谐振式光纤陀螺单边信号检测方法的研究

热致偏振耦合噪声、背向散射噪声和非线性克尔噪声等因素严重制约了谐振式光纤陀螺的发展，降低噪声的影响对提高谐振式光纤陀螺的精度具有重要的研究意义。本文设计了一种双环腔谐振式光纤陀螺结构，并通过理论分析热致偏振噪声对谐振曲线的影响，提出了一种新的信号检测方法。该检测方法可以判断出谐振曲线受偏振噪声影响小的一边，并利用单边检测方法降低偏振噪声对陀螺精度的影响，双环腔结构也可以有效抑制背向散射噪声。仿真分析表明，在温度变化0.002℃时，检测的归一化幅值误差由0.2261降低到0.0327，单边检测方法可以明显地降低偏振波动噪声带来的影响。     

双偏振干涉式光纤陀螺的多相位调制技术

在双偏振干涉式光纤陀螺的发展过程中，光纤环上的应力、扭转等会造成正交偏振态之间的交叉耦合，降低陀螺系统的稳定性。提出了一种基于双偏振干涉式光纤陀螺的六态方波调制技术并进行了理论推导。该技术与传统的方波和四态方波调制相比，降低了偏振交叉耦合误差，提高了信噪比，大大增加了信号解算精度。通过实验对比测试了干涉式光纤陀螺在不同调制技术下的偏置稳定性。实验结果表明六态方波调制技术的偏置稳定性达到了9.85×10-4（°）/h，验证了六态方波提高信号解算精度的效果。     

采用参数分析法建立光纤陀螺的最优模型

光纤陀螺建模的过程依赖于各部分元件的参数。当然，在理想的光纤陀螺中，光纤线圈是一种互易性元件，两束光在其中沿相反方向传播，我们不考虑光纤线圈中的非互易性效应。而在实际的光纤线圈中，这种非互易性效应能够产生附加的效应，这是由每只陀螺本身的材料和结构特性决定的。对每只陀螺我们都可以找到许多方法来建立分析模型，从而可以补充其性能说明。为了使光纤陀螺的分析更容易，我们将采用框图的形式建模，并注意为每个元件选择最基本的结构。     

保偏光纤的偏振特性测试和研究

当前，干涉型光纤传感器的发展，使得保偏光纤的需求显得相当迫切，随之而来拉制单模保偏光纤的技术愈来愈普遍且已相当成熟。在光纤陀螺研制过程中保偏光纤起着举足轻重的作用。它可使光纤陀螺中传输的偏振光状态保持稳定的模式，从而，可减少由偏振光不稳定性的干涉带来的陀螺漂移的影响。因此研究保偏光纤的偏振传输特性和其参数测量就显得相当重要。我们可以从光纤陀螺（ＦＯＧ）的输出特性表达看出光偏振因素的影响，Ｓａｇｎａ     

激光器驱动干涉型光纤陀螺光源相位调制技术研究

激光器驱动干涉型光纤陀螺的优点是潜在精度高、标度因数稳定性好等,在飞机、舰船惯性导航以及其他高性能领域具有广泛的应用前景。当然,干涉型光纤陀螺采用高相干光源面临诸多技术挑战,如相干瑞利散射、Kerr效应、偏振交叉耦合、Faraday效应等引起的漂移和噪声。采用宽线宽激光器可以抑制这些误差。针对激光器驱动干涉型光纤陀螺中加宽激光器线宽、降低激光器相干性的几种相位调制技术以及线宽加宽抑制噪声的效果进行了理论分析和评估。     

被动式揩振腔光纤陀螺的结构设计和误差分析

本文对被动式谐振腔光纤陀螺的典型结构和主要误差源进行了分析，提出了一些结构和元器件方面的建议，并给出了仿真的结果。认为被动式谐振腔光纤陀螺是一种很有价值的研究方向，尤其是在传统的干涉式光纤陀螺在精度上遇到了难以克服的限制时，开展被动式谐振腔光纤陀螺的研究是必须并且适时的。     

光纤环内部应力试验研究

光纤环是光纤陀螺的核心敏感部件,其内部应力值的大小和分布对光纤陀螺的整体性能有很大影响.光纤环的内部应力主要包含拉伸应力、弯曲应力和固化应力等,光纤环的绕制工艺和固化工艺等都会对光纤环的应力产生影响.通过测量不同绕制工艺下光纤环的应力分布和偏振串扰分布,得出光纤环绕制张力越小、光纤环直径越大、固化胶的收缩率越小,光纤环的应力也越小,相应的偏振串扰值也越小,为光纤环绕制技术的提高提供依据.     

