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。     

廉价的镍基微机械速率陀螺

本文论述一种低成本常压下速率微机械陀螺,它采用了兼容制CMOS镍电铸装配成型工艺,陀螺的驱动模式和检测模式的谐振频率的匹配相互接近后,增加了角速率的分辨率,两种模式采用了对称悬挂和静电频率音又方式,而且在模式匹配运行过程中两种模式的不合理机械耦合,通过与陀螺的挠曲完全断开,减小了耦合度．降低机械耦合得到一个稳定的零速率输出偏置,即提供一个极好的偏置稳定度。装配陀螺镍材料结构层厚度18μm,电容间隙2．5μm,结果是纵横比大于7,检测电容0．5pF以上．测出陀螺谐振频率,驱动是4．09Hz,检测是4．33Hz,然后再与电压小于12V音叉匹配．陀螺混合联结一个CMOS客性接口电路,混合系统工作受外围电路控制,它们组成一个角度速率传感器．陀螺按驱动模式震荡,振动幅值大于10μm。速率陀螺等效噪声是0．095（°／s）／HZ1/2短期偏置稳定度大于0．1°／s．在测量范围±100°／s内,该陀螺公称标度因子是17．7mV／（°／s）,满刻度时非线性度仅为0．12％。现在的陀螺测量频宽设为30Hz,根据使用要求,频宽可以超过100Hz,检测模式的质量因子可以通过提高真空度加以改善,在一个10Hz窄的响应频宽中,质量因子大约就是一个等效速率噪声,它小于0．05（°／s）／Hz1/2。     

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。     

基于Labview的谐振式微光学陀螺锁频环路设计

谐振式微光学陀螺(RMOG) 是通过检测基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器。针对RMOG检测电路信号质量差、功能单一,无法兼容不同光路结构的问题,提出了基于虚拟仪器的RMOG数字控制方案,利用Labview编程的灵活性,完成了锁频环路的设计并进行了实验验证,实验结果表明1h陀螺锁频精度为0.03 °/s。1 h的输出精度为1.4 °/s。     

微半球谐振陀螺技术研究进展

微半球谐振陀螺是一种基于MEMS工艺实现高精度谐振结构制造,进而实现角速率或角度信号测量的新型振动式陀螺。该技术既有望继承传统半球谐振陀螺高精度、长寿命等优点，又兼具了微型化的技术优势，具有极大的发展潜力。目前，微半球谐振陀螺技术处于起步阶段，对其的研究重点主要集中于高精度谐振结构的制造技术。介绍了多种微半球谐振陀螺的制造方法，分析了其技术特点，并结合国内外微半球谐振陀螺技术的发展现状，对其未来发展趋势进行了阐述。     

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。     

激光陀螺的调腔方法研究

本文对激光陀螺的调腔技术从理论上进行了探讨，在此基础上对如何获得好的拍频进行了分析。陀螺的调腔精度影响陀螺的锁区、出光阈值和零漂，而调腔精度直接与激光陀螺的光学拍频相关，因此如何获得高质量的拍频信号是调腔的关键。由于基模拍频是由陀螺腔长与入射激光波长的关系决定的，即满足L=qλ时最强，L=(q 1/2)λ时最暗。所以可以调节激光陀螺腔长L或调节基准激光的波长λ来满足以上关系式。本文对如何进行上述调节进行了探讨。     

速率积分半球谐振陀螺测试方法探讨

针对速率积分半球谐振陀螺测试精度与使用精度不一致的问题,深入研究了速率积分模式下半球谐振陀螺误差的基本特性,指出造成上述问题的主要原因为现有测试方法仅考虑了振动驻波在固定工作点时陀螺零偏的稳定性,而未考虑驻波在不同工作点时陀螺零偏的一致性。进一步提出,应基于“如何用,即如何测”的思想,采用全周向的方式考核速率积分半球谐振陀螺的零偏和标度因数性能,提出了相应的测试方法或思路并进行了验证。     

