基于高灵敏超导探测器的新型脉冲光高精度光纤陀螺技术研究

高精度光纤陀螺的精度主要由光纤陀螺检测噪声决定,一般可用角随机游走系数来表征,光纤陀螺的角随机游走主要由光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声决定。提出了基于高灵敏超导探测器的脉冲光高精度光纤陀螺技术方案和精度提升方法,实现了陀螺光信号的高灵敏检测,显著降低了光纤陀螺的热噪声,降低了相对强度噪声,并避免了连续光因调制切换引入的尖峰脉冲误差的影响,有效提升了光纤陀螺的精度水平。通过仿真分析,可将光纤陀螺的随机游走系数检测极限从3.53×10-5(°)/h1/2降低至1.6×10-5(°)/h1/2,减小了约54.7%。     

基于模态匹配和正交抑制的微机电陀螺闭环控制技术研究

模态匹配和力反馈控制可以在不牺牲检测带宽的情况下，利用机械谐振放大特性有效提高微机电陀螺信噪比、改善陀螺性能。结合一款高Q 值对称式四质量敏感结构的陀螺表头,在陀螺动力学平均模型基础上，通过对检测模态同相分量和正交分量的控制，实现陀螺的闭环检测控制。基于静电负刚度原理，通过改变陀螺敏感结构梳齿与质量块之间的电压，构建实时正交抑制系统和精确模态匹配环节，推导出陀螺的静电刚度矩阵，完成了对正交耦合信号的实时抑制和驱动、检测模态的精确模态匹配并且实现对两环节的解耦控制。实测结果显示，陀螺频差由24 Hz缩小到0.05 Hz以内，全温条件下，陀螺的正交耦合量由3(°)/s抑制到0.01(°)/s，陀螺全温零偏稳定性由初始的11.48（°）/h改善到1.95(°)/h，验证了实时正交抑制和模态匹配等技术对提升陀螺性能的具体效果。     

旋转调制微机电惯性系统方案研究

微机电惯性系统具备小体积优势，但现阶段系统精度仍在消费级与战术级之间。研究了旋转调制技术在微机电惯性系统中的应用，探讨了基于PCB小型化电机的微旋转方案，并开展了单轴旋转调制验证试验，以探索旋转调制技术对微机电惯性系统性能的提升作用。结果表明，在微机电陀螺精度约为2(°)/h的条件下，该方案能够实现约0.2n mile/10min的导航精度，相较于同等惯性器件条件下的捷联式系统，精度提高了不止1个数量级，证明了该方案能够有效提高微机电惯性系统的精度。     

全国惯性技术计量技术委员会审议5项技术法规

在2014年12月3日召开的全国惯性技术计量技术委员会2014年年会上，审议了《惯性技术计量术语及定义》、《微机电（ MEMS）陀螺仪校准规范》、《陀螺仪动态特性校准规范》、《钻孔倾斜仪校准规范》和《三轴转台校准规范》5个技术法规，其中《惯性技术计量术语及定义》等4个技术法规已通过评审，《三轴转台校准规范》需要完善后再次提交委员会审查。目前，各技术法规的主要编写人正在准备技术法规报批稿等材料，近期将完成上报。     

三浮陀螺仪沿输出轴误差系数DO的产生机理分析

目前,三浮陀螺仪误差模型包含沿输出轴的一次项误差系数DO,该误差项尚无明显的物理意义,但 DO的标定结果在0.0002(°)/(h·g)～0.015(°)/(h·g).针对三浮陀螺仪的结构特点和测试方法分析了DO的产生机理,通过调整安装误差角的试验说明安装误差角带来的天向地速和一次项分量会影响DO,因此系统在选用陀螺误差模型时,需关注由测试方法带来的误差.同时,陀螺在设计、生产和调试过程中对安装误差角的影响应予以重视.最后用统计检验的方法说明DO对误差模型的线性影响不显著,为系统选取陀螺误差模型提供依据.     

