基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺

针对谐振式光纤陀螺易受背向散射噪声影响,且温度适应性较差的问题,提出了一种基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺方案。该方案利用双闭环反馈结构,综合使用三角波相位调制和声光移频器的大频差调制,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检测精度。同时,通过在声光移频器产生的大频差中引入补偿项进行温度补偿,改善了温度适应性。在搭建样机进行对比测试实验后,实验结果表明,四态调制方案可以将陀螺室温环境下的零偏稳定性提升51.5%;变温环境下的零偏稳定性提升69.6%。可见,基于频差四态调制的方案能有效提高谐振式光纤陀螺抑制背向散射噪声的能力,并能改善陀螺的温度适应性。     

硅微机械谐振式陀螺仪

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理，给出了硅微机械谐振式陀螺仪的动力学方程详尽推导。针对此方程进行仿真研究，对结构设计参数进行了估计。研究表明，硅微机械谐振式陀螺仪是一种很有发展前途的新型陀螺仪。     

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。     

壳体谐振陀螺仪的动力学分析

一、前言壳体谐振陀螺仪是从音叉式振动陀螺仪发展形成的非转子速率陀螺仪。其主要部件是金属或石英制成的圆柱形或半球形薄壁壳体,在电磁激励作用下产生带四个节点的稳态拍振动。当基座绕输入轴转动时,由于哥氏惯性力影响,拍振动的节点沿壳壁产生微小偏移,偏移角度与基座角速度成正比,偏移方向与壳体转动方向相反。这种陀螺仪无转动部件,结构简单且稳定可靠,已发展成为可用于捷联式惯导的一种低成本新型陀螺仪。根据美国DELCO公司的报导,半球谐振陀螺仪HRG(见图1)的常值漂移     

等效刚度法在音叉式陀螺仪谐振频率计算中的应用

运用刚度等效理论,推导出了音叉式陀螺仪敏感模态谐振频率的计算公式,并借助有限元分析软件验证该公式的正确性,最后分析了几何参数对谐振频率的影响。     

基于SLD光源的谐振式光纤陀螺角度随机游走提升方法

针对基于超辐射发光二极管（SLD）光源的谐振式光纤陀螺角度随机游走提升需求,分析了移频复位特性非理想对陀螺输出的误差影响机理,建立了信号传输系统仿真模型,确定了移频锯齿波复位产生的尖峰脉冲噪声对陀螺输出的定量影响。在陀螺调制解调控制方案中,提出了一种部分采样结合均值滤波的技术方法,减小了锯齿波移频复位误差对解调系统的影响,提高了陀螺角度随机游走性能。经实验证明,使用部分采样结合均值滤波的方法测试光纤环直径50?mm、光纤长度30?m的基于SLD光源的谐振式光纤陀螺,陀螺角度随机游走提升了30%,达到0.045。     

基于双通道解调相位校准技术的MEMS陀螺仪接口电路芯片

MEMS陀螺仪传感器件的机械正交误差信号会造成陀螺仪灵敏度、偏置稳定性等系统关键性能下降,甚至使陀螺仪工作失效。同步解调可以有效消除机械正交误差信号,但需要精准控制校准相位。设计了一款基于双通道解调相位校准技术的陀螺仪接口电路芯片,采用0.35μm CMOS工艺。芯片检测通路中设计了中心频率可调的开关电容型带通滤波器,用模拟方式粗调相位误差,并消除低频振动噪声与高频耦合噪声;解调信号产生通路中设计了可调相移分频器,用数字方式精调相位误差。实验结果表明,本芯片的相位校准精度要明显高于仅采用数字相位校准技术的对比芯片,并且将系统噪声降低了一个数量级以上,偏置稳定性性能也从100(°)/h提高到了6(°)/h。     

调制误差对谐振式集成光学陀螺性能的影响

采用LiNbO3相位调制器代替移频器可以明显提高调制的稳定性,但同时会引入相位调制波形失真产生的误差.分析了在采用正弦波开环相位调制技术对光路进行调制和解调时,相位调制器波形失真与陀螺输出特性的关系.通过数值仿真计算可知,调制波形的频率失真与由此引起的标度因数误差大致成线性关系;调制波形峰峰值波动引起的标度因数误差随着失真幅度的增大而急剧增大;并且当陀螺零偏为1 (°)/s时,要求调制波形频率失真小于0.07%,峰峰值失真小于1.5%,波形频率失真的影响为峰峰值失真的20倍.因此在陀螺系统设计中应保证调制频率的稳定性.     

