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。     

星图匹配/惯性组合导航技术研究

为了多次、多点获得星光对惯性基准的误差观测量,采用了能自主识别导航星的星图匹配/惯性方案。以弹体姿态误差与陀螺漂移误差之间的关系为基础,构造了弹体姿态误差与陀螺漂移为状态量的状态方程,建立了CNS/INS组合导航模型。采用Kalman滤波技术,借助误差状态转移矩阵估计了导弹惯性基准的误差和光学陀螺的常值漂移误差。利用Matlab进行了仿真模拟,成功地实现了对导弹惯性基准误差和光学陀螺常值漂移误差的在线分离。     

支承结构惯量对激光陀螺抖频及精度特性的影响分析

激光陀螺的机抖特性有效克服了陀螺的闭锁效应,是其高精度输出的重要保障。陀螺在不同惯性装置下的抖频会发生变化,这极大地影响了其输出精度,严重制约了激光陀螺在各类惯性装备下的服役能力。从激光陀螺抖动偏频系统入手,对陀螺及其支承结构进行了结构动力学建模及分析,从理论与原理实验两方面论证了支承结构惯量对陀螺抖频特性,乃至陀螺输出精度的影响,分析结果表明,减小支承结构惯量能提高陀螺抖频,进而提高其精度。为激光陀螺在惯导装备中更好的应用起到了指导作用。     

一种新型惯性器件—光纤陀螺

简述光纤陀螺的基本原理,介绍光纤陀螺比传统机械式陀螺所具有的特独优点,并指出全光纤陀螺和集成光学陀螺在惯性导航系统中是一种有生命力的新型惯性器件。     

捷联惯性测量单元的配置方式

捷联惯性测量单元较“平台式”惯性测量单元在功能上有新的突破，即前者能实现三维定位，后者只能实现水平二维定位。人们常提及的捷联惯性测量单元是指多陀螺多加速度计的测量单元，即测量过程中用线性加速度计测量运动体的线性加速度，用陀螺仪测量运动体转动角度、角速度或角加速度的测量装置。该类惯性测量单元造价昂贵，针对此，人们在利用多个线性加速度计的适当组合还可以测量运动体的转动角速度甚至转动角加速度等角度信息原理的基础上，提出了无陀螺多加速度计捷联惯性测量单元和单陀螺多加速度计捷联惯性测量单元的实现方案。     

转动刚体角动量的复杂关系——兼谈不同参考系选择的意义

一道貌似简单的刚性陀螺运动题,牵扯出大学物理教学中一个被忽略的问题——刚体同时绕相互垂直的轴旋转时角动量的计算.本文从一道题目的解答入手,阐述刚体(陀螺)旋转的角动量复杂关系,推导出简易、约束陀螺的正确角动量变换关系.同时讨论选择惯性参考系与非惯性参考系时对问题求解有不同难度的问题.     

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。     

半球谐振陀螺的关键技术——信号闭环检测理论及电路

为了解决新型惯性器件半球谐振陀螺信号检测关键技术，提出一种闭环反馈理论。从半球谐振陀螺激励入手，详细分析闭环检测的理论方法，根据此理论依据完成半球谐振陀螺的闭环检测电子线路模块，实现转速测量。     

舰载光电系统高精度跟踪控制技术

在舰船摇摆条件下提高光电跟踪系统对目标动态跟踪精度，其控制系统设计的关键技术是隔离扰动和减小高速跟踪时的动态滞后误差。对几种陀螺反馈惯性空间稳定技术进行了详细叙述和对比，得到了采用高测量带宽的陀螺反馈回路可以有效提高系统隔离度，并推导出系统隔离度的计算公式。同时，介绍了计算机辅助跟踪技术的原理以及在陀螺反馈惯性稳定技术的基础上结合计算机辅助跟踪的综合控制技术在舰载光电设备上的应用。以数据说明了这种综合控制技术的有效性和实用性。     

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。     

谐振式光纤陀螺偏振噪声分析

谐振式光纤陀螺（R～FOG）是第二代光纤陀螺,其性能受各种噪声因素的影响。为提高谐振式光纤陀螺的性能,对谐振式光纤陀螺的瑞利背向散射、克尔效应、磁光法拉第效应和偏振态耦合等各种噪声进行了分析,并提出了对偏振态耦合噪声的解决方法。在此基础上,得到保偏光纤环旋转90°对接的谐振腔优化结构。该结构可以有效减小谐振腔的偏振噪声和磁光法拉第噪声,且可改善陀螺系统的温度特性。     

