谐振式光子晶体光纤陀螺信号检测及处理技术研究

谐振式光子晶体光纤陀螺是一种具有小型化、高精度等潜在技术优势的新型光纤陀螺,是国内外惯性器件研究的一个重要发展方向。针对谐振式光子晶体光纤陀螺的结构和信号检测原理进行了详细的叙述,确定了基于FPGA的陀螺信号检测总体方案,陀螺信号处理及控制模块主要由频差信号解调、复合拍频检测、闭环反馈控制、数据编码输出以及调制信号模块组成;随后重点介绍了窄线宽半导体激光器的驱动控制方案,在调制解调及频率偏差检测方案上采用数字相敏检波器实现频率偏差检测,在谐振频率闭环跟踪锁定方案上采用数字PI控制器实现环路光频率控制;最后进行了谐振式光子晶体光纤陀螺实验测试系统搭建,以及谐振曲线测试和谐振频率闭环锁定测试。     

用于RFOG的光学锁相环仿真研究

谐振式光纤陀螺是实现光纤陀螺小型化发展的重要方向,具有广阔的应用背景和很好的应用前景。而激光器作为谐振式光纤陀螺的关键设备之一,其性能直接影响着谐振式光纤陀螺的精度。为了解决谐振式光学陀螺的背反噪声问题,采用光学锁相环技术对激光器频率进行锁定的方案,通过对光学锁相环进行建模、仿真分析,重点研究了锁相原理及锁相方案,验证了基于电流调制的半导体激光器的光学锁相环可行性。最终验证了光学锁相环的相位锁定效果,实现了两激光器输出频率差值稳定的设计目标。     

以市场为导向推动光纤陀螺技术新发展

干涉型光纤陀螺（ＩＦＯＧ）自进入９０年代中期以来,在技术进步及市场开拓两方面都有重大进展,本文重点介绍开环光纤陀螺的应用,以及闭环型战术级,导航级光纤陀螺及精密级光纤陀螺的技术进展及市场开发,并对整个光纤陀螺技术的未来展望做了进一步描述。     

光子晶体光纤在光纤陀螺中的应用现状及其关键技术

光子晶体光纤技术发展迅速,凭借其自身材料的突出优势已经在干涉式光纤陀螺中得到了应用。从光子晶体光纤的原理出发,阐述了光子晶体光纤的国内外研究现状和应用于光纤陀螺的潜在优势。同时针对两型光子晶体光纤陀螺:干涉式光子晶体光纤陀螺和谐振式光子晶体光纤陀螺,综述了陀螺层级的国内外研究现状及目前面临的主要技术问题,最后提出了光子晶体光纤陀螺后续发展需要攻克的技术瓶颈。     

日本光纤陀螺的应用与研究

综述日本研制光纤陀螺的三家主要公司三菱精密，日本航空电子和日立电线在干涉型光纤陀螺的应用与研究方面所取得的成就。目前，中低，精度的干涉型光纤陀螺已经进入实际应用领域成为商业产品，而高精度的干涉型光纤陀螺已进入实际应用研究的最后阶段。     

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%。     

基于自回归与最小均方理论的振动环境下 光纤陀螺仪滤波方法

针对振动应力下光纤陀螺产生测量误差增大的问题,从振动对光纤环的影响机理出发,分析了振动应力下光纤陀螺干涉信号的表现形式,提出了基于自回归最小均方滤波理论的光纤陀螺滤波方法,将AR模型的平稳性和最小均方根滤波的自适应性相结合,提取平稳数据的特性参数,对高频信号进行滤波,降低非互易相移产生陀螺角速度误差值的干扰.试验表明,该方法简单可行,有效地降低了振动应力下光纤陀螺输出信息的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移.     

光收发组件驱动电路集成化技术研究

本文对干涉式光纤陀螺用光收发组件的驱动电路集成化技术进行了研究.分析了光源输出光功率稳定性对光纤陀螺精度的影响.建立了光源驱动电路的理论模型.设计了相对简单、集成化程度高的光源驱动电路.对所研制的电路进行了全温测试.实现了光源驱动电路的高精度、集成化和小型化.     

