水平对抛式原子干涉陀螺物理系统研制

水平对抛式原子干涉陀螺以物质波和 Sagnac 效应为基础,能够对其载体在运动过程中水平方向上产生的角速度及角 加速度进行高精度测量。 陀螺的物理系统为原子的冷却、囚禁、干涉提供超高真空环境和特定磁场环境,并为激光操控和探测 原子态提供光学通路,是陀螺的核心部分。 为了实现原子干涉测量并满足高精度测量的需求,在分析原子干涉陀螺运行原理的 基础上明确了陀螺物理系统的功能及基本结构,理论分析了物理系统的真空度、磁场等关键指标,然后根据分析和设计结果研 制了一套水平对抛式原子干涉陀螺物理系统,测量结果显示真空度可稳定维持在 10 -8 Pa 量级,利用这套系统获得的冷原子团 直径约 6 mm、原子数量约 8×10 9 个、原子温度为 12. 8 μK,满足后续原子干涉测量需求。     

利用信号相关性抑制光纤陀螺强度噪声

提出了一种利用陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号相关性估计光源强度噪声抑制效果的方法,并在现场可编程门阵列(FPGA)中进行了实时估计.根据估计结果,判决是否进行强度噪声相减,以提高光纤陀螺强度噪声抑制方法的可靠性.理论分析表明,强度噪声抑制效果与信号相关性直接相关.利用该方法,对某高精度干涉型光纤陀螺进行了实验.结果表明,当陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号互相关系数为0.91时,干涉信号噪声方差降低至17.16％,然而,当上述互相关系数为0.28时,噪声相减法反而使干涉信号噪声方差增大至143.18％,由此验证了理论分析结果.利用该方法可以在线检测陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号的相关性,进而避免噪声相减法中当陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号相关性较差时,光纤陀螺噪声不降反升的情况,提高了强度噪声相减法的可靠性.     

低相噪大面积平衡光电探测器

为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测,解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题,本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法,分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理,通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到10mm的大面积平衡光电探测器,并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰,实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明,该探测器-3dB带宽达到1.1 MHz,信号跨阻增益达到0.91 MΩ,在175kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°,能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。     

冷原子干涉绝对重力精密测量与系统误差

高精度重力加速度测量在地质勘探、惯性导航、地球物理等领域具有非常重要的作用。冷原子干涉重力仪是近二十年快速发展起来的新型量子测量仪器,因其具有较高的灵敏度和测量精度而日益得到重视,并逐步从实验室研究向实用化仪器发展。目前,实验室内的高精度冷原子干涉绝对重力仪测量精度已达10~(-12) g量级,性能媲美经典绝对重力仪的商用产品也已出现。介绍了基于原子干涉技术的绝对重力精密测量的基本原理和发展历程,综述国内外各研究组的研究现状,并分析了限制冷原子干涉绝对重力测量精度的几种主要系统误差,以及对这些系统误差的抑制和评估方法。     

零差移频式干涉图形相位锁定系统的超精密控制

利用全息曝光法制造大口径全息平面光栅时,常引入零差移频式干涉图形相位锁定系统来提高全息曝光质量。本文针对直接影响最终干涉曝光精度的系统控制精度开展研究。首先,介绍了新型的零差移频式干涉图形锁定系统的原理和结构,在系统理论建模及模型辨识的基础上,针对非线性系统模型进行了高阶线性化拟合,并结合系统振动测试实验结果,设计了系统控制器。然后,对设计的控制器进行了实际控制调试,实现了系统的超精密控制。最后,针对系统控制误差纹波,采用频域分析方法揭示了影响系统控制精度的主要因素,提出了未来提升系统控制精度的方法。测试结果显示:系统相位锁定控制精度可达±0.046 1rad(3σ)且以高频误差纹波形式呈现。分析了高频误差纹波的成因,指出受系统噪声、延迟、控制器参数等因素限制,控制器很难完全抑制频段跨度大而连续的高频微振动引起的干涉图形相位漂移。     