一种新型的硅片转子调谐陀螺仪

本文介绍一种硅薄片转子调谐式陀螺仪。该陀螺仪继承了动力调谐陀螺仪的结构形式和工作原理,利用微电机驱动陀螺转子,利用两对扭杆和平衡环实现动力调谐,其扭杆、平衡环、陀螺转子和信号器、力矩器均由微机械工艺加工,转子偏角采用差动电容检测,力平衡反馈通过静电力实现。论文详细介绍了该陀螺仪的结构,分析了调谐条件和信号器、力矩器标度因数,讨论了信号检测与力反馈回路的组成与原理。硅薄片转子调谐陀螺仪的体积和质量略大于硅微机械陀螺仪,精度与动力调谐陀螺仪相近（理论可达0.01°/h或更高）,且环境适应性较好,成本低,适于要求较高精度和小体积的应用场合。     

陀螺输出信号的超高速处理

采用硬件描述语言VHDL设计了专用于方向余弦阵计算的集成电路,可用于对激光陀螺或挠性陀螺输出的脉冲信号或脉宽调制信号进行方向余弦阵计算。输入脉冲频率最高可达1 MHz;分辨力为1.57＂时,最大角速率可达400(°)/s。方向余弦阵的元素采用64位有符号定点数表示,计算精度达1.08×10-19。硬件结构采用64位宽度的循环移位链,核心计算单元由46个8位加法器构成3级流水线并行处理。     

用3mm准光腔测试介质片复介电常数

为了准确检测介质片在3 mm频段的复介电特性,采用固定腔长法,研制了工作在101.80 GHz的测试介质片复介电常数准光学谐振腔测试系统。结果表明:腔体的品质因数达8×104,高斯波束的束腰半径为2.36 mm。复介电常数的测试范围ε′为2~8;tanδ为3×10-4~5×10-3,最可几误差为│Δε′/ε′│小于等于10%;│Δtanδ│小于等于20%tanδ+1×10-4。此方法能检测大面积介质片复介电常数的均匀性。     

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。     

基于Shupe系数的光纤陀螺光纤环评价方法

针对当前缺乏有效的光纤环温度性能评价方法确保光纤陀螺整表全温精度的问题,搭建了光纤环温度测试系统,提出了一种光纤环评价方法。该方法不但能够评价光纤环的温度性能,而且能够反映陀螺整表的全温精度。根据测试结果,分析了基于Shupe系数的线性误差和线性补偿后的非线性误差。其中,前者代表了光纤环的温度灵敏度,后者代表了光纤环的可补偿程度,两者共同构成了光纤环的评价指标。利用该测试系统测试了数十只同一尺寸的光纤环,非线性误差小于0.022(°)/h,补偿后整表的全温零偏稳定性小于等于0.01(°)/h(-40℃~+60℃,1℃/min),为后续高精度光纤陀螺的生产提供了一定的指导。     

核磁共振陀螺信号仿真及噪声分析

核磁共振陀螺具有体积小、精度高、功耗低等优势,有望成为下一代惯性导航系统的核心部件,目前正受到人们的广泛关注。比较全面的介绍了核磁共振陀螺的基本理论,在此基础上利用时间离散化方法推导并建立了能够充分考虑核磁共振陀螺系统动态特性的仿真模型。利用该模型研究分析了锁相环相位、磁场、温度以及探测光强在1×10-5均方根幅度下均匀白噪声对陀螺信号的影响,发现它们对角随机游走、零偏不稳定性影响依次减小,且都具有自身独特的频率响应特性。其中,锁相环相位噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为5.1985×102(°)/h1/2、3.4593×103(°)/h,而探测光强噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为3.1623×10-1(°)/h1/2、4.7603×10-1(°)/h。该研究对深入分析核磁共振陀螺动力学机理、寻找主要噪声来源、提高陀螺性能具有重要意义。     

基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪实验优化

核磁共振陀螺仪内嵌三维原子磁强计是实现核磁共振陀螺仪小型化的一种有效途径,故介绍了一种基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪.对影响三维原子磁强计性能的重要参数进行了优化,得到了较优的x轴、yy轴和z轴磁强计信号标度因子,进而实现了更灵敏的三维原子磁强计.在三维磁场闭环锁定6000 s后,测得核磁共振陀螺仪的角度随机游走和零偏稳定性分别为0.038(°)/h1/2和0.94(°)/h.     

