环境对大型激光陀螺仪的影响研究综述

基于萨格纳克效应的大型激光陀螺仪被认为是精确监测地球自转的合适传感器,可用于潜在的地面科学研究和重大工程应用,如世界时UT1精密测量,地球固体潮观测、旋转地震波探测、广义相对论预言引力磁效应等领域。激光陀螺的灵敏度随环形腔尺寸增大而提高,其运行的长期稳定性受环境变化的影响。本文从激光陀螺仪工作原理出发,梳理了温度、倾斜、气压和风等环境变化对大型激光陀螺仪灵敏度和稳定度的影响,分析说明监测环境因素变化对其输出的萨格纳克频差修正和处置方法,为提高大型激光陀螺仪应用性能提供相关指导。

测地激光陀螺反射镜法向位移影响分析

测地激光陀螺是一种基于Sagnac效应的测量地球自转角速度的惯性传感装置,可应用于世界时、大地测量学等领域。激光陀螺一般由压电陶瓷控制推移反射镜来提高稳频精度。针对稳频机构工作过程中球面反射镜的法向位移对谐振腔的影响,从环腔稳定性定义出发,不同于传统的光学矩阵分析谐振腔稳定性,而是使用更真实的射线追踪仿真对球面反射镜法向位移时谐振腔的出光稳定性进行分析。仿真结果表明,环腔的尺寸与球面反射镜的法向可位移范围呈正相关,实验测得可位移范围为1.492~1.695 mm左右,实验与仿真结果误差在1%内。本文对测地激光陀螺在稳频机构工作过程中的球面反射镜法向位移的影响进行了初步探究,研究结果对于测地激光陀螺的稳频控制及陀螺搭建有一定参考意义。

基于激光陀螺测角仪的角度计量动态特性分析

为了使动态角度测量结果可靠、可信,在使用激光陀螺测角仪进行动态角度测量前,需要对其动态特性进行分析。首先,通过同步触发装置将激光陀螺测角仪分布与转台和激光干涉仪分别同步触发;然后,使转台模拟出脉冲响应运动、阶跃响应运动和正弦运动;最后,比较分析在不同运动过程中激光陀螺测角仪与转台的圆光栅和激光干涉仪的输出数据。结果表明,激光陀螺测角仪具有良好的动态特性,且在不同频率下激光陀螺测角仪的动态测角精度在0.6″左右,为激光陀螺测角仪进行动态角度测量结果的可靠性提供了保证。

激光陀螺仪敏感轴动态偏移系统级估计与补偿

针对激光陀螺仪敏感轴动态偏移造成惯导系统导航精度下降的问题,提出了一种系统级估计与补偿方法。首先分析了激光陀螺仪敏感轴动态偏移的产生机理,建立了敏感轴动态偏移误差模型,通过对惯性测量单元施加惯性力,激励激光陀螺仪敏感轴动态偏移误差。然后设计了敏感轴动态偏移参数系统级估计方法,以速度误差为观测量,采用卡尔曼滤波器估计敏感轴动态偏移参数。实验结果表明,激光陀螺仪敏感轴动态偏移参数估计精度优于0.2″/g。

全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿技术

针对全反射棱镜式激光陀螺标度因数随温度周期性变化的现象,根据矩阵光学方法研究了稳频状态下温度变化对环形激光面积的影响,获得了全反射棱镜式激光陀螺标度因数与稳频电压的关系,并得出光束偏移是引起标度因数随温度周期性变化的原因。根据标度因数与稳频电压的关系,建立了全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿模型,通过实验对比了补偿前后标度因数的非线性度。结果表明,根据该补偿模型对全反射棱镜式激光陀螺标度因数进行补偿,标度因数非线性度提高了一个数量级以上,对提高全反射棱镜式激光陀螺的性能具有一定的参考价值。

激光陀螺表面多层膜微结构表征与分析

本文针对激光陀螺长期稳定性技术研制要求,通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电镜(STEM)、聚焦离子束刻蚀(FIB)、X射线光电子能谱(XPS)以及X射线能量散射谱(EDX)等微观结构和组分表征技术,对激光陀螺反射镜的微观结构和组分进行表征,研究反射镜在不同镀制工艺条件及高低温等外部工作条件下,反射镜膜层界面、膜-基界面以及膜层本身微结构特性的变化规律,建立反射镜微结构特性和不同变化之间的映射关系。本研究结果为激光陀螺表面多层膜的结构表征提供坚实的实验参考和理论依据。

激光陀螺仪惯性导航教学实验平台开发

针对现有惯性导航实验教学平台的仪器设备价高量少的状况,设计了一种面向实验教学的激光陀螺仪惯性导航平台。该平台包含激光陀螺仪、电动转台、控制器、数据采集软件、计算机等。开展了激光陀螺仪的驱动及控制、激光陀螺仪与电动转台的标定、激光陀螺仪角速率数据采集软件的开发及优化实验。结果表明:该教学平台具有成本低、精度高、开源性好等优点,可以广泛应用于本科和研究生教学。同时开发了用于实验教学的激光陀螺仪的器件特性、多位置寻北等系列实验,零偏稳定性达到0.01°/h,寻北误差<0.064°。

基于阈值去噪和Elman神经网络的激光陀螺误差补偿

为了降低激光陀螺信号中噪声对导航解算精度的影响,提出了一种基于阈值去噪和Elman神经网络相结合的误差补偿方法。首先,采用指数型阈值函数对原始数据进行阈值去噪;然后,以激光陀螺的3轴原始数据作为Elman神经网络的输入,经小波阈值处理后的单轴信号作为神经网络的输出,建立一个3输入1输出的Elman神经网络模型,再用神经网络训练后的预测误差作为补偿信号对阈值信号进行补偿处理;最后,用Allan方差对补偿前后的信号进行误差分析。结果表明:所提方法可以降低激光陀螺的随机误差,相对原始信号的随机误差降低了38%~89.8%,方差降低了2个数量级。

