激光陀螺腔长控制机构研究与改进

腔长控制机构在激光陀螺中通过控制腔长来保证激光陀螺工作光束的频率稳定,其对激光陀螺性能的提高有着重要意义。针对激光陀螺工作过程中,传统腔长控制机构的控制镜扭偏导致光束在腔中的位置偏移毛细孔的中心位置,引起腔内的散射、损耗发生变化从而影响陀螺性能及精度的问题,对激光陀螺腔长控制机构进行了研究,并设计了一种新的腔长控制机构以减小控制镜的扭偏对陀螺产生的影响。利用有限元分析法对新腔长控制机构进行了优化设计和仿真。试验表明,新的腔长控制机构减小了控制镜的扭偏,使得激光陀螺的零偏稳定性由0.7/h提高至0.3/h。     

激光陀螺新型光路程长控制镜的研制

爪盘结构程长控制镜由于其稳定性好等优点,已越来越广泛地应用于激光陀螺的腔长控制,但这种只有程长控制能力的控制镜,对陀螺腔体变形等原因引起的谐振光路变化却是无能为力。通过分析该类腔长控制镜的特点,提出了一种新颖的具有角度控制功能的光路程长控制镜。在原有的控制镜上增加一组角度控制部件,使其不仅有程长控制功能同时还具备了光路控制功能的方法,设计了新的槽片及角度控制元件,研制出了高性能的光路程长控制镜。系统地对控制镜的性能进行了测试。结果表明,它不仅稳定性好(陀螺使用温度范围内最大歪扭变化量小于0.3″),而且灵敏度高(大于0.1″/V)。     

腔内低气压对激光陀螺光路变动及其损耗的影响

激光陀螺光路稳定性决定着陀螺的性能,而谐振腔内外压差是影响陀螺光路稳定性重要因素之一.为了研究腔内低气压对激光陀螺光路变动及其损耗的影响,采用ANSYS仿真软件对激光陀螺在腔内低气压状态下反射镜的微小形变进行了仿真计算,结果表明:低气压状态下,反射镜的中心发生最大形变,其中球面镜最大形变量为545nm,平面镜最大形变量为31nm,这不仅引起光路偏离光阑中心390nm,同时引起球面镜曲率变化174mm.进一步从理论上分析了这种变化对光路变形和谐振腔损耗的影响,结果表明:上述变化综合引起谐振腔损耗变化2%~3%,其中球面镜曲率半径的变化是引起损耗变化的主要原因,增加球面镜槽深或降低腔内外压差都能有效减小这种光路的变化.通过搭建光路测试系统,进一步验证了计算结果的正确性.     

腔镜失调对激光陀螺信号输出的影响

研究了不同腔镜结构不同失调情况对空间谐振式激光陀螺中光束空间位置的影响.利用Collins积分与Collins程函理论以及MATLAB软件工具,对腔镜失调前后激光陀螺中光束传输进行了仿真计算.结果表明,相同失调量的不同反射镜所产生的拍频频差是不同的,且分别从M1和M4镜探测到的拍信号频不相同|对于小增益激光器,使用球面镜的腔镜结构较平面镜的腔镜结构更易形成稳定光束空间位置分布|由所计算的空间坐标xn可以看出,双向行波光束的光斑中心发生了偏移,在一定的失调量下将会影响到激光陀螺的拍频输出.研究结果对激光陀螺的工程检测和腔镜调整有指导作用,有助于激光陀螺测量准确度的提高.     

激光陀螺克服高、低温冲击的技术研究

分析了激光陀螺在经历外部环境温度变化时光强和性能发生变化的原因,提出了利用新型腔长角度控制镜(光路程长控制镜)的角度控制元件作为驱动器件,应用类似小抖动稳频的原理对激光陀螺环形光路进行闭环控制,并通过对各光路控制单元采取分时控制的办法解决了光路稳定过程中的调制信号的冲突,使激光陀螺在环境变化时始终保持其光程长和光路相对位置的稳定从而保证其性能的稳定。实验结果表明,对原来在全使用温区(-40℃~ 60℃)光强变化达30%甚至只要有光的,通过光路稳定措施可将光强稳定在±3%以内,对于有些在高低温时不能出光的,也可以达到可使用的光强稳定水平。较好地解决了许多激光陀螺难以克服的耐高、低温冲击问题。     

腔镜失调对激光陀螺信号输出的影响

研究了不同腔镜结构不同失调情况对空间谐振式激光陀螺中光束空间位置的影响.利用Collins积分与Collins程函理论以及MATLAB软件工具,对腔镜失调前后激光陀螺中光束传输进行了仿真计算.结果表明,相同失调量的不同反射镜所产生的拍频频差是不同的,且分别从M1和M4镜探测到的拍信号频不相同;对于小增益激光器,使用球面...     