谐振式光子带隙光纤陀螺一体化方案

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案,设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统,并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60 s零漂为2.45 ()/s,及1 h长期稳定性为7.11 ()/s。同时,实现了对应陀螺输出50 ()/s（积分时间10 s）及100 ()/s（积分时间10 s）的模拟转速实验,验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性,为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。     

谐振式光子带隙光纤陀螺一体化方案

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案,设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统,并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60 s零漂为2.45 ()/s,及1 h长期稳定性为7.11 ()/s。同时,实现了对应陀螺输出50 ()/s（积分时间10 s）及100 ()/s（积分时间10 s）的模拟转速实验,验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性,为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。     

基于偏振模式转换的声光陀螺研究

提出一种基于偏振模式转换的声光陀螺,分析其原理与结构并对该陀螺进行实验测试。静态测试结果表明,当声光作用长度为15mm,声表面波输入功率为100mW,频率为168.201MHz时,偏振模式转化效率为80.02%。在偏置条件下进行旋转测试,得到输出电压随陀螺转速呈线性变化的曲线,其灵敏度约为1mV/[(°)/s]。偏振型声光陀螺保留声表面波陀螺体积小、成本低等优点,而在灵敏度上有大幅提高。     

闭环光纤陀螺数字信号处理系统设计

针对光纤陀螺信号处理要求实时性高、算法较为复杂的特点,提出了一种以Xilinx公司的现场可编程门阵列XC6SLX16为基础的闭环光纤陀螺信号处理方案。根据光纤陀螺高精度和匹配性要求,对闭环信号处理系统关键的模数转换器和数模转换器的选择进行了理论分析,并对系统的硬件和软件进行了设计。对试验样机的测试结果表明,该系统能准确快速地实现光纤陀螺信号检测,体积小、功耗低、可靠性高,对光纤陀螺的工程化具有实际的参考意义。     

Dynamic characteristics of resonant gyroscopes study based on the Mathieu equation approximate solution

Dynamic characteristics of the resonant gyroscope are studied based on the Mathieu equation approximate solution in this paper.The Mathieu equation is used to analyze the parametric resonant characteristics and the approximate output of the resonant gyroscope.The method of small parameter perturbation is used to analyze the approximate solution of the Mathieu equation.The theoretical analysis and the numerical simulations show that the approximate solution of the Mathieu equation is close to the dynamic output characteristics of the resonant gyroscope.The experimental analysis shows that the theoretical curve and the experimental data processing results coincide perfectly,which means that the approximate solution of the Mathieu equation can present the dynamic output characteristic of the resonant gyroscope.The theoretical approach and the experimental results of the Mathieu equation approximate solution are obtained,which provides a reference for the robust design of the resonant gyroscope.     

Stellar sensor based nonlinear model error filter for gyroscope drift extraction

The conventional gyroscope based spacecraft attitude determination approaches are afflicted by the integration drift of gyroscope. To ameliorate the performance of gyroscope, many compensation algorithms have been developed. A novel spacecraft attitude determination algorithm, which is based on the stellar sensor and nonlinear model error filter algorithm, is discussed in this paper. This algorithm uses the attitude quaternion obtained from stellar sensor to generate the attitude information of spacecraft, which could compensate the drift error of the gyroscope unit. This approach could be utilized both as the gyroscope error compensation in high precision integrate navigation system and as an attitude determination unit individually in low precision mini-satellite task. Two verifications of different satellite orbits have been launched and the performance of our approach was proved.     

All-fiber single-mode fiber frequency-modulated continuous-wave Sagnac gyroscope

An all-fiber single-mode fiber unbalanced Sagnac gyroscope is described. The gyroscope is based on optical frequency-modulated continuous-wave interference and consists primarily of four Y-type single-mode fiber directional couplers and a single-mode fiber coil. The rotational velocity of the fiber coil is determined simultaneously by detection of the phase shift of the beat signal. The advantages and limitations of the gyroscope are discussed.     

随机噪声对激光陀螺输出特性的影响

分析了纯随机噪声输入和周期性抖动信号叠加随机噪声的复合抖动输入两种激励下，激光陀螺输出信号均值偏差和分散系数与随机噪声强度之间的数学关系，基于该关系公式，综合读出角速度标准差、输出信号均值偏差和分散系数，提出随机噪声强度的选择方法。研究表明，纯随机噪声减小频率闭锁影响没有应用价值，因为随机噪声的引入将导致激光陀螺测量范围的减小或输出方差的增大，这都不是理想的结果。而在周期性抖动信号基础上叠加随机噪声，并不影响激光陀螺的测量范围，却可大幅度地提高激光陀螺的读出精度，输出方差的增大可以通过延长采样周期予以减小，满足应用要求。