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。     

采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪研究CSCD

对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪进行了理论研究,采用角动量理论首次推导了双模压缩态输入的光子纠缠光纤陀螺仪的相位检测灵敏度,并证明了当光子数足够大时,可以达到海森堡极限。针对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪的二阶符合计数探测方案远未达到海森堡极限的情况,通过考察光子纠缠光纤陀螺仪各输出态的二阶符合计数对总的二阶相关光强的贡献,发现二阶符合计数探测方案存在量子增强信息的抵消,也即其中一个接收端光子数为偶数的输出态和光子数为奇数的输出态的二阶符合计数形成互补的倍频干涉条纹,进而相互抵消。因此,需要优化探测方案,提取完整的量子增强信息,才能实现海森堡极限的相位检测灵敏度。     

谐振式光子晶体光纤陀螺谐振腔优化技术研究

针对谐振式光子晶体光纤陀螺重要的传感部件——谐振腔的关键技术进行优化研究。首先,对谐振腔重要参数进行仿真优化,使其满足谐振腔高清晰度的要求,根据Matlab仿真结果,确定参数优化的主要原则;然后针对光子晶体光纤与普通保偏光纤熔接损耗较大的问题以及偏振噪声问题,提出一种新型光子晶体光纤耦合器,能够有效避免偏振串扰的影响。采用全矢量FDBPM对耦合器的耦合传输特性进行数值仿真,耦合特性表明,传输偏振模的耦合长度较短,在谐振式光子晶体光纤陀螺的小型化方面具有一定的优势。     

基于应力强度干涉理论和薄弱环节分析的光子晶体光纤陀螺寿命评估

在空间飞行环境中,航天器承受着各种环境的作用,而每种环境因素都在一定程度上影响着航天器的工作寿命。光子晶体光纤是一种新型光纤,其比传统保偏光纤更耐辐照,是长寿命光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)的首选,可以满足长寿命卫星的应用需要。将光纤陀螺特征寿命定义为强度,将热、辐照和振动等环境因素定义为应力,运用应力强度分析理论,采用最坏情况分析方法,分析了在常见应力联合作用下光纤陀螺的薄弱环节,评估了光纤陀螺的在轨工作寿命,验证了光子晶体光纤陀螺在某长寿命通信卫星上的适应性。分析结果表明,热和辐照是影响光子晶体光纤陀螺的重要因素。研究结论可用于有针对性地进行改进设计,为长寿命高可靠卫星提供技术支撑,具有显著意义。     

光纤陀螺仪温度特性研究

本文结合光纤陀螺仪主要光学器件的特性分析了光纤陀螺仪受温度影响的机理，并做实验摸索了光纤陀螺仪的温度特性，综合理论和实验研究的结果，得出了光纤陀螺仪的温度影响可以采取措施解决的结论。     

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。     

航空遥感惯性稳定平台速率环光纤陀螺仪误差建模与补偿

针对光纤陀螺仪特点,建立了其输出信号的时间序列模型,设计了基于时间序列模型的简化Saga-Husa自适应卡尔曼滤波器,并对光纤陀螺仪的输出信号进行处理.用Allan方差对数据分析结果表明,光纤陀螺仪误差得到有效抑制,并提高了平台的稳定性能.     

谐振式光子晶体光纤陀螺环路建模与仿真

为减小谐振式光子晶体光纤陀螺系统中相对频率噪声对随机游走系数的影响,在反馈回路中引入PI控制器构成新反馈回路。通过建立谐振式光子晶体光纤陀螺环路模型,优化反馈控制模型中PI控制器参数,仿真得到谐振式光子晶体光纤陀螺的闭环带宽可达39.1k Hz,响应时间为1.24×10~(-4)s,超调量控制在8%以内。利用上述结果对谐振式光子晶体光纤陀螺进行检测带宽的优化设计仿真,得到当系统检测带宽小于3Hz时,可控频率噪声功率谱密度小于1.3μW/Hz,对应的随机游走系数(RWC)小于0.001(°)/h~(1/2),满足导航级陀螺系统的精度要求。     