可替代机械陀螺的光纤速率陀螺

光纤陀螺在两个方面正在取代机械陀螺：一是新设计的应用，二是已有的应用陀螺场合。光学陀螺所具有的高可靠性、对重力g的不敏感性和对振动、冲击的容限，使其特别适合于车辆、军事上的应用。基于Sagnac干涉效应，如环形激光陀螺、光纤陀螺的概论已有十十年之久了。它有闭环和开环两种结构，但由于闭环结构成本较高，目前只利用开环光纤陀螺取代机械速率陀螺。我们开发了一系列低成本光纤陀螺，它们基于全光结构，采用椭芯的保偏光纤、方向耦合器和偏振器。开环光纤陀螺是以最小结构的形式构成的。激光光束在光纤敏感相向传输，它们是完全互逆的。早期的形式采用方向耦合器隔离激光光源和光探测器，一个偏振器用来确保一个模式分布，而第二个耦合器作为与光纤环的接入口，在光纤环的一端加上一个压电陶瓷相位调制器以进行调制，以便同步检测干涉仪的输出。光源探测器处的耦合器不属于最小结构中的一部分，它可以通过用光源的反向的探测器取消。目前许多激光光源被用于这样一个探测光输出的探测器，由于陀螺转动信号是调制信号，很容易与恒定的激光输出信号分开。我们这种结构的FOG为简化最小结构（RMC），比较两种开环结构可以看出：两者之间没有明显的区别，但从性质上分，在RMC结构中，激光器工作在接近阈值的点，因而在光谱上比较窄。在光陀螺中希望有一个宽带的光谱，可以避免由于绕环导致的偏振起伏，从而引起偏置的不稳定性。这也就限定了RMC结构在一些高精度的陀螺应用。光纤陀的特性可以通过选择光纤的长度、环的直径和激光功率在一个比较大的范围内调整，以适应不同的应用要求，而不需要改变其结构。光纤陀螺从本性上为宽带的，其输出谱特性可以由简单的模拟滤波器、扩展伺服回路的动态特性加以控制。与简单的机械陀螺相比，这一宽带特性可以扩展为非常低的频率，从而改善定位精度。我们已生产了1000多套这两种结构的光纤陀，本文将提供Allan变化，随温度变化的偏置、刻度因数的线性数据，典型的特性参数如下：也许光纤陀螺应用最大的限制为刻度系数，因为Sagnac干涉仪的灵敏度领先光纤长度乘以直径，并且几何尺寸和在敏感轴垂直平面上投影使光纤陀螺改型应用的困难得以克服。在带宽限制范围内，光纤陀螺可以在众多的系统中应用。     

光纤陀螺标度因数温度补偿的工程应用

针对光纤陀螺仪在较宽温度范围（-40～+60℃）的使用需求,本文分析了光纤陀螺标度因数误差项的温度特性,依据回归分析理论,建立了光纤陀螺的全温误差模型并对陀螺进行了误差补偿,取得了较好的效果。补偿后陀螺的标度因数温度灵敏度由不大于70ppm/℃下降到不大于10ppm/℃,标度因数温度补偿提高了光纤陀螺仪的环境适应性,拓展了光纤陀螺的工程应用领域。     

基于多参量模型的光纤陀螺温度误差补偿

温度漂移误差是制约光纤陀螺精度的重要因素之一。针对传统光纤陀螺温度补偿方法仅对温度项建模导致补偿精度差的问题,提出了一种新型多参量模型来补偿光纤陀螺温度误差的方法。通过对陀螺零漂误差和温度各相关项进行相关性分析,将温度和温度速率的乘积项及温度梯度滞后项引入到温度漂移误差模型中,建立了多参量分段补偿模型对零偏进行补偿,显著改善了光纤陀螺的零偏稳定性。使用实测光纤陀螺数据对提出的补偿方法进行实验验证,结果表明采用该方法补偿后,零偏误差平方和降低2个数量级,陀螺漂移均值、方差稳定在零点附近,补偿效果优于温度项分段拟合方法,与非线性模型预测效果相当。     

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。     

基于角增量和矢量模值观测的光纤陀螺温度漂移参数分段估计

光纤陀螺捷联惯导系统被广泛应用于航空、航天、航海及陆地车辆定位定向等领域,对光纤陀螺输出误差进行补偿是提高导航精度的有效手段。温度漂移和常值零偏是影响光纤陀螺精度的两个主要误差来源,对角增量输出式三轴光纤陀螺捷联惯导系统的陀螺温度漂移及常值零偏误差参数估计方法进行了研究。针对光纤陀螺的温度漂移,提出了一种基于角增量的分段最小二乘估计方法,根据不同温度区间的特征使用低阶模型即可进行误差建模,估计结果相比整体估计方法更加精确,同时推导了各个温度段参数的边界条件,保证了温度漂移模型在不同温变速率条件下的连续性。针对三轴陀螺输出中包含的常值零偏,提出了一种基于地球自转角速度矢量模值观测的方法,可在不依赖高精度转台等外部基准设备的条件下对光纤陀螺零偏进行估计,可适用于高纬度地区及极区环境下的外场标定。通过温箱静置升温实验,对光纤陀螺惯导系统三轴角增量陀螺进行了温度漂移和零偏的估计与补偿,验证了提出方法的有效性。     