微机械速率陀螺的新设计,读出思想的仿真方法

本文报告了以激励和检测模态解耦为特色的振动式梳齿驱动速率陀螺的新设计。进行了分析计算及有限元法仿真和系统仿真。研究了怎样克服这些传感器的主要缺点,特别是两个振动模态诉不一致,带宽不足和上浮效应。展示了静电控制谐振频率和带的原理和仿真结果。在这些原理中,不需要器件的机械平衡,这样就减少了校准费用。对一种新的准旋转速率陀螺的仿真显示,只用６ｍｍ＾２的传感器面积就可以在５０ＨＺ带宽下达到０．１     

用新的模拟工具建立光纤陀螺的偏置误差模型

虽然光纤陀螺仪（FOG）已做了大量研究，但是这些传感器仍经常出现偏置误差，如偏置旋转速率随温度和其他环境因子变化而变化。使用低相干光源避免误差信号问产生不理想干涉。但是，在标准FOG设计方案中，光程无意地匹配引起偏置误差这种情况是有可能发生的。寄生干涉来源于反射和有意或无意偏振相交耦合。本文介绍用一种新模拟工具建立干涉光纤传感器模型，其中包括偏振效应和相干效应。它首次定量地建立FOG信号模型，同时考虑温度依赖性，光源，它们之间所有干扰和干涉及相应相干度。经陀螺仪设计方案分析可以找到仍未说明的偏置误差源位置。这种问题同样也会出现在带有集成光学电路（IOC）和Lyot型消偏器上的每个FOG上。IOC上的反射光路与消偏器上获得的相位差相匹配就会产生与温度有关的偏置误差。本文给出最佳设计指南，从而避免干扰干涉。     

用最佳旋转轴方法形成误差信号的飞行器姿态控制系统

本文重点讨论采用所谓最佳旋转轴方法来形成飞行器纵轴指向控制的误差信号,对于绕飞行器纵轴本身转动的控制主要讨论了滚动稳定和倾斜稳定两种情况下误差信号的形成。详细推导了它们的计算公式。作为这个方法应用的例子,我们还讨论了如果飞行器上安装一个三轴平台或一组捷联式速率陀螺时,怎样由它们敏感的信号形成姿态控制误差信号,并给出了相应的姿态控制系统原理结构图。     

抑制旋转抛物面形谐振子频率裂解研究

旋转抛物面形金属结构作为一种新型固体波动陀螺的振子,利用处于谐振 状态下的轴对称谐振壳体中驻波的哥氏效应敏感角运动。谐振子本身的结构特点使其具 有抗高过载、高冲击的特性,因而在高动态环境下的中低精度角速率测量场合具有广阔 的应用前景。在实际制造过程中,由于旋转抛物面形谐振子的壁厚、密度、弹性模量等 结构和材料参数的不均匀会导致其固有频率发生裂解,其值的大小是决定能否产生陀螺 效应以及影响陀螺整体性能指标的关键因素。针对上述问题,提出了一种通过去除谐振 子边缘质量的方法减小其频率裂解。通过有限元仿真分析及试验测试证明该方法能够有 效抑制谐振子的固有频率裂解,使得频率裂解减小到0.2Hz 以下。     

通过信号相关方法进行高精度闭环光纤陀螺误差补偿

在线笥度要求较高及动态范围较大时，光纤陀螺仪应以闭环控制系统做为理想驱动。对于减小低频信号的扰动和准确探测在Sagnac相移随光强分布线性区域内的光强，适当的本征调制Sagnac干涉信（SIF）反馈信号是必须的，确定的调制都会伴随着不可避免的调制器和光探测器之间的串音引起的死区和偏置误差。本文提出了一个非周期控制县对SIF反馈信号进行伪随机调制的高精度闭环陀螺系统。这种随机调制原理完全消除了在测量小旋转速率时的死区，并能够通过信号相关方法对在非理想系统中的几个误差源进行固有的潜在的补偿和控制。下文半介绍这个相关性控制的原理，并将其应用于一系列本文所的闭环光纤陀螺的专门的控制环。从几个实现相关控制的高精度闭环螺的原型得到的结果表明：偏置误差可以减小两个量级，并且随机游走也显著降低。     

