谐振腔参数对激光陀螺性能影响的分析

谐振腔是构成激光陀螺的主体，其参数直接影响陀螺的性能，从激光陀螺基本误差理论出发，分析了谐振腔腔长、光阑、毛细孔孔径一致性、毛细孔与光轴相对关系等与陀螺误差的关系。利用激光陀螺的尺度定律 分析了两种典型腔长的激光陀螺，给出了分析结果。根据激光陀螺放电引起的陀螺误差关系及谐振腔振荡模式特性，研究了谐振腔放电毛细孔的加工误差及谐振腔光阑对激光陀螺的影响，给出了毛细孔、光 阑的设计准则，并根据高斯光束特性得出光阑背向散射系数的表达式。这对激光陀螺的设计具有重要的参考价值。     

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。     

一种基于硅基波导的新型谐振式集成光学陀螺

介绍了一种基于单偏振波导环形谐振腔的新型集成光学陀螺及单偏振环形波导谐振腔的实现方法。其中单偏振光波导由SiO2衬底层、锗掺杂SiO2波导芯层和SiO2上包层组成,整个结构可用硅热氧化技术和PECVD技术生长在硅衬底上。用BPM(束传播法)对设计的单偏振环形谐振腔的传输特性进行仿真分析。结果表明,当入射光波长为1550nm时,此单偏振波导谐振腔对TM模式传输光的消光比是25dB/cm,而对TE模式传输光的传输损耗是0.05dB/cm,谐振腔的精细度可达到35。单偏振波导谐振腔的这些特点适于集成光学陀螺的应用要求,由其研制的集成光学陀螺的分辨率可达到16(°)/h。     

激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振特性的影响

针对激光器光谱线宽不可能严格为零的问题,在激光相干理论的基础上,采用光波场叠加的方法计算了布里渊光纤谐振腔的循环光强,详细分析了激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振谱线宽度和精细度的影响,并进一步分析了光谱线宽对谐振腔受激布里渊散射阈值的影响,最后,引入了线宽压缩的概念分析了布里渊光纤陀螺的灵敏度。分析表明,除了耦合器插入损耗外,激光器光谱线宽也是影响精细度的重要因素,具体影响程度与激光器光谱线宽及谐振腔本征谱线宽度间的相对大小有关,受激布里渊散射阈值随激光器线宽的增加而近似线性增加,另外在其他参数相同的情况下,布里渊光纤陀螺的灵敏度比谐振式光纤陀螺高大约三个数量级。本文为布里渊光纤陀螺的光源选择及光路参数的优化设计过程提供了理论依据。     

激光陀螺相邻模零偏差及不平衡电流零偏差性能分析

通过控制参量提高陀螺精度和成品率,是激光陀螺工程技术研究的主要内容之一。引入相邻模陀螺零偏差及不平衡电流零偏差两个参量,对不同等级表陀螺对应参量的研究,发现陀螺性能与该参量具有确定的关系,通过控制这两个参量,可以有效提高陀螺使用精度和成品率。理论研究了两个参数变化的根源,分别为谐振腔参数及锁区的变化,为提高激光陀螺精度提供了一种有效的技术途径,对于进一步提高抖动陀螺精度具有实用价值。     

高精度LINS陀螺采样频率以及噪声抑制技术

基于激光陀螺高带宽和数字化输出的特点,提出激光陀螺数字信号处理的两个基础性问题,采样频率合理性与抗混叠滤波。分析了国产高精度激光捷联惯导常用的2000 Hz采样频率下激光陀螺频谱特性。指出在该采样频率下,激光陀螺输出信号中存在某些固定频率干扰信号。提出一种逐步升高采样频率的方法,给出了谱峰位置确定公式,证明国产高精度激光陀螺输出信号中存在机抖频率的3倍频和5倍频干扰信号,并给出合理的最低采样频率应为4500 Hz。为了解决激光陀螺数字化输出的抗混叠滤波问题,建议引入过采样技术,继续提高采样频率,降低激光陀螺功率谱密度,并利用低通滤波抑制噪声,提高激光陀螺精度。     

基于多周期测量的四频差动激光陀螺高精度信号解调

分析了四频差动激光陀螺信号的解调原理，针对采用频率测量计数解调方法存在脉冲量化造成的角速度测量分辨率低的问题，改用多周期测量来代替频率测量，大大提高了四频差动激光陀螺信号的解调精度。通过数字滤波器滤波处理，可以减少随机噪声干扰，进一步提高精度。为满足实时性要求，该方法采用FPGA来实现。实验表明，此方法提高了四频差动激光陀螺角速度测量分辨率，为快速高精度方位自对准奠定了基础。     

