谐振式光学陀螺小型化光源频率跟踪锁定研究

谐振式光学陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度新型角速度传感器,通过检测谐振腔顺逆时针两路光路的谐振频差得到角速度。谐振式光学陀螺的小型化关键是实现光源的小型化。基于半导体窄线宽小型化光源调制方式的特点,分析了谐振谷的频率跟踪锁定问题,实现了陀螺的频率跟踪控制。     

Research on frequency tracking and locking for resonant optical gvro based on minimization of light source

谐振式光学陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度新型角速度传感器,通过检测谐振腔顺逆时针两路光路的谐振频差得到角速度.谐振式光学陀螺的小型化关键是实现光源的小型化.基于半导体窄线宽小型化光源调制方式的特点,分析了谐振谷的频率跟踪锁定问题,实现了陀螺的频率跟踪控制.     

正弦波调制对谐振式陀螺中谐振信号的影响

谐振式光纤陀螺（R—FOG）是利用光学Sagnac效应实现对转动角速度检测的一种高精度惯性传感器件。理论分析了正弦波调制特性,搭建了光学微谐振腔的调制解调实验系统,实验对比了正弦波、锯齿波、三角波3种调制波形对谐振信号信噪比的影响,得出了正弦波调制效果最好,提高了谐振信号的信噪比。针对不同调制幅度和频率条件下的正弦波调制对谐振信号的影响进行了测试,得出了调制幅度和调制频率对谐振信号的影响,为光学微谐振腔在谐振式陀螺系统应用中相位调制选择最佳的参数提供了参考。     

基于FPGA的光学微腔生物传感器控制系统

为了促进光学微腔生物传感技术向集成化、智能化和小型化发展,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字辅助控制系统.系统通过三角波信号驱动可调谐激光器进入连续扫描模式,周期性扫描光学微腔谐振波长,得到激光中心波长信号的偏移量,从而得到光学微腔的灵敏度.设计了控制系统的硬件电路及软件辅助程序.经实验验证表明:控制系统实现了光学微腔生物传感器的数据采集处理以及对激光器的调谐.     

谐振式光纤陀螺全数字闭环方案

谐振式光纤陀螺是一种新型的惯性传感仪器,与传统机械陀螺和其他光学陀螺相比具有很多理论上的优势.数字信号处理电路的谐振式光纤陀螺全数字闭环是采用双频率数字锯齿波相位调制技术对光路进行了相应的调制和解调.对光信号中夹杂的大量白噪声以及数字信号处理中由于有限位数的A/D引入的量化噪声进行综合考虑,提出了用比信号带宽高很多的采样率对含有噪声的信号进行过采样,加上后续的数字信号处理,低位数A/D和高位数A/D的检测效果几乎一样.数字调制的精度影响了系统的精度,使用平均法用低位的D/A可以实现很大的调制动态范围.经过基于文中设计的数字系统的实验,得到了和理论仿真类似的解调曲线,证明了文中提出的数字闭环方案的可行性.     

一种新型谐振式MOEMS陀螺的设计及分析

提出一种新型的利用空间光路敏感Sagnac效应的谐振式MOEMS陀螺,设计了利用微镜构成的光学谐振腔.此结构具有小型化优势,可利用MOEMS工艺进行加工.理论分析了光源及谐振腔参数对陀螺基本探测极限的影响,指导参数设计,得到陀螺的极限灵敏度为1.54°/h.通过模式匹配理论对谐振腔型式进行了改进,减小了谐振腔损耗.进行了谐振腔原理验证实验,观察到谐振曲线.最后对微谐振腔的加工工艺进行了讨论.     

谐振式光纤陀螺中偏振波动的影响

谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。通过对其噪声源的大量研究表明，偏振波动是谐振式光纤陀螺中的主要噪声因素之一。我们主要就偏振波动的产生机理及相应的补偿措施进行了详细分析。     

振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.     