基于角增量提取的旋转矢量算法研究

在某些由光纤陀螺或微机电陀螺组成的捷联航姿系统中,陀螺输出的是角速率。针对这种情况,归纳了基于角增量提取的二子样、三子样和四子样旋转矢量姿态算法,推导了这些算法的圆锥误差表达式,比较了它们的性能。     

现代陀螺技术

现代陀螺是没有旋转部件。除在某些情况下使用轻微振动部件之外。现代陀螺的工作原理在本质上不同于与其同属一个家族树的角动量陀螺。新陀螺概念：哥氏振动陀螺(GVG)．激光陀螺(RLG)，和干涉型光纤陀螺(IFDG)与它们的机械结构一起经历了约一个世纪的发展历程，但实现它们所需的技术只是在20世纪的后半叶才成为可能。本文概述新陀螺概念，将通过有用的物理原理来将它们区别于机械陀螺。并阐述了每种陀螺技术的发展历程。     

同轴传输线同轴谐振腔微波幅度均衡器温度特性分析

温度特性分析是均衡器设计与工程应用中不可忽视的重要环节,由于温度的变化,会使均衡器各部分材料的物理特性和电特性发生变化,从而使谐振频率发生偏移,如果偏移过大,会严重影响均衡效果,甚至会加剧原始信号的波动.本文通过把微波幅度均衡器的同轴谐振腔,等效为电容负载同轴线空腔谐振器,计算谐振频率与腔长和负载电容的关系.在单腔的情况下,分析了在低温和高温时,材料物理特性的变化引起的谐振频率的偏移情况,并且根据具体实验验证了高温70℃和低温-55℃时谐振频率的变化情况.     

低角速度下改善非线性的光纤陀螺

随着不断完善性能以适应日益增长的用户需求，高性能的数字闭环光纤陀螺（FOG）在减小死区方面得了显著的进展，在惯寻级应用方面，消除低角速率下的一非线性是非常必须的。闭环光纤陀螺中存在的死区现象已被许多光纤陀螺研发机构在设计中观察到了，报道出的现象为在一段小的非零角速度输入时，陀螺输出为零，根据不同的陀螺级别，死区的大小从0.03度／小时到10度／小时，或者更大。产生死区的原因一般来说是由于光纤陀螺的相位调制的激励与信号检测电路间的交叉耦合。屏蔽关键的信号和对电源线解耦有助于减小死区，但总是不能消除，为了消除光纤陀螺在低速率情况下被“卡”住，一种电子抖动的方法得以应用，它连续施加锯齿波在反馈上。这一专利方法可以容易的加入陀螺控制回路，而不必改变现有使用的电路。死区已数百倍的减小，达60微度／小时，这一数值比陀螺的偏置稳定要低许多，有效地消除了系统中现有的死区存在。     

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PSO算法的半球谐振陀螺惯导系统陀螺温度补偿方法

针对半球谐振陀螺受温度影响出现零位漂移的问题，以测温电路温度为基准，建立温度频率函数实时解算温度，提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的半球谐振陀螺惯导系统陀螺温度补偿方法。在求解温度时，需要先将温度频率函数转换为一元三次方程，存在测试计算量大的问题。引入逆向拟合思想，建立频率温度函数，提高陀螺输出温度实时性和降低测试计算量，替代了传统陀螺测温硬件电路，为惯导系统轻小型设计提供新思路。考虑温度变化、温度变化率以及两者的交叉项，建立温度补偿模型，引入PSO算法求解模型系数。温度试验结果表明，在温箱温度为-40~50 ℃内，补偿后的半球谐振陀螺的零偏稳定性较补偿前提升了46％。     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。