连续冷原子束干涉陀螺仪研究进展

原子干涉陀螺仪是一种实现高精度角速率测量的新型惯性器件,被认为是下一代导航技术中的核心器件。报道了在连续冷原子束干涉陀螺仪研究上的最新进展。提出了基于连续冷原子束的干涉陀螺仪方案,该方案在保证系统灵敏度和紧凑型的前提下有助于解决冷原子干涉陀螺仪低带宽和数据率的问题。利用激光冷却的~(87) Rb冷原子束作为原子光源,利用多普勒敏感的双光子受激拉曼跃迁进行原子波包的相干操控,演示了π/2-π-π/2拉曼脉冲序列的空间型原子干涉。数据估算原子干涉陀螺的短期灵敏度为7.8×10~(-5)(rad/s)/Hz~(1/2)(1s积分时间),其中干涉条纹的信噪比为15.1,系统带宽为190Hz,系统理论带宽可以达到790Hz。     

泵浦激光频率波动对核磁共振陀螺仪 零偏稳定性的影响研究

本文研究了泵浦激光频率波动对核磁共振陀螺仪零偏稳定性的影响.通过分析核磁共振陀螺仪理论模型和自旋光泵浦极化129Xe的过程,阐述泵浦激光频率波动对陀螺仪零偏稳定性的影响机理.结果表明,泵浦光频率波动会导致核磁共振陀螺仪零偏稳定性下降约3个数量级.泵浦光频率波动是制约核磁共振陀螺仪性能提升的重要因素.     

泵浦光功率对核磁共振陀螺仪零偏的影响分析

核磁共振陀螺仪中,泵浦光频率和功率参量会对陀螺性能产生重要影响。研究了泵浦光功率对核磁共振陀螺仪零位的影响,阐明了不同谱线加宽条件下泵浦光功率稳定性与核磁共振陀螺仪零偏稳定性的关系。结果表明,泵浦光功率改变0.7‰,陀螺零位变化0.41(°)/s,且缓冲气体压强增大可以减小泵浦光功率对零位的影响。     

核磁共振陀螺仪中三维磁场的初步锁定

核磁共振陀螺仪内部空间的三维磁场锁定作为关键技术之一,对于核磁共振陀螺仪的角度随机游走及零偏稳定性具有较大的优化作用。实验装置选用充有CS、~(129)Xe、~(131)Xe以及N_2的方形原子气室,选择895nm圆偏振光作为泵浦光,852nm线偏振光作为探测光,通过对纵向磁场进行调制,实现了三维原子磁力计。通过提升气室温度对纵向磁场的锁定效果进行优化后,在3个方向的磁场起伏范围均稳定至7nT(5000 s)以下,锁定后磁场的千秒稳定性比锁定前提升至少1个量级。     

光纤陀螺仪中尖峰脉冲引起漂移 的误差分析及其抑制

首次分析了光纤陀螺仪探测器输出信号中频率固定的尖峰脉冲对光纤陀螺 仪零偏漂移的影响机理,给出了尖峰脉冲影响光纤陀螺仪零偏漂移的误差模型;根据干 涉式数字闭环光纤陀螺仪探测器输出信号的特点,提出了一种基于高速集成模拟开关的 时域选通尖峰脉冲抑制具体实现方法,实验验证了尖峰脉冲引起的零偏漂移大小和理论 分析接近,表明了误差模型的正确性,同时表明该方法能够有效降低尖峰脉冲引起的光 纤陀螺仪零偏漂移。     

基于机械抖动激光陀螺仪的动态误差分析

机抖激光陀螺仪是目前应用最为广泛的激光陀螺,是实现应用捷联惯导系统进行导航的理想惯性仪表,研究激光陀螺仪的误差因素,并通过软件进行补偿提高其精度,对提高捷联惯导系统的精度具有重要意义。相对于研究已经较为成熟的静态误差,对动态误差的研究仍较少。针对激光陀螺的动态误差,通过分析在动态环境中抖动机构的输出对二频机抖激光陀螺输出的影响,建立了动态误差模型,为激光陀螺动态误差的研究提供了理论储备,具有一定的工程应用价值。     

原子干涉陀螺仪精密测量及应用

由于原子干涉陀螺仪具有灵敏度高和长期稳定性好等特点,在惯性导航、精密测量、测地学等领域有着重要的应用前景,因此,研制高精度原子干涉陀螺仪具有重要的科学意义和应用价值,已成为当今研究的热点课题之一。首先综述了国内外原子干涉陀螺仪的研究进展和发展趋势。然后分析了广义相对论检验和惯性导航应用对原子干涉陀螺仪的需求,介绍了10余年来在原子干涉仪、萨格纳克效应和原子干涉陀螺仪方面取得的研究成果。最后讨论了原子干涉陀螺仪的优缺点,并展望了原子干涉陀螺仪的发展机遇及其在精密测量和惯性导航领域面临的挑战。     