激光陀螺中背向散射的研究

为了研究谐振腔形状变化对激光陀螺中背向散射的影响,基于矢量叠加理论,分析了激光陀螺背向散射源及其对总的背向散射的影响.根据背向散射对顺逆时针光的耦合作用,推导出了总的背向散射系数与顺逆时针旋转光光强的关系式.基于这一关系,设计实验,通过施加电压使谐振腔反射镜到不同位置来改变光腔形状变化,同时测量光强交流量的振幅,得到了总的背向散射系数的变化曲线.通过与仿真结果对比,验证了背向散射的矢量叠加理论.     

机械抖动棱镜式激光陀螺出射光强度特性

针对棱镜式激光陀螺在抖动状态下出射光强度被调制的现象, 系统地研究了机械抖动对棱镜式激光陀螺中光传输轨迹和光电探测器的影响机理. 在对现有棱镜式激光陀螺性能进行分析的基础上, 应用数值模拟和有限元分析方法, 将对称型全反射棱镜纳入四棱镜陀螺的结构设计方案, 并给出了由机械抖动引起的应力双折射和光电探测器位置偏移与出射光强度的一般关系. 结果表明, 机械抖动会使棱镜产生应力双折射, 使激光光路发生改变, 同时造成光电探测器与出射光束产生相对位移, 导致出射光强度幅值产生调制. 使用全对称型的陀螺结构, 选取具有合适折射率的对称型棱镜, 减小探测器与出射光斑中心的相对位移, 可以将出射光强度调制幅值相比原先减小52.63%以上, 显著地改善出射光强度被调制的现象. 此分析结果为提高激光陀螺的可靠性提供了重要参考.     

激光陀螺本征模偏振态与磁敏感特性的理论研究

环境磁场的干扰是影响激光陀螺精度的重要因素之一. 为了减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性, 推导了环形腔的琼斯矩阵, 其中考虑了非共面角、增益介质、腔损耗、腔镜反射各向异性和应力双折射, 采用矩阵本征问题求解的摄动理论分析了环形腔的偏振态和磁敏感特性. 研究表明, 为了减小激光陀螺的磁敏感性, 应减小非共面角和腔损耗, 增大腔镜的反射各向异性. 腔镜应力双折射究竟会增大还是减小磁敏感性与应力作用主轴、受应力腔镜的位置有关, 此外它还会引起顺时针和逆时针模式之间的偏振非互易性. 磁敏感性与腔失谐近似成线性关系, 导致激光陀螺工作于增益峰值时磁敏感性并非最小. 这些结果对减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性具有较好的指导意义. 关键词： 激光陀螺 磁敏感性 椭圆度 琼斯矩阵     

曲率变化对激光陀螺损耗及性能的影响研究

为了研究曲率半径变化对激光陀螺性能参数的影响,基于谐振腔理论,建立了衍射损耗理论计算模型,通过仿真计算了曲率变化引起激光陀螺束腰的变化,从而导致衍射损耗的变化。从光阑处衍射损耗对陀螺背向散射的影响出发,分析了束腰对激光陀螺性能的影响。通过分析计算得出:当反射镜曲率变化小于0.3 m时,引起衍射损耗变化3%,导致零偏最大变化约0.013;当反射镜曲率变化0.6 m时,引起衍射损耗变化约15%,导致零偏最大变化约0.021;而曲率半径变化大于1.5 m时,衍射损耗变化达30%以上,这将引起谐振腔失谐即无法产生激光振荡。通过改变不同曲率,测量陀螺腔损耗和性能,所得的试验结果和理论计算一致,曲率半径变化对衍射损耗和陀螺性能影响较为显著。     

Q-MEMS陀螺零偏补偿技术研究

在对某型Q-MEMS(石英音叉陀螺)进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种基于陀螺工作时间的零偏温度补偿模型,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:Q-MEMS陀螺经该模型补偿后可以将零偏减小至少一个数量级,并进一步提高了零偏稳定性,有效补偿了陀螺上电后的启动漂移,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。     

谐振式微光学陀螺偏置频率调制技术研究

谐振式微光学陀螺(RMOG)是一种基于光学Sagnac效应的新型角速度传感器.提出了基于模拟波形连续线性相位调制技术的偏置频率调制.与传统的双频率锯齿波调制以及数字调制方法相比,偏置频率调制消除了由于锯齿波回扫或数字波形中的台阶效应引入的脉冲噪声.从理论上推导了连续线性相位调制波形参数与陀螺的动态范围和灵敏度的关系,得...     