基于原子体系的量子惯性传感器研究现状

惯性传感器的性能直接决定了惯性导航系统的精度。基于原子体系的量子惯性传感器有望在更小体积和更低成本下达到传统惯性传感器的性能,且理论上可以获得比现有技术更高的测量灵敏度和长期稳定性。近些年随着量子精密测量领域的快速发展,量子惯性传感器的实用化和工程化方面研究进展显著,未来通过替代传统加速度计和陀螺仪,有可能形成高度集成、低功耗和低漂移的量子惯性导航系统。文章简要介绍了基于原子体系的量子惯性传感器的基本原理,总结了以原子干涉陀螺仪、原子自旋陀螺仪、原子干涉加速度计、原子干涉重力仪和重力梯度仪为主的量子惯性传感器研究现状,并对有待解决的关键技术问题进行了梳理和分析,可为量子惯性传感器的发展提供参考。     

干涉条纹相位锁定系统

干涉曝光系统中干涉条纹的相位漂移会导致曝光对比度降低,为了有效抑制相位漂移,利用声光调制器对干涉光频率进行实时调制。分析了条纹漂移的特点,指出了主要干扰源是0~5 Hz的空气扰动。应用数值分析法得到了条纹漂移量与曝光对比度的关系曲线,并以此为依据提出了条纹锁定精度的目标值。针对所要达到的锁定精度,给出了系统硬件的选型方法,搭建了基于RTX的干涉条纹相位锁定系统。利用闭环辨识的方法得到了系统的参数模型,完成了反馈控制器的设计,最终实现了实时锁定条纹相位的功能。实验结果表明,在400Hz的控制频率下,干涉锁定系统能够有效抑制0~5Hz的低频扰动,干涉条纹相位漂移的3σ值可以控制在±0.04个条纹周期内,满足干涉光刻的曝光对比度要求。     

原子惯性仪表加热磁屏蔽系统的热分析

重点分析了原子惯性仪表加热磁屏蔽系统的传热过程,分别建立了加热磁屏蔽系统初步设计的试验和系统三维模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对其进行了稳态的热特性分析。结果表明试验模型仿真结果与测试得到的结果相符合,验证了热仿真的可靠性。而系统模型仿真结果表明水冷表面温度受水冷载体材料特性的影响较大,其关系曲线可为下一步水冷结构设计及材料的选择提供参考,并通过仿真得到了系统各层筒的导热性能,为结构的改进设计提供了参考依据。     

齿面干涉图像的相位解包裹算法对比研究

齿面干涉图像具有局部散斑、边缘杂散条纹、疏密不均和条纹粘连等噪声特征。为了寻找适用于处理齿面干涉图像噪声特征的解包裹算法,选取枝切法、相位导数偏差法的质量图引导法、最小二乘法、傅里叶变换轮廓术以及傅里叶变换的质量图引导法等 5 种算法,分析其对齿面干涉图像噪声处理的解包裹特点,通过对比分析解包裹相位图以及结果图中相位数据曲线,得出相位导数偏差的质量图引导法相比于其他算法解包裹精度高,能较好地抑制因噪声严重导致的解包裹相位突变、连续波动等问题。     

PN9000在雷达相位噪声测试系统中的应用研究

相位噪声用来表征频率标准源的频稳质量。随着科学技术的发展,现代雷达装备及电子系统需要高品质的频率标准源作为日益复杂的基带信息的载波,因此,准确测量频率标准源的相位噪声非常重要。详细地阐述了PN9000相位噪声测试系统的特点,分析了通用相位噪声测试原理,同时基于PN9000基本相位噪声测试系统设计了引进某型雷达相位噪声测试系统,实现了该型雷达相关模块的相位噪声测试。     

飞速发展中的光纤陀螺技术

在对光纤陀螺技术20年来的发展作了简要回顾的基础上,着重介绍了近期光纤陀螺的最新进展和其商业化市场概况;并围绕目前的两大主流类型：干涉型光纤陀螺和谐振型光纤陀螺,阐明基本原理,较详细地介绍了其噪声消除和检测技术,以及系统实施方案。     

相位噪声建标方案和不确定度分析

相位噪声是频率测量的重要项目,其表征能直观地观察到连续的相位调制边带及离散寄生信号分量等。介绍了实验室时间频率计量相位噪声建标的方案,并对其系统的不确定度进行了分析。     

小波变换和加权圆周期中值算法的InSAR干涉纹图除噪

针对InSAR中干涉相位条纹图的除噪滤波,提出了一种基于小波变换和加权圆周期中值算法的干涉纹图除噪方法,阐述了该方法的设计思想和具体算法实现步骤。实验结果证明该方法不仅有效地抑制了干涉纹图中的噪声,并且较好的保持了干涉纹图的相位信息。     

