数字闭环光纤陀螺死区机理研究与抑制

在数字闭环光纤陀螺中,死区产生及其附近噪声特性恶化的主要因素可以归结于施加在相位调制器上信号的串扰。根据死区产生机理的不同,提出了偏置相位调制和阶梯波反馈调制两种死区串扰误差因素的观点。通过对这两种死区误差机理的分析和比较,提出了采用模拟相加反馈方案可以避免偏置相位调制死区误差的观点。采用速率转台法测试了光纤陀螺的死区特性,验证了理论仿真和计算的正确性。最后,通过采用三角波相位抖动抑制死区误差技术,将一种高精度光纤陀螺0.08(°)/h的死区误差抑制到0.001(°)/h以下。     

核磁共振陀螺原子核自旋进动的建模与仿真

针对87Rb-129Xe核磁共振陀螺中原子核的自旋进动,基于核磁共振Bloch方程,给出了Xe原子核自旋进动模型,详细分析了横向激励磁场的相位和幅值对Xe原子宏观磁矩进动的影响,以及实现稳态进动的条件。建立了Xe原子宏观磁矩进动的仿真模型,对激励磁场反馈控制、陀螺角位移信号相位解调进行了仿真。分析和仿真结果表明,当载体系旋转时,陀螺角位移线性调制Xe原子宏观磁矩水平分量的进动相位,为了维持磁共振,横向激励磁场相位应与宏观磁矩y向分量的进动相位保持一致;模型能够准确地实现对陀螺载体坐标系旋转位移的观测。     

微机械陀螺正交耦合误差静电力抑制的有限元仿真研究

微机械陀螺的正交耦合误差是敏感结构振动模态间的刚度耦合引起的检测模态输出偏量,是影响陀螺性能的关键误差源之一。静电力抑制是一种采用静电力调节驱动模态的主轴偏量,使用直流电压进行正交耦合误差抑制的方法,该方法具有片上实时抑制能力,能够有效抑制正交耦合误差。从静电力抑制正交耦合误差的基本原理出发,运用有限元仿真,对硅基音叉陀螺正交耦合误差的静电力抑制进行了仿真分析,并通过实物测试数据进行了验证。     

激光陀螺捷联惯组角动态误差分析及其抑制方法CSCD

二频机抖激光陀螺捷联惯组在高动态载体上的角动态误差日渐成为影响其应用精度提升的重要因素。针对此问题,从各陀螺抖动耦合激励惯性敏感器本体组件圆锥运动产生误差,以及载体过载、振动环境引起陀螺敏感轴弯曲变形摆动产生单表级圆锥误差两个方面,对激光陀螺动态误差进行了理论分析。结合工程应用实际情况,分别对两项误差进行计算和仿真,得出理论误差可达0.01(°)/h以上,必须进行抑制的结论。根据误差产生机理,总结了合理配置各陀螺抖动频率和提升陀螺敏感轴弯曲刚度以抑制其弯曲变形的措施,并给出了抑制效果,可为提升激光陀螺捷联惯组角动态精度提供参考。     

核磁共振陀螺中静磁场强度对原子核自旋进动信号的影响

原子核自旋磁矩Larmor进动达到稳态时,检测光携带出的信息中同时包含原子核自旋进动磁场信号和驱动磁场信号,且这两种磁场信号的幅值比例会随静磁场强度改变发生显著变化.从理论和实验两方面研究了检测信号中原子核自旋进动磁场与驱动磁场的比例关系,通过分析不同静磁场下的弛豫信号幅值变化,发现静磁场能够显著抑制驱动磁场对原子核自旋磁矩进动磁场信号的影响.结果表明,静磁场强度为7μT时,核自旋进动磁场幅值与驱动磁场幅值的比值提高了20倍,且静磁场越大,对驱动磁场的抑制效果越明显,有效提高了核磁共振陀螺信噪比.     