谱分裂对集成光学陀螺灵敏度影响

为寻求谐振式集成光学陀螺可实现灵敏度的优化,基于调频光谱原理,应用双频率组合调制的闭环控制结构,在对通过陀螺核心敏感器件谐振腔的结构参数优化、调制频率选择等措施实现决定于谐振腔谐振特性一阶微分最大值的最佳灵敏度情形的理论分析基础上,研究了谐振峰分裂对陀螺灵敏度的影响。相关实验表明,对于给定结构的谐振式集成光学陀螺,理论上的最佳参数,并不能保证理论最佳灵敏度的实现。通过双频率组合调制下无源环形谐振腔谐振特性的测量,发现了谐振腔谐振峰分裂现象,分裂程度随腔长增加而趋明显;谐振峰的分裂,导致透射谱展宽;透射谱展宽后一阶微分谱最大值的下降,将使陀螺灵敏度随之劣化。为应对这种劣化,需要对系统调制频率进行相应调整,并控制腔长,以抑制峰分裂程度,进而控制对陀螺灵敏度的影响。     

调频光谱分析在集成光学陀螺性能优化中的应用

根据调频光谱原理,在双频率调制、闭环谐振式光学陀螺中,核心敏感元件——无源环形谐振腔的谐振特性对陀螺灵敏度具有决定性作用;通过结构与功能对比可知,谐振式光学陀螺相当于将对具有洛伦兹型吸收谱的无源环形谐振腔进行微分吸收谱测量的光谱仪。调频、外差、相干检测和闭环控制等技术的综合应用,使得通过跟踪、锁定因萨格拉克效应导致的吸收峰偏移,实现对转动角速度高灵敏度和大动态范围测量成为可能;通过调制频率、腔长和耦合比的适当选择,可以优化陀螺实际实现的灵敏度。     

激光线宽对干涉式光纤陀螺性能影响分析

干涉式光纤陀螺的标度因数稳定性进一步提升受限于宽谱光源平均波长扰动水平,影响了其对于旋转速率的测量精度以及在复杂环境下的长期使用。采用中心波长更稳定的激光能有效提升光纤陀螺的标度因数性能,但是激光的线宽窄,会重新引入宽谱光源已经基本消除的主要误差源。针对以激光作为干涉式光纤陀螺驱动光源的应用背景,基于光物理场方程计算得出干涉式光纤陀螺中克尔效应、偏振耦合以及背向散射误差与激光线宽的关系,并定量分析出在激光谱宽范围内的各项误差源。此外搭建了光纤陀螺实验系统,分别以窄线宽激光和通过外部相位调制进行光谱展宽后的激光为光源进行静态测试验证。实验结果表明,不同光源线宽下陀螺的角度随机游走和漂移同理论模型一致,证明了模型的正确性,且光纤陀螺在展宽激光驱动下,可满足零偏不稳定性优于0.01?°/h的导航级需求。     

复杂温变环境下的激光陀螺零偏补偿方法

在高精度捷联惯导系统中,激光陀螺零偏随温度的变化往往不能忽略.基于不同温变环境下的激光陀螺零偏测试实验,分析了激光陀螺的零偏温度漂移特性,研究了陀螺零偏与温度变化、温变速率和温度梯度之间的相关关系,说明了在复杂或快速的温变环境中,激光陀螺零偏除与温度值变化有关外,其受温变速率和温度梯度的影响更为显著.建立了适用于缓变温度环境的静态温度模型和适用于复杂温变环境下的动态温度模型,并在快速温变和随机温变环境下对模型进行了试验验证.结果表明,动态温度模型能很好地实时补偿复杂温变引入的陀螺零偏异常,显著改善陀螺零偏稳定性使其达到或接近常温精度水平.     