同塔双回牛从直流从西换流站阀冷传感测量系统可靠性分析

介绍了±500kV同塔双回牛从直流输电工程从西换流站阀冷传感测量系统的构成和逻辑结构,重点从涉及闭锁直流系统的传感器构成和信号上传逻辑等方面与南网其他直流工程进行对比分析,以研究从西换流站阀冷传感测量系统的可靠性,并提出其改进思路,为后续直流工程阀冷传感测量系统的设计及运维策略的制定提供参考。     

基于激光多普勒的杯形波动陀螺频率裂解测量

频率裂解是杯形波动陀螺的关键技术指标,对陀螺性能有着重要影响,因此设计测试方案对其进行准确测量十分必要。根据陀螺的工作原理,设计了扫频激励、单频激励2种激励方案,在周向不同方位实现陀螺的激振;利用激光多普勒测振仪采集陀螺的振动信号,解算出陀螺的谐振频率,实现频率裂解的非接触式检测;在此基础上,对陀螺低频轴和高频轴进行了区分。实验表明,两种激励方案的测量结果具有较好的可重复性和一致性,可以实现陀螺频率裂解的准确测量。     

电容检测型微机械陀螺的信号检测电路

微弱输出信号的检测技术是微机械陀螺研制中的关键技术之一.提出了一种适用于电容检测型微机械陀螺的信号检测电路并分析了其对噪声的抑制能力.此电路用积分电路检测微小电容变化量,并进一步采用开关相敏解调电路对信号全波检测,能检测到aF量级的电容变化,可以实现陀螺0.05(°)/s的分辨率.     

力平衡模式下半球谐振陀螺正交误差控制

针对力平衡半球谐振陀螺的正交漂移问题,对半球谐振陀螺的漂移机理进行了理论建模与分析。引起半球谐振陀螺漂移的主要因素是谐振子的频率裂解以及周向振元衰减时间常数不一致。谐振子振元衰减时间常数不一致主要导致陀螺产生同相漂移;而谐振子频率裂解主要导致陀螺产生正交漂移。同相漂移由于和外界输入角速率所产生的哥氏力相位相同,因此无法从陀螺的输出中剔除,只能通过标定进行补偿。正交漂移则可通过正交控制回路改变谐振子不同方位角上的刚度系数予以消除。为了将谐振子的频率裂解抑制到最小,将陀螺正交漂移项作为正交回路的误差反馈量,实现了基于FPGA的全数字控制方案。实验结果表明,此控制方案可以有效地降低谐振子的频率裂解,抑制半球谐振陀螺的正交漂移。     

采用互相关方法测量相位噪声的探讨

相位噪声是时间频率专业计量的重要参数之一。本文首先介绍了传统上的相位噪声主要测量方法、原理及优缺点,继而重点探讨了互相关函数、互相关法测量相位噪声的基本原理、互相关系数对相位噪声测试系统的系统灵敏度的影响,最后指出了互相关法测量相位噪声的特点。     

新型陀螺漂移性能测量的研究

针对以往陀螺漂移检测仪器的缺点,提出了一种新型的采用光学原理测试陀螺漂移装置的设计方法,对其工作原理及测试方法进行了较详细的描述;在此基础上与传统漂移测试仪器的优缺点进行了类比,并对实际测试的验证结果进行了总结分析,提出了进一步提高测量精度及完善的设想,为研究漂移性能的检测测量提供了理论指导及实践参考。     

计算成像技术在光学检测领域的研究进展

成像系统在利用传感器记录图像信息时,只记录了强度信息而丢失了重要的相位信息。 传统的干涉相位恢复技术由于 需要满足严格的干涉条件,在使用过程中受到一定限制。 随着计算成像技术的蓬勃发展,以强度传输方程和相干衍射成像以及 在此基础上发展起来的相干调制成像、叠层扫描相干衍射成像为代表的非干涉相位恢复技术受到广泛关注,并被运用于光学检 测领域。 这类技术无需参考光,系统结构简单,可通过衍射强度图直接获得相位信息,在检测领域有巨大的应用潜力。 基于此, 介绍了几种典型的计算成像技术的研究现状与最新进展,同时讨论分析了各类方法的主要技术特点。