光纤陀螺尖峰脉冲研究

对光纤陀螺尖峰脉冲进行了深入研究,建立了光纤陀螺前放电路的噪声模型,分析了两个关键参数带宽和放大倍数对陀螺噪声和信噪比的影响,仿真结果指出降低前放带宽、提高放大倍数可以大幅度提高陀螺的信噪比,由于光纤陀螺信号特性的限制,这些改变必须在切除尖峰脉冲后才可以实现。对比分析了常见的几种光纤陀螺尖峰脉冲抑制方案,选择了模拟开关切除尖峰脉冲方案进行试验,试验结果表明,尖峰脉冲抑制方案对光纤陀螺的输出数据噪声性能提升效果显著,改进后的陀螺噪声降低了13%。     

日本干涉型光纤陀螺的应用研究

本文概要地介绍日本ＪＡＥ、三菱、日立、住友有关干涉型光纤陀累开发与应用方面的进展情况，目前在日本低、中精度的干涉型光纤陀螺已进行实用阶段，而高精度干涉型光纤陀螺尚处于试制阶段。     

干涉型光纤陀螺温度漂移建模与实时补偿

 分析了干涉型光纤陀螺(IFOG)温度漂移的影响因素，通过建立温度与陀螺模型参数之间的线性相关关系，推导出了光纤陀螺温度漂移的分布模型。为了提高陀螺温度漂移模型的适应性，设计了0.25,0.75,1.00 ℃/min三种变温速率的温度试验，并利用小波变换的方法分离数据中的噪声和趋势项。基于温度漂移的分布模型和最小二乘误差（LSE）准则，建立了多参量联合线性模型来估计陀螺温度漂移。采用升温过程和降温过程分段建模的方法将多参量联合线性模型算法进行了简化，并在现场可编程逻辑阵列（FPGA）中分时复用一个全串行有限冲激响应（FIR）滤波器实现了陀螺温度漂移的实时估计。仿真的温度补偿结果及实时的温度补偿结果显示，该方法可以使陀螺温度漂移减小到1/10~2/10。     

数模转换器毛刺对光纤陀螺相关检测的影响分析

数模转换器(DAC)是全数字闭环光纤陀螺反馈通道的重要部件,DAC的毛刺特性会对光纤陀螺的调制解调结果产生影响.基于DAC中值毛刺特性建立了光纤陀螺反馈回路的非理想调制方波模型,分析了调制频率与本征频率不同时DAC毛刺在干涉信号中产生的各类周期干扰信号.利用周期干扰信号的Fourier级数推导出了DAC毛刺造成调制解调误差的数学模型,仿真分析了数模转换器毛刺的宽度、高度,光纤陀螺调制频率、本征频率及放大电路的增益带宽对陀螺解调误差的影响.最后,通过开环实验验证了DAC毛刺对光纤陀螺调制解调的影响.     

干涉式光纤陀螺光纤环互易性温变漂移补偿方法

分析了干涉式光纤陀螺光纤环受温度影响产生零漂误差的机理,对于温变环境下的光纤陀螺输出,在传统线性分析手段的基础上,以互易性为主,把光纤环径向内外温度差以及温度变化率的差作为研究对象,建立了新的多项式零漂评估方法.通过对模型不同幂级次的探寻,寻找到变温情况下的最佳拟合系数并进行仿真补偿,实现了陀螺精度的大幅提高,使得最佳零漂降低为原始输出的20.6%.最后,对拟合系数进行陀螺变温实验验证,证实了该新型温度补偿方法的合理性.     

基于SOA的光纤陀螺相对强度噪声抑制研究

为进一步提高光纤陀螺精度,抑制掺铒光纤光源的相对强度噪声(RIN),在利用半导体光放大器(SOA)对光源相对强度噪声进行抑制的基础上,实现了SOA光源一体化方案。经过原理分析并设计实验方案,对比实验前后的测试数据可以看出:处于增益饱和状态的半导体光放大器对光源相对强度噪声起到了抑制作用,抑制后陀螺的零偏稳定性由之前的千分之一提高到万分之五左右,精度提高1倍,随机游走系数减小到56%;另一方面,一体化方案的实现,使利用SOA抑制强度噪声的方案更易实现,操作更简单,有利于该项技术的进一步工程应用。     

调频连续波激光雷达目标相对距离及径向速度信息提取方法

利用线性调频连续波（LFM/CW）激光雷达进行测量时,相对运动引起的多普勒效应和信息输出延迟都会造成测量结果偏差。分析了多普勒效应和信息输出延迟对测量的影响,提出了基于偏差抵消原理的相对距离及径向速度信息提取方法,根据测量任务需求对该方法和基于二维傅里叶变换的信息提取方法进行了仿真比较。结果表明：基于偏差抵消的信息提取方法不仅可以在相对径向速度未知的情况下准确提取目标相对距离信息,更可在每个调频周期结束后给出测距结果从而提高测距实时性;相比基于二维傅里叶变换的信息提取方法,当相对径向速度小于750 m/s时,基于偏差抵消的信息提取方法可使得测速偏差减小一个数量级。     