一种改进的MEMS陀螺信号去噪方法研究

 从工程实用的角度出发,探讨了MEMS陀螺仪随机漂移误差的有效补偿方法。根据小波阈值去噪原理,结合多项式函数插值法提出了一种MEMS陀螺仪输出信号的有效去噪补偿方法,克服了传统软、硬阈值去噪方法的缺陷,通过对MEMS陀螺数据分析研究,验证了该方法对于MEMS陀螺输出信号滤波消噪的优越性。     

基于QMEMS陀螺的自适应滤波方法研究

 根据QMEMS陀螺的特性,在对现有卡尔曼滤波方法分析的基础上,根据自适应滤波理论和UD分解理论,提出了一种改进型自适应滤波方法,该方法可去除QMEMS陀螺在采样过程中产生的异常值,并增强惯性导航系统的实时性和稳定性。通过对QMEMS陀螺实际输出数据的滤波仿真显示,该方法去噪效果明显好于卡尔曼滤波方法,利用该方法对QMEMS陀螺的采样数据进行处理,可以为惯性导航解算提供更为准确的数据,提高惯性导航系统的精度。     

一种高功率宽带回旋行波放大器

研究了一种X波段高功率宽带回旋行波放大器,它由改变了局部周期的矩形盘荷波导组成,并采用锥化引导磁场和盘的高度来提高增益和带宽。分析了器件的线性特性。利用全电磁（PIC）三维模拟程序EMC进行了数值模拟,结果表明：可以得到功率介于88~103kW,相对带宽介于16.63%~24.11%的不同微波输出。     

谐振式集成光学陀螺解调特性分析

基于激光器频率谱检测技术,沿着光的传输方向分析了光波在谐振式集成光学陀螺系统中的传播,结合输入信号特征,建立频域内的数学模型,通过数值仿真和实验得到了调频检测系统下的解调曲线。按照光的传输方向：激光器、声光晶体移频器、光波导环形谐振器、探测器,利用贝塞尔函数展开和光场耦合模理论分析了谐振式集成光学陀螺解调特性,及其调频调制检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系。通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在激光器压电陶瓷驱动器上调制波形的最佳调制系数。在实验上搭建了激光器频率调制解调技术系统,得到了解调曲线。数值仿真和实验结果表明,当调制系数M=2时,线性工作区间斜率最大,解调曲线最好。实测形状与理论分析结果相符,从解调信号得到±2×10³ rad/s的陀螺动态范围。     

Sensitivity enhancement of micro-optical gyro with photonic crystal

We propose a core rotation-sensing element for improving the sensitivity of the micro-optical gyroscope using the large nonreciprocal effect with a photonic crystal.The sharp transmission peak of electromagnetically induced transparency in photonic crystal generated from a periodic distribution of cold atoms is sensitive to the rotation.Our numerical results show that the sensitivity of relative rotation is about 50 times higher and the sensitivity of absolute rotation is more than two orders higher than that of the traditional resonant optical gyroscope.Also,the sensitivity of the gyroscope can be manipulated by varying the atomic density,modulation frequency,probe pulse width,and photonic crystal length,etc.     

Rayleigh backscatter noise in integrated optical resonance gyro

Rayleigh backscatter noise in integrated optical resonance gyroscope (IORG) is researched both in theoretically and experimentally. The characteristics of Rayleigh backscatter noise in the resonator of SiO₂ on Si substrate are formulized, and the static state and dynamic state models of IORG are constructed. The relationship between the optical signal and Rayleigh backscatter noise is simulated, and the affection between the interference signal of Rayleigh backscatter noise and reverse optical signal is also calculated. The degree of degrading the performance of resonator due to Rayleigh backscatter noise is analyzed, such as finesse and fundamental detection limit. The relationship between the line-width of the tunable laser and the intensity of transmit light and Rayleigh backscatter noise is simulated. Through the theory of modulation, the method of inflicting two different frequencies to the arm of integrated optical modulator is presented. The verified experiment result showed that the saw-tooth wave modulation could effectively restrain Rayleigh backscatter noise in IORG.