一种确保激光陀螺低温启动的辅助启辉方法

激光陀螺在低温下启辉电压过高,严重影响了其工程应用。为了确保低温下陀螺可靠启动,借鉴激光器领域内的预电离技术,提出一种激光陀螺辅助启辉方法。在陀螺谐振腔阴极附近放置一个辅助启辉发光装置,发射高能量光束照射陀螺谐振腔阴极内表面,增加阴极的次级电子发射能力,可以有效降低陀螺辉光放电电压。分别利用紫外气体发光管和紫外波段半导体发光二极管作为光源进行了陀螺启辉电压对比试验,结果表明:低温下两种光源均可有效降低陀螺启辉电压,但两者降低启辉电压的效率有差异,紫外灯效率在5%～30%之间,紫外波段的半导体发光二极管的效率在12%～28%之间,前者降低电压离散性较大,后者较为均匀,综合看,后者效果更为显著。     

环形激光陀螺随机误差测试中的计数误差

详细讨论了环形激光陀螺（RLG）误差测试中的计数误差。首先提出了在角度随机游走为主要误差源的情况下，RLG的离散输出模型。在假设累积角度量化误差为白噪声的前提下推导了方差（或AIlan方差）分析中的量化误差模型。接着指出白噪声假设并不总能成立，特别是对于由计数器只能计整数引致的量化误差（特称为“计数误差”），由于量化间隔很大，这一假设通常不能成立。最后，给出了一种白噪声假设不能成立时的处理方法及仿真数据分析结果。     

激光陀螺POS惯性数据滤波及时延补偿

激光陀螺作为位置姿态测量系统(POS)的核心传感器,其精度直接决定激光陀螺POS系统精度,围绕机抖激光陀螺信号去噪的需求,基于FIR滤波器建模的方法,设计了FIR数字低通滤波器;针对滤波器导致的信号延迟问题,根据FIR数字滤波器群延迟特性建模,提出了激光陀螺POS数据时延补偿方法。静态实验结果表明,设计的FIR数字低通滤波器降低了激光陀螺抖动噪声功率达80dB。进一步通过飞行实验表明,提出的方法降低了激光陀螺POS系统姿态角误差,与POS/AV510相比航向角误差由0.017°降低到0.01°,俯仰角误差由0.007°降低到0.005°,横滚角误差由0.016°降低到0.005°,满足了机载InSAR对激光陀螺POS精度要求。     

Determining thermal properties of thin coatings using the “thermal mirror” method

We suggest a photothermal method for measuring thermal properties of opaque coatings. The coating–substrate assembly is irradiated by the repetitive pulse power laser which causes a nonstationary buckling of the coating. Thermal properties of the coating are determined by comparing the measured phase shift in the wave component of the temporal dependence of beam deflection angle of the low power laser with theoretical predictions obtained by solving equations of thermal elasticity.     

激光陀螺速率偏频系统初始对准方法研究

针对速率偏频激光陀螺转动的工作特性，建立了新的系统误差方程，并在静基座条件下，采用卡尔曼滤波方法实现了系统的初始对准。仿真结果表明，这种初始对准方法对准速度较快，水平对准精度比抖动偏频系统提高了一个数量级，方位对准精度也有较大提高，并且对两个水平加速度计随机常值偏置有很好的估计效果。     

速率偏频技术提高激光陀螺精度的理论研究

以分析激光陀螺主要误差源出发点,从理论上研究了速率偏频技术的作用,指出它可有效地降低激光陀螺锁区引入的随机游走误差,部分地补偿激光陀螺谐振腔中的光束位移引起的不可控激光陀螺的零偏误差,并可解决拦动激光陀螺在系统使用中的锥形误差（Coning Error)和划桨误差（Sculling Error)。利用激光陀螺的拍频方程和拦动偏频激光陀螺的拍频近似解,得出了速率偏频激光陀螺随机游走误差与速率偏频系统参数的表达式,并指出了速率偏频技术的特点及速率偏频技术要解决的主要技术问题。     

机抖式激光陀螺基础振动消除研究

针对机抖式激光陀螺基础振动对测量精度影响相当严重的问题，通过理论推导和分析，并考虑实际应用中可能会带来的问题，提出了一种机抖式激光陀螺基础振动消除的原理。通过不同参数的选择，指出抖动参数的合理选择可使基础抖动力更小，重量更轻，并且易于加工，有利于系统的小型化。     

激光陀螺零偏温度补偿研究

在对某型激光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:激光陀螺经该模型补偿后基本上可以将零偏减小一个数量级,并进一步提高了零偏稳定性,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。     

速率偏频激光陀螺标定方法讨论

三轴整体式速率偏频激光陀螺由于总是绕其对称轴做等速率的正负旋转运动,通过传统的位置法和旋转法无法对用其构成的捷联式惯导系统进行标定。中讨论了速率偏频激光陀螺在系统中的精确标定方法,指出该方法需要特殊的转台设备,目前尚无法满足,因此提出了一种结合光学方法测量陀螺安装误差角。这种方法利用速率偏频转台自身的旋转角速率对陀螺刻度系数和常值漂移进行简易标定的方法,实验表明该方法可满足系统导航要求。