Interferometric Fiber Optic Gyro Technology (IFOG)

Life cycle cost containment of the Strategic Weapons System (SWS), without loss of ultra high performance, is a very important goal of the entire Navy Strategic Systems Program community. Boeing is responding by guiding large advances in the state-of-the-art of fiber optic gyro technology and developing a new associated navigation system. All of the very stringent Strategic Weapons System (SWS) performance, reliability, and maintainability requirements continue to be exceeded by the Electrostatically Supported Gyro Navigator (ESGN). The Electrostatically Supported Gyro (ESG), in production for over 25 years, is the most critical and costly component of the current inertial navigation system. ESGs, however, are extremely expensive to manufacture and repair. Furthermore, the system-level electronic components are difficult to replace because they are rapidly becoming obsolete. The current initiative is focused on containing total ownership costs, especially maintenance costs, without any relaxation of performance, reliability, or maintainability requirements. The key element of this initiative is new gyro technology based on rapidly improving precision Interferometric Fiber Optic Gyro IFOG performance, along with cost reduction of fiber and manufacturing processes. This paper discusses the challenges and the approach currently being taken to further the development of high precision IFOG technology and its associated inertial navigation system for application to the SSBN     

基于星间激光测距的三星时差定位系统标校方法

利用精确的星间激光测距信息,提出了基于星间测距的三星时差定位系统标校方法。该方法消除了副星相对位置系统误差对定位精度的影响,同时提出了副星相对位置系统误差的解析解法,建立了模型误差和对副星相对位置系统误差进行估算的误差的定量关系,并证实了基于星间激光测距的标校方法可以在较大范围内提高定位精度。     

面向高轨目标的强度相干成像技术研究

强度相干成像技术是指利用地基强度相干阵列测量空间目标光强随机涨落的相干性,可获得目标的空间频谱模值,结合目标先验信息即可恢复目标光强分布图像.这种成像方法具有成像分辨力高、设备精度要求低、受大气湍流影响小等优点,目前已应用于恒星目标的成像观测领域,是一种有发展前景的地基光学成像手段.在综述强度相干技术原理与发展历程基础上,分析了利用强度相干阵列对高轨目标成像的可行性,认为在利用强度相干阵列对高轨目标成像过程中,主要存在空间频谱探测信噪比低和相位恢复复杂2大难题,提出利用激光主动照明对目标进行探测,同时采用符合计数方法和正则化优化方法可提高探测信噪比与相位恢复质量,对实现高轨目标成像有一定参考.     

Multi-input multi-output random vibration control using Tikhonov filter

Noises always disturb the control effect of an environment test especially in multi-input multi-output (MIMO) systems. If the frequency response function matrices are ill-conditioned, the noises in the driving forces will be amplified and the response spectral lines may awfully exceed their tolerances. Most of the major biases between the response spectra and the reference spectra are pro-duced by the amplified noises. However, ordinary control algorithms can hardly reduce the level of noises. The influences of the noises on both the auto-and cross-power spectra are analyzed in this paper. As a conventional frequency domain method on the inverse problem, the Tikhonov filter is adopted in the environment test to suppress the exceeding spectral lines. By altering regularization parameters gradually, the auto-power spectra can be improved in a closed control loop. Instead of using the traditional way of selecting regularization parameters, we observe the coherence change to estimate noise eliminations. Incidentally, the requirement of coherence control can be realized. The errors of the phase are then studied and a phase control algorithm is introduced at the end as a sup-plement of cross-power spectra control. The Tikhonov filter and the proposed phase control algo-rithm are tested numerically and experimentally. The results show that the noises in the vicinity of lightly damped resonant peaks are more stubborn. The response spectra are able to be greatly improved by the combination of these two methods.     

水汽对折光修正精度的影响分析

针对当前部分折光修正的工程应用常常忽略水汽影响的现状,选取了国内4个不同地域的气象站点,基于1995年的数百组历史气象探空数据,利用射线描迹法分别仿真计算包含水汽和忽略水汽2种情况下由于大气折射引起的测距误差和测角误差,并对这4个站点不同仰角和不同时间的测距偏差和测角偏差进行统计分析,结果表明：水汽是构成测量残差的一个重要误差源,对于精度要求较高的折光修正系统,水汽的影响不能忽略.该分析结果可为其他需要考虑大气折射效应影响的高精度光学测量工程领域提供参考.