正弦波正交检测陀螺寻北仪方向敏感误差分析与补偿

以单轴连续旋转式陀螺寻北仪为研究对象,采用正交检测技术寻北时,由于转台旋转存在锥动、周期性转速不平稳和测角误差,将引入方向敏感误差,且对寻北精度影响较大。通过理论分析和实际测试,单或双陀螺寻北方案均不能完全补偿方向敏感误差,而采用三陀螺寻北方案能够完全补偿方向敏感误差。提出了正弦波正交检测寻北方案,并利用实验室自主设计的恒速偏频激光陀螺寻北仪进行测试验证。实验结果表明,静基座条件下,采用单或双陀螺寻北方案只能达到10角分级精度;而采用三陀螺寻北方案3min寻北精度优于50角秒（1σ）、10min寻北精度优于30角秒（1σ）、20min寻北精度优于15角秒（1σ）。     

光纤陀螺随机振动条件下输出信号的相关检测

对光纤陀螺振中输出信号进行频谱分析,发现在某些频率点下幅值很大,造成振动过程中陀螺存在较大的振中零偏漂移。本文提出了采用相关检测技术对误差信号进行分析的方法,理论仿真表明相关检测可提取噪声中隐含的周期性信号,研究发现了陀螺机械封装及工装固定是产生上述试验现象的主要影响因素,提出了相应的改进方案并进行了试验验证。试验证明理论分析正确,改进方案使陀螺振中零偏漂移降低了一个数量级。     

陀螺加速度计交叉二次项的线振动台测试方法

为了提高陀螺加速度计的标定精度,有必要对交叉二次项进行精确的标定。提出了一种陀螺加速度计交叉二次项在精密线振动台上的测试方法,通过分析陀螺加速度计的测试原理建立了包含交叉二次项的误差模型。利用分度头将陀螺加速度计翻滚到不同的位置,测量陀螺加速度计进动整周期的相关时间参数和输出数据。通过计算加速度计模型输出与平均角速率积分之间的关系,准确辨识出陀螺加速度计误差模型中的各误差项系数。该方法可以有效抑制陀螺加速度计的输出误差,提高标定的精度。最后通过仿真分析,验证了该方法可以准确辨识出陀螺加速度计的二次项、交叉二次项等高阶误差项系数,辨识精度达到了10~(-7),进一步提高了陀螺加速度计在线振动台上的标定精度。     

TDY-01型陀螺动态测试仪

一、陀螺动态测试仪的概述 TDY-01型陀螺动态测试仪可以测量速率陀螺各种动态参数,根据测量结果,可以绘出陀螺频率特性曲线,计算出过渡过程时间、超调量和震荡次数以及在周期输入的条件下的幅值误差△A和相位误差△φ,或相应的频率ωg。,还可以直接测出陀螺固有频率f_0和     

单轴旋转惯导系统误差特性分析

旋转调制技术能够抑制陀螺和加速度计的误差,提高惯性导航系统的导航精度。从捷联惯导系统的误差方程出发,推到出了单轴旋转惯导系统的误差传播方程,在此基础上分析了旋转调制的基本原理。分别对陀螺和加速度计常值偏差、标度因数误差、安装误差和转台安装误差等在旋转调制下的影响进行了研究,仿真分析了旋转调制提高系统导航精度的作用,最后在实验室条件下做静止导航实验进行了验证。研究的结果能为单轴旋转惯导系统的研究和开发提供一定的理论参考。     

核磁共振陀螺中内嵌碱金属磁力仪研究

核磁共振陀螺利用核自旋的闭环磁共振实现角速度的测量,其磁共振信号一般由内嵌碱金属磁力仪测出。为了提高磁力仪性能,对描述磁力仪的Bloch方程,采用微扰迭代法和级数展开法,求出了各磁矩分量的近似解,然后讨论了线性测量范围随纵向与横向弛豫时间的变化规律以及频率响应特性。利用数值仿真,对上述近似解析解进行了验证。结果表明,磁力仪的线性测量范围随纵向、横向弛豫时间的增大而减小,其频率响应为一阶低通,截止频率仅与横向弛豫时间有关。上述研究对核磁共振陀螺的优化有一定的参考意义。     