改进的组合导航算法在MEMS组合导航系统中的应用

针对MEMS组合导航系统的应用,提出了一种改进的组合导航算法。首先采用零速修正算法对MEMS陀螺仪逐次启动重复性无规律的常值零偏进行补偿;其次,通过分析陀螺仪误差项的构成,提出了一种将卡尔曼滤波器输出的误差估计量P与零速修正的误差量相结合的改进导航算法,引入误差量分配加权思想,实现对系统误差方差阵Q中陀螺仪误差量的在线调节。利用跑车试验数据对算法进行验证,结果表明在MEMS组合导航系统中,与经典的导航算法相比,改进算法的导航精度更高、可靠性更强,是一种能有效应用于实际中的估计方法。     

窄频差硅基环形陀螺检测闭环控制系统设计

针对窄频差硅基环形波动陀螺动态性能差的问题，提出了一种基于比例积分微分-惯性环节（proportion integral differential-inertial element，PID-IE）的串联式相位校正检测闭环系统控制器。以硅微机械陀螺仪结构运动方程为基础建立了理想的窄频差U 形弹性梁硅基环形波动陀螺仪的系统模型。通过对环形陀螺开环工作状态下的系统模型及其外围电路的传递函数和波特图分析，设计了一种基于PID-IE的检测闭环系统控制器。通过对其系统模型及外围电路时域仿真，验证了该检测闭环控制系统的可行性，通过仿真发现，加入该控制器后的陀螺输出稳定时间减少了50%，陀螺检测位移输出减小了2个数量级，基本实现了该陀螺的检测位移抑制。在模拟电路中实现了该检测闭环控制系统后，通过实验测试了陀螺检测闭环控制前后的各项性能指标。通过实验测试发现，实现闭环控制后，陀螺输出稳定时间约为0.15 s，陀螺检测位移在闭环工作状态下比开环工作状态减小了97%，陀螺的标度因数比检测开环提高了10倍,零偏及零偏不稳定性与检测开环相比分别提升了3倍和8倍，且闭环控制系统的工作带宽比开环工作带宽提高了30倍。     

基于蒙特卡罗方法的冷原子干涉仪物理仿真

由于现有的噪声分析方法无法很好地评估在复杂环境下冷原子干涉仪的输出特性,本文提出了一种新的冷原子干涉仪仿真方法,可以模拟大动态条件下各项噪声及其之间的耦合对冷原子干涉仪的影响。利用单粒子波包演化的处理方式对冷原子干涉仪进行全过程物理建模,并采取蒙特卡罗方法对大量确定初态的原子进行全过程统计,最终得到冷原子干涉仪在多种噪声同时存在的情况下的响应。该方法主要优势体现在能够对噪声耦合情形进行高精度仿真,并且可以根据实际数据对干涉仪输出进行实时处理,以提升冷原子干涉仪的性能指标。     

一种改进的捷联惯导系统划船补偿算法

高精度的划船效应补偿算法是提高高动态、恶劣振动环境下捷联惯性导航系统性能的重要手段之一。鉴于所研究系统的陀螺及加速度计的输出都是脉冲,因此可以转化得到载体的角速率、加速度、角增量和速度增量。本文将角速率,角增量以及加速度,速度增量信号同时引入速度更新计算当中,提出了一类新的划船效应补偿算法。对这类新划船效应补偿算法的系数方程进行了推导并对其补偿性能进行了分析。根据系数方程列出了几种补偿算法的系数和补偿误差。采用典型划船运动作为测试输入,对列出的新算法进行了仿真研究。仿真结果表明,与传统的划船补偿算法相比,新算法具有更高的补偿精度。     

微半球陀螺测控电路国内外现状与关键技术

微半球陀螺相比于传统的机械陀螺具有更小的尺寸，因此其对温度、湿度、磁场等外界环境的变化更为敏感。为了保证陀螺具有较好的工作表现，需要使外部驱动信号的频率严格锁定于工作模态的中心频率上，且陀螺输出信号幅值恒定。与此同时，由于微半球陀螺信号为微弱信号，故而需要采用微弱信号采集技术及反馈技术对其进行处理，并且通过解调控制算法得到输出信号。阐述了微半球陀螺基本测控电路的国内外发展现状，并从Sigma-delta、模态匹配、正交补偿、温度补偿等角度分析了微半球陀螺测控电路的关键技术。     

基于惯性系的光纤寻北仪双位置寻北算法

由低精度光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)组成的寻北仪具有结构简单、成本低的优点,但易受地磁和车上复杂外部环境的影响.针对低精度FOG存在地磁零位,寻北仪对外部晃动敏感的缺陷,通过对陀螺进行地磁零位补偿保证陀螺零偏稳定性,在此基础上提出了基于惯性系的双位置寻北算法.算法分别在两个对位进行惯性系寻北,利用双位置对消原理获得不受陀螺固定零偏影响的方位角并完成水平陀螺固定零偏的估计.实验结果表明,陀螺零偏稳定性0.15(°)/h,加速度计零偏稳定性150μg的惯性器件精度下,车上寻北误差1倍标准差小于4.5mil、极差小于10mil、对准时间小于5min.与传统双位置算法相比,所提算法在晃动基座条件下具有对准精度高,环境适应性强的优点.     

