T型反馈网络在谐振式光纤陀螺频率锁定中的应用

谐振式光纤陀螺（R-FOG）的频率锁定是陀螺信号检测的关键技术,尤其在长时间的测试中,谐振频率的锁定稳定度决定了陀螺的输出性能。根据光纤环形谐振腔的传输理论,分析了其谐振特性及其一次谐波特性;搭建了R-FOG测试系统,采用正弦波相位调制解调技术实现谐振谱线一次谐波的输出;在分析由运算放大器构成的传统模拟比例积分（PI）电路的漂移误差源的基础上,给出了可以有效抑制漂移误差的T型反馈网络,应用到谐振式光纤陀螺的谐振频率锁定中,得到了较好的锁定效果,经Allan方差分析,谐振频率长时间（4000s）的锁定稳定度优于910-12。     

尾纤长度不对称导致的光纤陀螺振动误差分析

如何提高光纤陀螺在振动环境下的精度是光纤陀螺工程化过程中必须考虑的问题。当前,对于降低光纤陀螺振动误差的方法主要集中在改善光纤陀螺的机械结构和固定光纤环上。然而,Y波导与光纤环的尾纤长度不对称也是引起光纤陀螺振动误差的一个重要原因。首先根据弹光效应从理论上阐述了由振动所引起非互易相移的原理,进而分析证明了振动条件下左右两侧的波导尾纤与光纤环的尾纤长度之和不相等,即尾纤长度不对称是导致振动条件下非互易相移产生的一个重要原因。在此基础上推导出了振动条件下光纤陀螺两侧尾纤长度和之差与陀螺输出误差的理论关系式,并通过Matlab仿真了两侧尾纤长度和之差与陀螺输出漂移的关系曲线。     

高精度光纤陀螺振动误差抑制技术

随着光纤陀螺的实用化,载体振动会使高精度光纤陀螺产生测量误差并使噪声增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响.为了抑制光纤陀螺的振动误差,提高光纤陀螺的稳定性,对干涉式数字闭环光纤陀螺,从振动对光源和光纤环的影响机理出发,分析了振动影响下光纤陀螺干涉信号的表现形式,并针对此提出了抑制光纤陀螺输出信号噪声和消除陀螺漂...     

光纤陀螺光纤环轴向磁敏感性研究

磁敏感性是光纤陀螺(FOG)的主要误差源之一,而光纤环是主要的敏感源。在外界磁场作用下,光纤陀螺中会产生一个非互易相位差,影响陀螺的精度。相关实验表明保偏(PM)光纤环中轴向磁敏感性比径向磁敏感性更显著。主要从三个方面研究了轴向磁场对光纤陀螺的影响机理,包括轴向磁场平行分量引起的光纤随机扭转法拉第磁场漂移、光纤几何扭转引起的法拉第非互易相位差以及轴向磁场垂直分量引起的非法拉第非互易相位差。对理论结果进行了仿真分析和实验验证,结果表明:由垂直分量磁场引起的非互易相位差是光纤陀螺轴向磁敏感性的主要原因,其大小与光纤环骨架半径密切相关;骨架半径越小的光纤环,轴向磁敏感性越强。     

谐振式空心光子带隙光纤陀螺中的光克尔效应

谐振式光纤陀螺(PROG)采用空心光子带隙(HCPBG)光纤后,光克尔效应引入的系统漂移将会与普通单模光纤(SMF)谐振式陀螺系统中的有所不同。为了研究谐振式空心光子带隙光纤陀螺中光克尔效应的变化情况,采用光场叠加的方法,从理论上分析谐振式空心光子带隙光纤陀螺中的光克尔效应,同时针对光克尔效应引入的系统漂移进行了数值仿真,并且与普通单模光纤谐振腔陀螺中的光克尔效应进行对比。理论计算表明,采用空心光子带隙光纤的谐振式光纤陀螺比采用普通单模光纤谐振式陀螺的光克尔效应有明显的降低,在光源线宽不变时,不同光纤环长度对应的光克尔效应引起的旋转角速度漂移前者比后者降低了1~2个数量级。     

基于温度梯度的光纤陀螺输出漂移补偿

理论上,采用四极对称法绕制的光纤线圈能很好抑制温度梯度对光纤陀螺的影响,实际上,由于结构加工不理想或石英缠绕引起自身的机械形变,使线圈内外的温度变化,从而导致陀螺输出速率误差.该文分析并给出了光纤陀螺输出速率误差与线圈内外温度差或温度梯度间的关系,提出了一种补偿光纤陀螺因温度变化而导致输出速率漂移误差的方法,尽管光纤陀...     

