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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

数模转换器毛刺对光纤陀螺相关检测的影响分析

数模转换器(DAC)是全数字闭环光纤陀螺反馈通道的重要部件,DAC的毛刺特性会对光纤陀螺的调制解调结果产生影响.基于DAC中值毛刺特性建立了光纤陀螺反馈回路的非理想调制方波模型,分析了调制频率与本征频率不同时DAC毛刺在干涉信号中产生的各类周期干扰信号.利用周期干扰信号的Fourier级数推导出了DAC毛刺造成调制解调误差的数学模型,仿真分析了数模转换器毛刺的宽度、高度,光纤陀螺调制频率、本征频率及放大电路的增益带宽对陀螺解调误差的影响.最后,通过开环实验验证了DAC毛刺对光纤陀螺调制解调的影响.     

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。     

固化胶粘剂对光纤环温度性能的影响研究

光纤环是光纤陀螺的核心部件,其温度性能直接影响光纤陀螺的精度.胶粘剂作为光纤环的重要组成成分,其选用是否得当决定了光纤环性能的优劣.首先理论分析了胶粘剂的性能对光纤环性能的影响,并选取了三种具有不同性能的胶粘剂作为光纤环用胶粘剂,对比分析了不同种类胶粘剂对光纤环温度性能的影响.结果表明选择具有模量适中、较低固化收缩率和足够粘接强度的胶粘剂,得到的光纤环具有更好的温度性能.     

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%。     

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.     

船用光纤陀螺罗经试验方法

目前,国内关于光纤陀螺和捷联系统技术的研究日趋成熟。随着新型光纤陀螺罗经可以大大提升舰船保障和生存能力,将逐步取代传统机电式平台罗经,成为航海领域的舰船首选航行保障设备。在对光纤陀螺罗经工作机理和关键技术深入分析的基础上,提出满足光纤陀螺罗经试验鉴定需求的试验理念和试验模式,利用该方法进行试验设计,对试验中的关键条件、主要指标和考核因素等重点方面进行详细的分析与阐述。通过陆上试验和航行试验,验证了研究在试验鉴定中具有一定的应用价值,同时可指导捷联航姿系统试验。