麦克风阵列安装偏差引起的旋转声源定位误差

对旋转声源定位中3种常见阵列安装偏差即角度偏差、x轴向偏移偏差、z轴向偏移偏差导致的定位误差进行了详细研究。结果表明:当角度偏差在-10°～10°范围内,声源定位位置误差随角度偏差呈近似线性变化,最大定位位置误差为0.089 m,定位强度误差呈随机变化,其中最小定位强度误差为0.97 dB,最大为4.69 dB;当x轴向偏移偏差在-0.1～0.1 m范围内,声源定位位置误差随x轴向偏移偏差呈近似线性变化,最大定位位置误差为0.098 m,定位强度误差呈随机变化,其中最小定位强度误差为0.91 dB,最大为4.94 dB;当z轴向偏移偏差在-0.1～0.1 m范围内,最大定位位置误差为0.01 m,正偏移偏差引起的定位强度误差总体小于负偏移偏差,其中最小定位强度误差为0.81 dB,最大为4.51 dB。研究结果可为麦克风阵列在实际应用中控制测量误差提供指导。      

谐振式光纤陀螺用光源模块实验研究

基于多光源结构的谐振式光纤陀螺(R-FOG)是一种小型、高精度惯性传感器。研究了谐振式光纤陀螺的光源模块方案,选用小型可调谐的窄线宽半导体激光器,并对光源中心波长、光功率进行测量,以建立光源的最优工作区域,在此基础上对光源之间的拍频进行静态测试,测试过程中的频率最小值为53Hz、最大值为25.9225MHz。该方案具有分辨率高与动态范围大的潜在优势,在拍频测试中,陀螺测量分辨率和动态范围分别可达9.13×10~(-4)(°)/h、±4.56×10~7(°)/h。     

MEMS陀螺仪的高精度标定方法

为了提高微机电(MEMS)陀螺仪的测量精度，研究了一种同时标定陀螺非正交误差和加速度敏感漂移误差的标定方法。设计了16位置的转台标定方案，分别以地球自转角速率和重力加速度作为角速率和加速度激励源，利用两组角速率数据迭代求解非正交误差和加速度敏感漂移误差，并以陀螺仪对地球自转角速率的敏感误差作为校正效果的评估依据。试验结果表明，该方法能够有效校正MEMS陀螺仪的非正交误差和加速度敏感漂移误差，提高了陀螺仪的测量精度，且易于工程实现。     

嵌套环MEMS陀螺研究综述

嵌套环MEMS谐振陀螺是一种基于Coriolis效应的振动陀螺，具有结构全对称、加工鲁棒性好、电容灵敏度高、可采用传统体硅加工工艺实现批量化制造等优点，是目前最具性能潜力的微陀螺方案之一。首先阐述了嵌套环MEMS谐振陀螺的基本结构和工作原理，然后针对其在敏感结构设计及演化、品质因数提升、频率匹配技术、非线性效应与参数放大技术及零偏补偿技术等方面的发展进行了讨论，并对其在结构设计、加工技术、测控电路、新机理和新效应的应用等方面的发展进行了展望。嵌套环MEMS谐振陀螺可以实现高精度的角速率测量，具有巨大的性能潜力和较好的应用前景。     

基于双频激光干涉仪的角速率检测系统精度分析

为了能够精确检测到测试转台在低速运行下的角速率,设计了一种基于双频激光干涉仪的角速率精度检测系统.首先,对本检测系统各项误差进行机理分析.然后,综合各项误差项建立总体相对误差模型.最终,通过仿真分析得到各个误差因子对相对误差项的影响,为保证检测系统相对精度提供理论依据,能够满足对高精度惯性器件测试转台低速段0.0001(°)/s~1(°)/s速率检测要求.     

MEMS冗余惯组小幅值故障检测的PCA算法设计和优化

当组成冗余惯组的陀螺为MEMS陀螺,而故障又为幅值比较小的阶跃故障时(仿真发现,阶跃故障幅值为陀螺噪声方差的10倍左右大小时),使用以往的PCA故障检验方法,陀螺噪声会造成故障检测的困难.针对这种情况,提出了MEMS冗余惯组小幅值故障检测的PCA(Principal Component Analysis)算法设计和优化的方法,在以往PCA算法的基础上结合假设检验算法,考虑了陀螺噪声的影响,降低了MEMS陀螺噪声对故障检测的影响.通过仿真验证,证实了本文算法比以往PCA算法具有更高的检测准确性和灵敏度,这对于提高整个系统的可靠性具有重要意义.     

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.