光纤光子纠缠增强陀螺的现状与认知

1996年,Bollinger等指出利用光子纠缠态NOON态可使干涉仪的相位测量精度相对于散粒噪声极限提高N倍,达到海森堡极限(Heisenberg Limit Measurement).2019年5月8日,奥地利科学家马蒂亚斯·芬克(Matthias Fink)团队在《New Journal of Physics》上报道了纠缠增强光子陀螺,其利用纠缠光源降低光子de-Broglie波长,实现了超过散粒噪声极限的相位测量.马蒂亚斯·芬克团队的研究成果在业界引起较大反响,并聚焦为光纤光子纠缠陀螺的研究热点.基于新型光纤光子纠缠增强陀螺的相关概念,对光纤光子纠缠增强陀螺的工作原理、理论可实现精度、国内外研究基础和现状等进行了收集梳理、学习分析、认知提升,进而在此基础上针对相关技术,如光子纠缠源、光子纠缠通量的增强抑衰、信息的逻辑采集处理解算、光子纠缠增强陀螺集成技术、光子纠缠陀螺系统验证技术等的创新推进提出了一些浅显看法以商榷.通过上述工作也期望能"抛砖引玉",为我国光纤光子纠缠增强陀螺技术的起步和未来的发展推广应用奠定基础,并激励广大研究者继续深入探索.     

用于量子保密通信系统的偏振控制算法研究

量子保密通信是近年来逐渐发展成熟的一种新型保密通信机制,其安全性建立在量子力学基本原理上,被证明具有信息论条件下的绝对安全性。偏振编码光纤量子保密通信系统使用光子的偏振态进行信息编码。当环境变化时,光纤传输特性的改变将导致光子偏振态变化。因此,光子偏振态的补偿控制是光纤量子保密通信系统的一项关键技术,能否快速、准确的对偏振态进行补偿将直接影响系统的通信性能。本文提出一种基于光纤偏振控制器和扫描控制算法的偏振补偿方案。该方案通过控制光纤偏振控制器的电压大小,将量子误码率最小化,实现偏振光的补偿控制,满足量子通信系统自动控制的要求。     

光子纠缠光纤陀螺的光路互易性分析

传统光纤陀螺采用一个宽带光源和一个探测器,输入/输出共用Sagnac干涉仪的一个端口,这种结构构成一种互易性光路,使各种因素引起的两束光波之间的附加相移完全抵消,从而可以非常灵敏地测量旋转引起的Sagnac相移,而光子纠缠光纤陀螺通常采用双端口输入/双端口输出的光路结构,其光路互易性尚未充分认识.利用散射矩阵模型分析了...     

光子晶体光纤陀螺仪关键技术研究及进展

光子晶体光纤具有辐照不敏感、热敏感度低等特点,可以显著增强光纤陀螺仪的空间环境适应性,并有利于减小光纤陀螺重量、尺寸和功耗。本文分析了光子带隙型光子晶体光纤和折射率导引型光子晶体光纤的特点,详细阐述了光子晶体光纤陀螺仪的原理、关键技术及国内外进展。     

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。     

基于简化Mohr模型的光纤陀螺温度补偿方法研究

为了提高光纤陀螺温度补偿精度,采用Mohr理论建立了光纤环圈的热传递模型,准确分析了光纤环圈内部的温度变化和分布情况,计算得到了光纤环圈的Shupe误差。根据Shupe理论误差和陀螺仪输出的相关性分析,得到了最优的光纤环圈热传递参数。根据热传递参数建立了光纤陀螺温度补偿模型,完成了光纤陀螺的实时温度补偿,实际补偿后光纤陀螺仪变温精度提高了约3.4倍。     

非线性光纤Sagnac干涉仪精度分析研究

非线性光纤Sagnac干涉仪具有突破标准量子极限的优点,可实现超高精度地球自转角速度的测量。通过理论建模和数值仿真,阐明了非线性光纤Sagnac干涉仪的增益系数、光纤环长度、光纤环面积和激光波长等参量对干涉仪精度的影响。在测量地速的条件下,光纤环半径取0.5m,光纤环长度为20km且非线性增益系数大于3.582时,干涉仪灵敏度能够达到10－6(°)/h(量级),为实现高灵敏度非线性光纤Sagnac干涉仪提供了支撑。     

光纤环非互易相位误差尾纤补偿方法研究CSCD

针对光纤环的热致非互易误差的补偿方法进行研究,并通过仿真分析与实验验证,证明了某种光纤环尾纤长度与光纤环热致非互易误差之间的关系。根据等效介质理论和Mohr理论,建立了光纤环热致非互易相位误差仿真分析模型,并利用该模型计算了不同温度环境条件下,某类型光纤环顺逆时针方向光纤长度发生变化时,陀螺仪输出的全温零位漂移的变化量。仿真及实验结果表明,在1℃/min温变速率条件下,总长约800m的光纤环圈顺逆时针方向光纤长度相差约0.5m时,光纤环全温零位漂移量缩小了0.4(°)/h。研究结果得出了针对此类型的光纤环,当光纤环尾纤每减少0.5m,其热致非互易相位误差减小0.4(°)/h的规律。该项研究成果为后续优化光纤环的全温精度奠定了基础。     