考虑微加工误差的微机械陀螺的健壮性优化

 为减小微加工误差对音叉振动式微机械陀螺设计性能的影响、提高其批量性能稳定性，以对其加工后性能变异影响最大的若干关键参数为设计变量，在分析了几何约束条件、模态性能约束条件、基于模态的加工灵敏度约束条件的基础上建立了微机械陀螺健壮性优化的数学模型。在无需事先知道微机械陀螺尺寸／性能的详尽统计信息的条件下，采用一阶摄动技术和遗传算法实现了微机械陀螺的健壮性优化设计。     

光纤陀螺反馈通道非线性误差试验仿真分析

针对光纤陀螺输出中存在死区等问题,对光纤陀螺反馈通道的非线性特性进行了研究,通过理论、实验与仿真分析相结合的方式,得出不同深度的方波调制下非线性误差对陀螺输出精度的影响。理论分析表明,方波的调制深度越深,非线性误差对输出的影响就越剧烈,并给出了非线性误差公式。当输入角速率较小时,这种误差就会较容易地观测出。因而采取设计实验与仿真的方法验证上述结论的正确性,并得到了一致的结论。     

采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪研究CSCD

对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪进行了理论研究,采用角动量理论首次推导了双模压缩态输入的光子纠缠光纤陀螺仪的相位检测灵敏度,并证明了当光子数足够大时,可以达到海森堡极限。针对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪的二阶符合计数探测方案远未达到海森堡极限的情况,通过考察光子纠缠光纤陀螺仪各输出态的二阶符合计数对总的二阶相关光强的贡献,发现二阶符合计数探测方案存在量子增强信息的抵消,也即其中一个接收端光子数为偶数的输出态和光子数为奇数的输出态的二阶符合计数形成互补的倍频干涉条纹,进而相互抵消。因此,需要优化探测方案,提取完整的量子增强信息,才能实现海森堡极限的相位检测灵敏度。     

光纤陀螺非线性误差的温度特性研究

在不同调制深度下,光纤陀螺反馈通道的非线性误差对陀螺输出精度会有不同的影响。在此研究的基础上,通过实验与仿真分析相结合的方式,对光纤陀螺反馈通道非线性误差的温度特性也做了进一步的研究。研究表明,随着温度的降低,非线性误差对输出的影响也随之增加。仿真采用光纤陀螺单轴板在温箱中测得的数据,并利用Simulink建模分析。     

基于MEMS陀螺仪辅助的粒子群优化磁力计校正

目前磁力计校正中存在需要采集大量数据、获取良好的初值和已知准确的传感器噪声分布等问题,传统的粒子群优化磁力计校正算法能够解决以上问题,但是该算法只能用于磁力计简化模型,校正其中9个误差参数,造成补偿不准确的问题。该算法借助MEMS陀螺仪建立矢量目标函数,采用随机漂移粒子群优化算法估计磁力计12个误差参数,具有较强的全局搜索能力和动态适应性。经过仿真与实测实验表明,该算法在磁力计绕其任意2个单轴不完整旋转1周即可实现校正,并且能够在磁场变化情况下保持精度,相比于传统算法补偿精度高、操作简单。     

捷联惯性制导系统的圆锥误差及其补偿

圆锥误差是捷联惯导系统,特别是激光陀螺捷联惯导系统重要的误差源,为提高激光捷联惯性系统的导航精度,防止姿态误差的积累,本文研究了圆锥补偿算法和圆锥补偿误差特性,给出了常用的8种圆锥补偿算法,针对激光陀螺惯组的实际应用背景,开展了弹道仿真研究,给出了圆锥误差对激光陀螺捷联惯导系统导航精度的影响和补偿修正的效果。     

一种圆锥运动条件下的等效旋转矢量算法研究

传统旋转矢量姿态算法一般采用陀螺的角增量信号来构造积分算法,当应用于输出为角速率的光纤陀螺捷联系统时,通过角速率提取角增量,算法会损失一定精度。提出了一种以陀螺角速率信号与角增量信号同时作为输入的改进旋转矢量姿态算法,进一步补偿了圆锥误差,提高了计算精度。仿真结果表明,该算法与传统二子样算法相比较,计算量相当,姿态精度、速度精度、位置精度有大幅度的提升。