硅微机械谐振陀螺仪的非线性分析

给出了硅微机械谐振陀螺仪的结构,介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,详细推导并给出了陀螺仪的输出频率和标度因数非线性的计算公式;基于影响谐振陀螺仪标度因数的参数,分析了由谐振器的振幅和梳齿静电驱动力引起的硅微机械谐振陀螺仪的非线性特性,给出了振动幅度与谐振频率关系的表达式.实验结果表明,陀螺仪的整体性能主要取决于谐振器振动幅度的稳定性.     

激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响

谐振式光纤陀螺使用窄线宽激光器作为光源以得到较好的谐振特性,而激光光源线宽会受驱动电流、温度等的影响发生不同程度的展宽,从而影响标度因数。为探索激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响,利用光源与谐振腔的卷积模型建立陀螺谐振腔输出的解调曲线模型,基于该模型分析激光器线宽对陀螺谐振腔解调曲线斜率的影响,进一步得出激光器线宽展宽会非线性地减小标度因数的结论。完成了实验验证,并以半高全宽为300 kHz的谐振腔为例,给出了标度因数变化范围限制在1%以内时,激光器线宽需控制在3 kHz以内的结论。为谐振式光纤陀螺中激光器的选择以及驱动电路的设计提供了理论基础。     

半球谐振陀螺仪谐振子振动特性的有限元分析

应用 ANSYS 软件对半球谐振陀螺仪谐振子的振动特性进行了有限元分析,建立了Ψ型半球壳谐振子的有限元模型,计算出了谐振子的固有频率及振型。在理论分析的基础之上,提出了对于Ψ型半球壳谐振子的结构设计的合理建议。     

基于匀速率26位置法的iIMU-FSAS光纤陀螺仪标定

针对iIMU-FSAS光纤陀螺仪静态26位置法标定结果无法收敛的问题,提出了由外框轴提供稳定转速的匀速率26位置法标定方案,从理论上与静态26位置法进行了对比分析;采用该方法对i IMU-FSAS陀螺仪进行了多天的标定实验,结合静态26位置法有限次迭代的结果,对匀速率26位置法标定参数(零偏、标度因数和安装误差)的合理性和重复性等进行了分析。结果表明:与静态26位置法相比,匀速率26位置法的标定结果不仅能够收敛,且标定结果合理、性能稳定。     

基于低频调制激励的硅微陀螺仪自动模态匹配技术

根据二阶质量-弹簧-阻尼系统的幅频特性和相频特性关于谐振频率对称的特点,提出了一种低频振荡激励的实时模态匹配技术,根据检测模态的输出响应来判别驱动模态和检测模态的匹配程度。首先简要介绍了带频率调谐功能的双质量线振动硅微陀螺仪,该陀螺利用负刚度效应来调节检测模态的谐振频率;然后通过理论推导以及系统仿真验证了基于低频调制激励的自动模态匹配技术的可行性和有效性;最后设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的数字控制电路,并且对同一测试陀螺进行了模态匹配和模态不匹配下的性能对比。试验结果表明,相比模态不匹配条件下,陀螺零偏稳定性从5.89(°)/h提高到1.26(°)/h,角度随机游走从0.36(°)/√h提高到0.079(°)/√h,性能分别提高了4.7倍和4.6倍。     

基于双环单轴光纤陀螺仪的3位置寻北方法

光纤陀螺寻北仪的寻北精度与光纤陀螺仪的精度及其在单位置处的采样时间长度直接相关。针对传统单环单轴光纤陀螺4位置寻北方法的寻北精度受限于光纤陀螺仪精度和单位置采样时间的问题,提出了一种采用双环单轴光纤陀螺仪的3位置寻北方案。首先设计了一种双环单轴光纤陀螺仪。其次,基于双环单轴光纤陀螺仪,提出了一种旋转0、90、180的三位置寻北方法,推导出了航向表达式。最后,对所提方法进行了实验验证。实验结果表明,在相同单次寻北时间下,相比传统的单环单轴光纤陀螺仪4位置和2个正交放置的单环单轴光纤陀螺仪2位置寻北方法,采用所提出的方法,寻北精度分别提高了40.74%和21.95%,具有明显的精度和成本优势。     