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。     

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。     

核磁共振陀螺仪中共振磁场强度优化研究

核磁共振陀螺中,共振磁场的幅值直接影响原子核自旋磁矩进动信号的强度,进而影响陀螺信号的信噪比。基于核磁共振陀螺Bloch方程,从理论和实验两方面研究了共振磁场幅值对宏观原子核自旋磁矩的影响。结果表明,随着共振磁场幅值的增加,宏观核自旋磁矩进动信号的强度先增大后减小,进动信号的强度与共振磁场的幅值呈色散关系。共振磁场幅度值存在最优值,且最优值的取值与惰性气体原子的旋磁比、纵向弛豫时间和横向弛豫时间有关。     

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。     

磁场对冷镱原子光钟稳定度影响的仿真分析

在光晶格钟运行时，不停起伏的杂散磁场会引入一阶塞曼频移和二阶塞曼频移，从而影响光晶格钟的频率不稳定度。此外，突变的磁场可能导致激光频率参考到钟跃迁频率的伺服闭环过程发生不可恢复的失锁，从而阻碍光钟的持续运行。在实验中，光钟进行频率闭环锁定前，通常通过控制三维线圈对光钟主腔中心原子处的杂散磁场进行补偿。首先使用三维磁强计，对真空主腔附近的磁场进行监测和记录，以分析杂散磁场对光钟性能的影响。然后利用正态分布模型和二项分布模型等，对光钟频率伺服锁定过程的阿伦偏差进行仿真拟合。在引入实际磁场监测数据的基础上，模拟光钟频率的伺服锁定过程，分析其仿真结果可以得出：减小杂散磁场起伏和控制磁场漂移，在提高冷镱原子光钟的短期稳定性和长期稳定性方面具有重要意义。     

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。     

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。     

固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿模型分析

近年来,无人机的应用日益广泛,逐渐用于航空物探。在使用固定翼无人机搭载磁力仪进行航磁测量时,必然引入飞行平台干扰,包括与机动无关的干扰和与机动有关的干扰。去除和飞机机动有关的磁干扰,即为磁补偿工作。航磁补偿的经典TOLLES-LAWSON模型将磁干扰分为剩余磁场、感应磁场和涡流磁场。对于固定翼无人机,涡流磁场可以不考虑,将剩余磁场和感应磁场合称为稳态干扰场。主要对飞机干扰的来源和性质进行分析,并在地面设计实验验证铁磁性材料的性质,以加深对磁补偿模型的假设和推导过程的理解。最后,在地面实验平台上测量了飞机磁干扰场的平面分布图,指导航空磁力仪的安装。在将TOLLES-LAWSON模型应用于固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿工作时,无人机与有人机相比,在结构和材料方面都有较大差异,因此对模型的物理意义和假设条件的深入理解至关重要,此即本文所述工作成果的出发点。     

数字闭环光纤陀螺的调制串扰误差

 通过分析数字闭环光纤陀螺的阶梯波调制信号与输出死区、周期噪声干扰及小角速度漂移的关系，提出了调制串扰误差的概念。指出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及调制信号产生的调制误差是产生调制串扰误差的干扰源。将调制串扰通道模型简化为比例环节和部分积分环节，并和光纤陀螺理想模型结合，建立了光纤陀螺调制串扰误差模型，利用该模型推导出了产生死区的条件及周期噪声干扰和小角速度漂移造成的输出偏差表达式，并对周期噪声的幅值、频率与陀螺输出量级、带宽之间的关系进行了定量分析。调制串扰误差的仿真和实验结果与理论分析结果基本一致，验证了调制串扰误差模型的正确性。