gyros intended for detecting fundamental physical processes is limited largely by polarization effects. In directional fiber-optic gyros, conversely, radiation noise prevails.     

A novel adaptive finite-time controller for synchronizing chaotic gyros with nonlinear inputs

In this paper, the problem of the finite-time synchronization of two uncertain chaotic gyros is discussed. The parameters of both the master and the slave gyros are assumed to be unknown in advance. The effects of model uncertainties and input nonlinearities are also taken into account. An appropriate adaptation law is proposed to tackle the gyros' unknown parameters. Based on the adaptation law and the finite-time control technique, proper control laws are introduced to ensure that the trajectories of the slave gyro converge to the trajectories of the master gyro in a given finite time. Simulation results show the applicability and the efficiency of the proposed finite-time controller.     

天文/惯性组合导航模式研究

简要分析了惯性导航及天文导航系统的工作原理和特点，根据以自主惯性导航为主发展的组合导航系统的方向，提出天文/惯性组合导航系统不同的组合模式，重点探讨了直接校正陀螺漂移的天文/惯性导航新的组合模式并进行理论分析。