基于可控式被动阻尼的静电陀螺仪启动控制系统

静电陀螺仪(ESG)的启动阻尼是一个转子最大惯性主轴与转轴对准的过程。采用直流磁场的可控式被动阻尼方法有效地解决了转子极性倒置问题。中介绍了基于可控式被动阻尼ESG启动控制系统的设计和研制，该系统以浮点DSP芯片TMS320C32为核心电路，具有转子阻尼、极性识别与控制、故障检测、转速测定、恒速控制和RS232通讯等功能。在气浮装置上证实了所研制的系统能有效实现上述功能。     

谐振式光纤陀螺空间光学谐振腔耦合效率分析与设计

谐振式光纤陀螺中光纤谐振腔为关键敏感器件,新型空芯光子晶体光纤具有高环境适应性和小弯曲半径等特性,有利于陀螺降低寄生噪声及小型化。针对传统熔接耦合损耗大问题,提出了基于球透镜的空间耦合谐振腔方案,分析了该谐振腔方案精度的影响因素,并给出腔内光纤耦合效率要求。根据矩阵光学理论和高斯光束传输特性推导了系统传输矩阵,并基于模场匹配法给出了系统耦合效率模型。根据导航级陀螺腔内光纤耦合效率高于87%的要求,将系统装配误差分解,完成了系统参数对装配容差的影响分析以及系统参数设计、优化及装调建议。空芯光子晶体光纤耦合误差验证实验表明,参数设计优化前后耦合效率接近,优化使得光纤径向和倾斜容差提高了约16%和100%,从而降低了装配难度,提高了系统稳定性。理论分析与实验验证基本吻合,为其工程化应用奠定了基础。     

基于不对称方波调制的光纤陀螺本征频率测试方法

针对工程化过程中本征频率测试不方便的问题,提出了一种新的解决方法。从光纤陀螺本征频率的测试机理出发,采用不对称方波对Y波导进行调制,分析解调信号,得到相邻脉冲宽度差值的绝对值与调制频率的关系,将本征频率的测试转化为极值搜索问题,提出了结合直接数字合成技术和极值搜索算法的设计方案。方案通过Matlab仿真进行验证,结果表明,该测试方法的测试精度可达0.1kHz。与传统测量方式相比,基于不对称方波调制的测试方法可以实现光纤陀螺本征频率的自动测试,测试精度高、速度快。     

光子纠缠光纤陀螺仪的相位检测灵敏度分析

针对量子输入通常需要双输入/双输出的特征,提出了一种采用双环行器的光子纠缠光纤陀螺光路结构.阐述了基于N00N态的光子纠缠光纤陀螺仪的工作原理,首次推导了N00N态光子纠缠光纤陀螺的德布罗意波的量子干涉公式,并将N00N态与具有相同光子数(光功率)的一般光子数态(|22>)输入以及经典输入的相位检测灵敏度进行了对比.分...     

多次循环干涉型光纤陀螺仪的实验研究

详细介绍了循环干涉型光纤陀螺仪的实验装置及测试结果，给出了无源和有源补偿的两种敏感环结构下陀蛇分辨率公式。在实验装置中采用了大功率光源和低耦合比输入耦合器，以提高光波在敏感环中的循环次数。实验结果表明：光束在敏感环中循环了2－3次，并达到了较好的零偏稳定性。     

向高精度发展的干涉型光纤陀螺仪技术

光纤陀螺仪是惯性系统中目前发展较快的全固态惯性敏感器.在光纤陀螺仪的发展过程中,先有开环式光纤陀螺仪用于战术级和大量民用,而后又发展成为全数字闭环干涉式光纤陀螺仪,逐渐用于导航级惯性系统.到20世纪90年代中期,人们看到了干涉型光纤陀螺仪的高精度发展潜力,开始了精密级光纤陀螺仪及其系统技术的研究工作.从发展角度看,高精度光纤陀螺仪将成为21世纪前期的发展重点.