一种应用于谐振式光纤陀螺的数字双相位锁相放大器的设计

针对谐振式陀螺输出频率差信号微弱的特点,设计了一种应用于谐振式光纤陀螺的数字化双相位的锁相放大器,用于检测谐振式光纤陀螺Sagnac效应引起的角速度信号.该锁相放大器无需对参考信号进行相位调整即可实现对待测信号的鉴幅功能,改善系统检测系统的信噪比,实现微弱信号检测.采用数字电路实现该锁相放大器,并将其集成到FPGA上,有利于陀螺小型化和集成化.     

半球谐振子振动特性批量化测试技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,其振动性能测试贯穿生产加工、调平和装配整个过程,是半球谐振陀螺制造必不可少的环节,特别是对于高精度半球谐振陀螺,其谐振子具备高Q值低频率裂解的特性,需要高效率、批量化的测试手段,以满足半球谐振陀螺批量生产的需求。为解决谐振子批量化测试问题,首先,介绍了半球谐振子的工作原理,仿真分析了谐振子振动特性和表征方法;其次,针对半球谐振陀螺谐振子振动特性测试问题,提出了基于波动特性原理的振动特性测试方法;最后,根据所提出的振动特性的测试方法,设计了单腔室多工位谐振子振动特性批量化测试平台和工艺,采用激光测振仪进行振动信号的采集,完成了谐振子振动特性的检测,极大地提高了测试效率,满足半球谐振陀螺批量生产的要求。     

基于单片FGPA的谐振式光纤陀螺数字系统设计与实现

谐振式光纤陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro,RFOG）是基于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,在小型化和集成化方面具有明显优势。相比于传统的模拟检测技术,数字检测技术具有稳定性好、抗干扰能力强、处理速度快和体积小、易于集成等优势。论文建立了基于单片可编程逻辑器件（Field Programmable Gate Array,FPGA）的数字RFOG系统,在单片FPGA上实现了基于比例积分控制技术的谐振频率伺服回路、用于自动反馈补偿相位调制器由于环境温度等发生变化时引起的2π复位电压漂移问题,以及体现Sagnac频差信号的第二闭环反馈控制回路。最后将研制的基于单片FPGA的闭环数字检测电路应用于实际RFOG系统,顺利验证了上述功能,并实际观测了陀螺转动信号。     

谐振式光纤陀螺偏振波动噪声的温度特性

光纤环形谐振腔环境温度变化带来的偏振波动噪声是影响谐振式光纤陀螺检测精度的主要光学噪声源之一,通过控制谐振腔温度,可以使偏振波动噪声得到有效抑制.为了抑制偏振波动噪声,减小R-FOG精度受FRR温度变化的影响,从理论上分析了谐振腔温度变化对谐振曲线、解调曲线的影响;针对不同温度下光纤环的谐振特性、解调曲线特性、陀螺零偏及零偏稳定性开展了实验,并对实验结果进行了分析.结果表明,谐振腔的工作温度为27.00℃时,两本征偏振态相距最远,总谐振曲线关于谐振频率点对称,谐振频率点检测误差可以忽略;陀螺零偏稳定性近似等于谐振腔温度为25.50℃时的1/100,在150 s的采样时间内达到0.07°/s,陀螺检测精度得到很大提高.     

自适应数字滤波技术在光纤陀螺SINS中的应用

光纤陀螺捷联惯导系统(SINS)对外界环境极为敏感,系统的输出信号中含有复杂的高频随机噪声,此噪声将导致系统的长时间导航精度较差。要进一步提升导航系统的精度,必须使用更为有效的滤波技术对器件的输出噪声做处理。传统的数字滤波器采用先验固定截止频率,它往往与实际截止频率存在偏差。为了更加有效地消除器件的高频噪声,提出一种基于稳态隐马尔科夫模型卡尔曼滤波器(HMM/KF)的自适应数字滤波设计方法,并用此方法设计的自适应数字滤波器处理光纤陀螺的原始输出信号,从而高效滤除陀螺仪输出信号中的高频随机噪声。     