基于FPGA的FIR滤波器设计与实现

本文根据激光陀螺仪信号的解调原理,提出了一种利用数字信号处理技术并采用FPGA实现的解调方法。分析了FIR滤波器的工作原理,根据激光陀螺仪对滤波器的要求,给出了由FPGA设计实现FIR滤波器的基本原理,并利用IP核实现了FIR滤波器,满足了激光陀螺仪的需求。通过在国产激光陀螺仪上的应用,验证了方案的正确性。通过对激光陀螺仪脉冲计数的高速采样并利用数字滤波器处理,可以有效的消除抖动引起的信号噪声,得到所需要的惯性信息。采用FPGA设计实现,可以提高运算速度,并且可以缩短数据采样的延时。     

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。     

光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。     

光纤陀螺测试系统设计

叙述了光纤陀螺测试系统的组建方案以及主要功能,进行了控制机、自动转台、光纤陀螺之间的通讯模块软硬件设计,分析了测试程序的特点。通过配接不同的测试仪器,该系统可完成其它种类的惯性元件测试。     

基于导航姿态解算的光纤陀螺平台低频角振动测试方法研究CSCD

为准确评价光纤陀螺平台的低频角振动特性,提出了一种基于导航姿态解算的光纤陀螺平台低频角振动测试方法。首先,通过角振动台精确模拟载体的低频角振动状态,并通过光纤陀螺平台飞行导航过程中的断调平差分信号,实现平台框架角度信号与角振动台激励角度信号的数据同步;然后,利用平台式惯导系统的导航姿态解算方法,实时解算低频角振动过程中光纤陀螺平台的台体姿态,并通过坐标系转换得到平台基座系相对于地理系的实时姿态;最后,通过对光纤陀螺平台稳定回路的幅相特性分析,得到低频角振动激励下稳定回路的幅值和相位特性,实现对光纤陀螺平台角动态特性的准确评估。     

Reduced minimum configuration fiber optic gyro for land navigationapplications

Further cost reduction of the fiber optic gyroscope is necessary to meet the economic requirements of land navigation systems. Previous concentration was on the reduction of the number of splices and component improvements in the open-loop minimum configuration. Now non-essential components and splices are eliminated. The source-detector coupler is not part of the Sagnac interferometer, and serves solely to direct light from the interferometer into the output photodetector. Many commercial laser diodes incorporate a back-facet photodetector to monitor laser intensity. The signal returned from the Sagnac traverses the laser, and can be detected at this photodetector. The gyro signal can be distinguished from the laser signal by the bias modulation applied in the interferometer. Configuring a gyro in this manner eliminates a directional coupler and the separate photodetector, as well as up to two fiber splices in an all-fiber gyroscope. A production, open-loop fiber optic gyroscope has been modified to demonstrate this principle. The gyroscope exhibits performance comparable to the conventional minimum configuration     

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。     

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。     

一种高斯型ASE光源研究

简单介绍了掺铒光纤的光放大原理,分析了四种ASE光源的光路结构。针对双通前向结构,设计了一种适用高精度光纤陀螺仪的高斯型ASE光源,并进行了试验研究。试验结果表明,掺铒光纤的掺杂浓度、光纤长度都对ASE光源的输出特性具有很大的影响。此外,根据试验结论,研制出高斯型ASE光源,其性能稳定,已在多个高精度光纤陀螺仪型号上实现了实际应用,并取得了良好的效果。     

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。     

轻小型光纤陀螺抗干扰技术

轻小型光纤陀螺内部干扰严重影响了其正常工作.干扰可导致陀螺输出死区,产生周期性噪声和输出非线性等现象.抑制干扰对提升陀螺性能和环境适应能力有重要的意义.对干扰的形成机理进行了理论分析,并提出了一些抑制干扰的方案.     

集成光学陀螺技术研究

对各种集成光学陀螺结构方案进行了总结,并对干涉式、谐振干涉式、反射谐振式、透射谐振式等四种典型的陀螺方案进行了详细的分析和比较。分析结果表明,干涉式和反射谐振式陀螺方案具有较小的极限灵敏度值,而且反射谐振式方案是四种陀螺方案中极限灵敏度值最小的,即反射谐振式陀螺方案是具有最大潜能的陀螺方案。方案分析完成后开展了集成光学陀螺的相关关键技术的研究,通过集成光学芯片的优化设计和加工、信号检测技术等方面的研究,最终实现了零偏稳定性为0.2°/s的陀螺样机。