谐振式光纤陀螺频率跟踪失锁控制研究

针对目前谐振式光纤陀螺中存在的跟踪失锁问题开展研究,分析了频率跟踪失锁原因及机理,研究表明频率跟踪同步过程中的电流变化以及背向散射、偏振耦合等非互易性噪声引起的谐振峰对称性改变是导致尖峰脉冲和零偏变化的主要原因;随后,提出了基于半导体激光器温度闭环反馈的失锁控制方案,通过温度闭环实现激光器中心频率对光纤谐振腔单个谐振频率的长期跟踪同步,消除频率跟踪失锁引入的陀螺输出误差;对失锁控制总体技术方案、信号处理流程及实现方法进行了详细叙述;最后,成功搭建陀螺原理样机,对采用频率跟踪失锁方案前后的陀螺静态性能进行实验测试,测试表明频率跟踪失锁控制方案将陀螺输出脉冲幅值突变量从3000(°)/h降低到200(°)/h,陀螺输出零偏变化从600(°)/h降低到0,完全消除了频率二次锁定过程中的零位变化,陀螺精度大幅降低到4.9(°)/h(100 s平滑积分时间)。     

基于RBF神经网络的光纤陀螺启动补偿及应用

光纤陀螺对温度比较敏感,由于温度引起的零偏漂移是光纤陀螺工作尤其是启动过程中的一种较大误差。文中为了减小光纤陀螺启动过程的零偏漂移、缩短启动时间,提出了对光纤陀螺启动过程进行补偿的方案。该方案以光纤陀螺温度和温度变化率为输入、光纤陀螺漂移为输出建立二输入单输出的RBF神经网络,用于陀螺启动过程补偿。在室温下对某型号光纤陀螺启动漂移进行了补偿,试验结果表明该方法能有效减小陀螺的启动温度漂移,缩短陀螺启动时间。将该方案运用到某型号的光纤陀螺寻北仪上,常温试验表明,该方案大大缩短了寻北仪的准备时间,提高了寻北精度。     

谐振腔光纤陀螺信号检测方法的研究

谐振腔光纤陀螺(R—FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。在谐振腔光纤陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率。光纤环形谐振腔是谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件。采用两种频率的锯齿波组合调制，考虑激光器有限光谱线宽条件下，采用洛仑兹线型描写光纤环形谐振腔的输出光强表达式。针对输出光强与谐振频率偏差在靠近谐振点附近的近似线性关系，利用多次反馈频率操作来依次跟踪谐振腔光纤陀螺顺时针和逆时针光束的谐振点，从而避免了谐振频率偏差复杂的求根算法。仿真结果表明，多次反馈频率操作，可以较快地锁定到谐振点。     

光纤陀螺光纤环温度瞬态效应的模拟仿真

对光纤陀螺(FOG)中的光纤环建立了三维柱坐标模型,通过ANSYS Workbench软件,结合实际检测到的光纤环温度,采用有限元分析法对光纤环在各种温度条件下的内部温度场分布进行了模拟仿真,得到光纤环中各层、各圈的时间-温度变化曲线;利用光纤环中温度场分布的仿真结果,及温度瞬态效应相关的热致非互易相位变化理论,编写相关算法,计算出光纤环由温度变化带来的温度漂移;将模拟仿真的温度漂移与陀螺实际输出进行对比,验证了所有模拟仿真工作的正确性,从而对绕环工艺起到理论指导的作用。     

多环谐振式微机械陀螺频率跟踪电路研究

由于多环谐振式微机械陀螺的谐振频率较高,传统的数字控制电路对陀螺幅点信号的频率跟踪难以同时兼顾精度和速度的要求。在传统半球陀螺数字控制电路的基础上,提出了一种适用于多环谐振式微机械陀螺仪的频率跟踪电路,并首次运用于多环谐振式微机械陀螺。该电路以高速A/D转换电路为基础,通过对幅点信号高速采样计算频率和相位信息,并通过CORDIC算法产生输出信号。测试结果显示,该电路使多环谐振式微机械陀螺幅点信号的频率跟踪精度达到了0.78Hz,频率跟踪时间小于40μs,使控制电路的性能得到了极大提升。     

光纤陀螺动力学特性研究及结构优化设计

针对光纤陀螺的工作环境和结构特点,用有限元方法分析了结构件的固有频率对结构参数的敏感性.根据结构几何尺寸对固有频率的影响,在不降低固有频率的基础上对光纤陀螺的结构进行了小型化和轻型化设计,改进后的体积缩小49.56%,质量减轻37%,一阶谐振频率提高19.1%.优化装配工艺也能提高陀螺在振动环境下的性能.采用绝缘子实现了电子线路走线最短,以及所有光学元器件无活动尾纤,并采用了焊点保护,提高了光纤陀螺的可靠性和一致性,试验验证了改进后光纤陀螺在振动状态下精度接近静止环境下的精度.     