杯形波动陀螺高稳定度正弦驱动技术研究

杯形波动陀螺具有极高的Q值,一般都在20 000以上,因此仅仅0.3‰的驱动信号频率误差都会使陀螺机械灵敏度降低99%以上。针对这一问题实现了一种基于直接数字频率合成的高性能正弦信号生成算法,以此为基础从统计域的角度对引起频率源抖动的根源进行了估计分析,并给出了一种具有针对性的抖动分离方法,为频率源的设计提供了理论指导和依据,降低了修正和优化频率源的盲目性。由阿伦方差可知采用抖动分离方法优化后,频率源短期稳定度提高约为20%。通过对设计的频率源进行一系列时域和频域测试分析,证明最终的驱动信号频率稳定在1 mHz以内。     

谐振式光纤陀螺环路锁频技术研究

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro,R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器.对基于调相谱检测技术R-FOG系统中的环路频率锁定技术进行了研究.通过对系统光学回路和处理电路部分分别进行建模,利用反馈控制系统理论,分析了整个环路的传递函数,得到了整个环路起主导作用的简化模型.利用该简化模型,在一定的光学回路参数条件下,得到了处理电路的最佳锁定参数,并进一步在实验中得到验证.     

谐振式微光学陀螺环形谐振腔外双反射点模型分析

谐振式微光学陀螺(R-MOG)2其集成化、小型化的特点.成为谐振式光学陀螺(ROG)的发展趋势.其核心敏感部件一集成微光学环形谐振腔与系统中其他元件的连接,会产生背向反射这一噪声.利用光波场叠加的方法.建立环形谐振腔外双反射点模型,分析背向反射噪声对环形谐振腔内两光路谐振频率的影响.通过数值拟合,得到系统中背向反射引起的系统零偏与背向反射系数及环形谐振腔参数间的关系表达式.在同一个R-MOG系统参数下,对背向反射噪声和系统极限灵敏度噪声进行比较,说明背向反射噪声在R-M03系统中的重要影响.为R-MOG系统中背向反射噪声的抑制及实验系统搭建提供了理论依据.     

基于重掺杂的谐振式传感器频率温度系数补偿研究

MEMS谐振式传感器具有精度高、准数字输出、抗干扰能力强等特点,高精度压力传感器、应力传感器等多采用谐振式工作原理.频率温度系数补偿是实现高精度谐振式传感器的关键技术.通过实验研究了利用重掺杂改善硅频率温度系数的技术.实验表明:P型掺杂浓度达到7 × 1019/cm3 时,〈110〉晶向频率温度系数降低到-11. 68 ×10-6/K;N型掺杂浓度达到6 ×1019/cm3 时,〈100〉晶向谐振频率是温度的二次函数,在80℃左右频率温度系数有过零点.首次实验演示了利用低功耗加热控制结合N型重掺杂,当环境温度由30℃变化到40℃时,谐振频率温度漂移仅为1. 13 ×10-7/℃.利用该技术可实现超高温度稳定性的谐振式传感器.     

小波分析法在光纤陀螺随机误差补偿中的应用

光纤陀螺随机漂移是惯性导航系统产生误差的重要因素。尽量降低陀螺仪的漂移率是进一步提高惯性导航系统精度的重要途径,也是保证光纤陀螺静态误差补偿精度的前提。从抑制光纤陀螺随机噪声的角度出发,利用小波分析法对光纤陀螺的静态输出进行滤波处理,通过对比滤波前后陀螺的输出曲线、标准差以及各项随机误差系数,能够看出:该方法有效地补偿了光纤陀螺的随机误差。     

一种双线振动硅微机械陀螺仪驱动检测电路设计

以一种双线振动硅微机械陀螺仪为研究对象,设计了驱动、检测电路,达到了一定的性能要求。驱动模态使用自激振荡的闭环控制方式,使陀螺稳定工作在其固有频率上。在载波和驱动环节使用了一种AGC技术,实现了载波信号和驱动模态的幅度的高精度控制。使用二极管一次解调,简化了电路结构。检测部分使用了一种相位修正放大电路,有效减小了有用信号频率附近的幅相误差。