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。     

光纤陀螺仪中尖峰脉冲引起漂移 的误差分析及其抑制

首次分析了光纤陀螺仪探测器输出信号中频率固定的尖峰脉冲对光纤陀螺 仪零偏漂移的影响机理,给出了尖峰脉冲影响光纤陀螺仪零偏漂移的误差模型;根据干 涉式数字闭环光纤陀螺仪探测器输出信号的特点,提出了一种基于高速集成模拟开关的 时域选通尖峰脉冲抑制具体实现方法,实验验证了尖峰脉冲引起的零偏漂移大小和理论 分析接近,表明了误差模型的正确性,同时表明该方法能够有效降低尖峰脉冲引起的光 纤陀螺仪零偏漂移。     

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。     

气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性 的影响及抑制方法研究

光纤陀螺仪可用于测量载体相对惯性空间的角运动, 是光纤惯导系统的核 心部件。因此,要求光纤陀螺仪具有较高的精度和良好的环境适应性。光纤环是光纤陀 螺仪的角速度敏感部件,光纤环受到环境因素影响,将导致光纤陀螺仪精度下降,因此 需要对光纤环采取适当的保护措施。分析了气压变化导致光纤陀螺仪零偏稳定性变差的 机理： 环境气压的急剧变化, 会使光纤环上产生附加应力, 造成光纤的折射率分布不 均,导致光路产生非互易性相位差,使光纤陀螺仪零偏产生漂移,零偏稳定性变差;并 提出了对光纤陀螺仪进行密封的措施来抑制该效应。经试验验证,采用此密封设计后, 光纤陀螺仪在变气压环境中的零偏稳定性改善了近10 倍。     

光纤陀螺的温度实验与仿真分析

热致非互易相移的存在影响了光纤陀螺的工作精度.通过对热致非互易相移的分析,把握了该相移与光纤陀螺温度特性的关系.在此基础上,进行了光纤陀螺的温度实验与仿真分析.结果表明,仿真分析光纤陀螺的整体温度分布是可行的;温度实验与仿真分析相结合的办法有助于光纤陀螺温度特性的把握.     

高精度光纤IMU的磁屏蔽方法及实验研究

惯性测量单元(IMU)是位置姿态系统(POS)的核心部分,IMU的精度很大程度上决定着POS精度.由于高精度光纤陀螺(FOG)的光纤线圈对磁场敏感,基于高精度FOG的IMU精度会受磁场影响而降低.本文研究了FOG磁敏感性机理,通过实验得出高精度光纤IMU对磁场敏感的结论.采用电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwe...     

光纤陀螺标度因数及零偏温度误差补偿研究

首先分析了光纤陀螺产生温度误差的机理,在此基础上分别指出标度因数与零偏的误差补偿模型,提出了一种利用一组数据同时补偿标度因数及零偏的方法,直接表示输入与标度因数零偏补偿后的关系。最后通过实验验证了该方法不仅能够有效地补偿陀螺的温度误差,且其补偿精度优于原单独补偿的方法,同时该方法仅需一次温度实验,节省实验成本,具有较大的现实意义。     

Pointing grade fiber optic gyroscope

Fiber optic gyroscopes (FOG) are solid-state rotation sensors that are appropriate for a wide variety of applications. In addition to becoming competitive with ring laser gyroscopes on new programs, FOGs are being manufactured to replace spinning wheel gyro technology in existing programs. The FOG brings with it the advantages of long life, high reliability, input axis stability, and low acceleration sensitivity. The AlliedSignal pointing grade fiber gyroscope was designed to replace a high-performance mechanical gyroscope currently made by AlliedSignal. Detailed passive thermal design, gyro assembly techniques, methods for rejecting light source intensity noise, and light source wavelength control are critical features that have been developed to produce a FOG with low noise, stable bias, and a stable and linear scale factor. Results of performance tests and error models indicate that these gyros have a capability for random walk of 0.0002 degrees/≠ hour and bias stability of 0.001 degrees/hour     

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%。