谐振式光纤陀螺的系统分析

采用矩阵法从理论上推导了偏振误差所引起的陀螺零漂,利用计算机仿真进行了理论验证;其次针对谐振式光纤陀螺系统光源的选择进行分析,并通过实验验证光源线宽对光纤环谐振曲线的影响;最后,分析了光纤陀螺的检测方案以及光纤陀螺的发展趋势.从噪声因素、器件选择以及信号检测几方面对谐振式光纤陀螺系统进行分析,为谐振式光纤陀螺系统的构建提供了理论及实验基础.     

谐振式光学陀螺锁频偏差的消除方法研究

谐振式光学陀螺系统需要使用激光器跟踪锁定谐振频率进行角速度检测,但其所用的半导体激光器存在光功率波动问题,受到相位调制器残余强度调制的影响,会使系统的解调曲线中心点发生偏移,导致陀螺系统出现锁定偏差,输出路形成长期漂移,该文对此进行了仿真分析与实验测试,并通过标定光功率与解调曲线中心点的方式得到两者线性关系,实时检测光功率补偿陀螺系统锁频点,消除光功率波动引起的陀螺输出误差,在本方案下陀螺系统的零偏稳定性测试为80 (°)/h,且输出路无漂移现象,能够提升陀螺系统的长期工作稳定性。     

方波调制误差对光纤陀螺的影响分析与实验

根据数字闭环光纤陀螺的方波调制、解调原理,指出调制方波的频率、相位和占空比不理想是造成方波调制误差的原因。讨论了周期脉冲干扰的频率和相位特征,利用周期脉冲干扰的傅里叶级数推导出了方波调制误差的数学模型。建立了带有方波调制误差的闭环光纤陀螺简化模型,推导出了方波调制误差和陀螺输出偏置误差的关系。通过仿真和测试分析了调制方波的周期、相位、占空比、光纤环的群延时以及放大电路的增益带宽对陀螺输出偏置的影响。最后,给出了一种利用周期脉冲干扰波形检测方波调制误差的简易方法。     

基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致.针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6％.通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5 Hz的宽度.针对50 Hz的振动环境,将谐振频率为58.7 Hz的样机调节到了50.4 Hz,输出电压提高了4倍.     

光纤陀螺温变效应误差抑制方法研究

在干涉式光纤陀螺组成的捷联惯性导航系统中,光纤陀螺启动过程中温变效应导致的漂移项是导航误差的主要误差源,已成为限制高精度光纤陀螺系统性能进一步提升的关键因素。通过对光纤陀螺启动过程中温变效应的理论分析与建模,提出了一种基于查表补偿的光纤陀螺启动温变效应误差抑制法和误差评价法。实验结果表明,该抑制方法可使-40~+60 ℃环境下光纤陀螺漂移概率误差从0.02～0.50 (°)/h降至0.01 (°)/h以下,对应导航系统的导航圆概率误差从1.4~35 n mile/h降至0.8 n mile/h以下,有效抑制了光纤陀螺启动温变效应误差,提升了系统性能。     

重力场对半球谐振陀螺性能的影响

半球谐振陀螺是唯一能达到惯导级精度的振动陀螺,其谐振子振动状态可能受外界环境条件影响而发生改变,使陀螺信号输出不稳定。为研究半球谐振陀螺对不同方向重力场的敏感性,分析了重力场引起半球谐振陀螺信号输出改变的机理,使用有限元法（FEM）对谐振子进行了结构刚度及锚点损耗两个维度的动力学仿真分析,并开展相应测试验证分析结论。结果表明,不同方向的重力场对半球谐振陀螺的性能无明显影响。     

光纤陀螺温度漂移建模与预测

温度漂移是光纤陀螺的主要误差之一,它可分为两部分:与系统相关的误差源及环境的随机扰动产生的随机误差项;由温度变化引起的趋势项。提出了一种光纤陀螺温度漂移的改进AR模型和建模方法,先建立随机误差项的AR模型,再在AR模型中引入趋势项。使用实测的光纤陀螺温度漂移数据建模,并验证模型有效性。结果表明,该模型能准确预测不同温度变化情况下陀螺漂移输出,并能用预测值有效补偿漂移误差,补偿后温度漂移减小到补偿前的20%以下。基于Labview开发了可视化软件,该软件在陀螺温度特性的评价与预测方面具有实用价值。     

应力分析仪在光纤陀螺传感环圈测量中的应用

光纤传感环圈是光纤陀螺的核心敏感部件,其内部应力分布对陀螺整体性能有不可忽视的影响。对应力分析仪的测量原理——受激布里渊散射(SBS)进行了分析,并介绍了STA202型应力分析仪的主要性能指标。使用该应力分析仪对多个不同的光纤陀螺传感环圈进行了测试,观察到了环圈内部存在的多种应力分布状况,并对其产生原因进行了初步分析。测试结果表明:应力分析仪能够测量光纤环圈内部的应力分布,了解环圈缠绕的均匀性,并为改进光纤陀螺环圈的缠绕工艺、提高环圈质量提供有力的支持。