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。     

光纤陀螺惯导稳定平台与旋转调制方法

光纤陀螺仪在随机误差方面表现出极佳的性能优势,但受限于其标度因数不理想的现实。针对航海用长航时、高精度光纤陀螺惯导系统的使用需求,设计了基于光纤陀螺数字信号实现载体三维角运动隔离的同时完成惯性测量装置的旋转调制功能,可有效减小光纤陀螺标度因数误差与载体运动角速度的耦合误差,同时充分发挥光纤陀螺随机游走小的精度优势。理论仿真验证了光纤惯导稳定平台加旋转调制方法的优越性和可行性,为光纤陀螺惯导系统在高精度导航领域中的应用提供了技术基础。     

基于光纤陀螺的组合导航系统研究

采用基于光纤陀螺的IMU和GPS接收机,以DSP为信息处理核心,实现了GPS/TNS组合导航系统.介绍了光纤陀螺工作原理和误差模型,描述了组合导航系统并通过试验对该系统进行分析.实验结果表明,基于光纤陀螺的组合导航系统误差范围较小,可以满足较高精度的导航定位要求.     

再入式光纤陀螺实用化技术研究

再入式光纤陀螺（Re—FOG）使相互干涉的两路光循环进入光纤环，通过缩短光纤长度克服温度和应力引起的误差。本文研究了再入武光纤陀螺实用化的相关技术；提出了一种采用脉冲相位调制的信号检测方法；设计了专门的数据通讯模块。实验结果表明：所提出的信号检测方法可分离出所需循环次数的信号并解算出陀螺转速；所设计的通讯模块能保证实现陀螺与导航计算机之间的快速、稳定、准确的数据传送。再入式光纤陀螺可成为实用化的新型光纤陀螺。     

气密封装对光纤陀螺零偏误差和长期可靠性的影响

当前的应用领域对干涉型光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyroscope,IFOG,简称光纤陀螺)提出了较高的要求,如运载、航天领域要求光纤陀螺在变气压环境下精度不恶化,服役期限和存储环境要求光纤陀螺在高湿环境下可靠性高及性能稳定.而光纤对应力、水汽敏感,开放式光路结构的光纤陀螺在上述环境中性能不满足要求.通过分析气压变化对光纤陀螺零偏误差的影响以及水汽介质对光纤陀螺使用寿命、长期精度的影响,提出了对光纤陀螺光路进行气密性封装的方法.对两只气密性封装的光纤陀螺进行测试,气密性封装结构漏气率优于4×10-10Pa·m3/s,内部水汽含量低于5×10-6;两只光纤陀螺气密性封装后,在-40℃～60℃的温度范围内,零偏峰峰值降低了32.5％和31.0％,零偏稳定性误差降低了26.9％和22.2％;在变气压环境下,零偏峰峰值降低了95.3％和96.3％,零偏稳定性误差降低了96.2％和95.4％.测试结果表明,气密性封装能够显著提高光纤陀螺的精度和长期可靠性.     

光纤环瞬态温度梯度对Shupe误差的影响

光纤陀螺的承环结构不同,会影响光纤环的温度及温度梯度分布,进而影响陀螺的精度.对四种不同承环结构的光纤陀螺进行有限元瞬态热仿真,得到光纤环的温度分布.基于四极对称绕法绕制光纤环的截面数字离散化模型,绘制了四个光纤环沿展开光纤上的温度分布,计算了四个陀螺的轴向和径向温度梯度及其引起的Shupe误差.对比分析结果表明:承环结构形式不同,光纤环的轴向和径向温度梯度不同,轴向温度梯度对光纤环的Shupe误差影响更大.     

基于神经网络的光纤陀螺温度漂移误差建模与补偿

光纤陀螺（FOG）温度漂移误差是影响其输出精度的主要误差源之一,在实际应用中必须对光纤陀螺温度漂移误差进行适当补偿。传统的最小二乘法等线性补偿方法很难满足补偿精度的要求且适用性较差,利用BP及RBF神经网络分别建立非线性光纤陀螺温度漂移误差模型,可以有效提高补偿精度,使用FOG温箱实测数据对最小二乘模型及神经网络补偿模型进行了测试对比,验证了基于神经网络的非线性补偿算法在FOG温度漂移补偿中的有效性。     

关于改善光纤环绕线机成环质量的方法研究

光纤环制作的核心工艺就是光纤线圈的绕制,针对光纤环绕线机中存在的张力控制不对称性问题,提出了一种基于布里渊光时域分析方法检测光纤线圈应力分布状态,从而回馈和指导绕线机张力调整的方法。实验结果表明,以上方法明显改善了光纤环的应力分布状态,有效提高了光纤环成环后的质量,对提高光纤陀螺的精度起到了重要作用。