基于FIR滤波和抖动剥除相结合的激光陀螺无延时测量方法

对于雷达天线伺服跟踪这种高动态应用环境,传统的有限脉冲响应(Finite impulse response,FIR)低通滤波抖动解调引入的时间延迟会导致较大的跟踪误差。为了解决时间延迟问题,文中提出一种FIR滤波与抖动剥除相结合的测量方法,FIR实现具有时延的精确解调,抖动剥除对FIR延迟时间段进行精确补偿。抖动剥除基于相关抵消原理,通过Kalman滤波对陀螺抖动剥除增益因子进行动态跟踪,并对时延前后的抖动量进行实时计算。文中对无延时测量方法进行了激光陀螺实验测试,测试结果表明:该测量方法能够对FIR时延时间段的抖动量进行精确计算,抖动剥除精度优于0.5″,实现了陀螺无延迟测量。FIR滤波和抖动剥除相结合兼顾了激光陀螺的高精度和实时性,具有很好的应用前景。

空间三轴激光陀螺放电区微晶玻璃Li^(+)迁移规律研究

空间三轴激光陀螺是一种将三个敏感环路正交集成于一块微晶玻璃基体上的空间激光陀螺,在航空、航天、军事等领域得到了广泛应用。随着军用装备对高性能激光陀螺长期通电性能稳定性的要求不断提高,提高激光陀螺长期通电性能稳定性、延长激光陀螺工作寿命已成为国内外激光陀螺专业领域研究人员共同关注的重要课题。国外多项专利提到了微晶玻璃中的Li^(+)在电场的作用下发生迁移并影响激光陀螺工作寿命,但未见具体研究。文中对空间三轴激光陀螺开展了通电寿命试验,并结合飞行时间二次离子质谱分析技术,研究了放电区微晶玻璃LAS(Li_(2)O-Al_(2)O_(3)-SiO_(2))表面的Li^(+)迁移现象,结果表明:微晶玻璃中Li^(+)在激光陀螺电场及谐振腔内等离子体的作用下向谐振腔方向迁移,并脱离微晶玻璃进入谐振腔,然后随等离子体流动,最终沉积在阴极表面。该结果对提高激光陀螺长期通电性能稳定性、延长工作寿命等相关研究具有重要推进作用。

国防科技大学激光陀螺技术创新团队

1.学术带头人,罗晖,国防科技大学前沿交叉学科学院副院长,教授,博士生导师,国家重点一级学科光学工程激光陀螺及系统方向学科学术带头人,湖南省光学学会理事长。长期从事激光陀螺及其系统研究,主持多型激光陀螺、高精度惯性导航系统研制,主持开展半球谐振陀螺。

基于ZYNQ的激光陀螺寻北仪的设计

在现代化战争中的武器系统以及民用勘测领域中,寻北技术发挥着无与伦比的作用。基于此背景,该文设计了一种基于ZYNQ的光纤陀螺寻北仪。该系统由XB185D单轴闭环光纤陀螺通过串行422通信接口将数据发送给ZYNQ,并通过AD模块AD7693对两路石英加速度计进行数据采集,利用温度传感器DS18B20进行温度数据采集。以XC7Z020为逻辑控制核心,通过四位置寻北算法解析北向角度,通过串口总线将结果发送到上位机上。经测试表明,该系统稳定可靠,能准确地定位北向,其误差范围在0.3°内。

基于激光陀螺测角仪的转台角定位误差多点测量与补偿方法

目的:提高激光陀螺测角仪测量转台的角位置精度,实现转台的全圆周内任意角度测量与补偿。方法:采用全新测量方式,利用环形激光原理实现转台任意角度高精度测量。首先提出激光陀螺测角仪进行多位置平均的偏置标定方法;然后采用激光陀螺测角仪进行全圆周小角度范围测量,并得到角位置误差函数;最后以自准直仪数据为真值作比对。结果:激光陀螺测角仪测试转台的精度由0.6″提高到了0.3″,并且实现转台在全圆周范围内测角精度为0.3″。结论:多位置平均的偏置标定方法能够有效地提高激光陀螺测角仪的测量精度,并且可以对转台进行全圆周任意角度的测量。

激光陀螺的偏频技术及偏频系统

激光陀螺的偏频技术及偏频系统滕云鹤田伟（清华大学精密仪器系北京１０００８４）迄今为止环形激光陀螺ＲｉｎｇＬａｓｅｒＧｙｒｏ（ＲＬＧ）是光学陀螺中精度最高的陀螺，也是在高精度惯性导航中应用最广泛的陀螺之一。由于环形激光陀螺的谐振腔中存在着各种损耗，尤其...

激光陀螺单轴旋转惯性导航系统

高精度的惯性导航系统是提高舰船综合作战性能的基础。为了提高惯性导航系统的精度,采用单轴旋转惯性测量组件的方法,研制了激光陀螺单轴旋转惯性导航系统。介绍了系统的硬件组成,主要包括系统基本结构,惯性器件的主要技术参数和导航计算机的组成。描述了系统的多位置初始对准方式和温度补偿方案。对该系统进行了长时间静态导航实验和跑车实验,实验结果表明:四次长时间静态导航实验峰值定位误差5d优于1nm,10d优于2nm;两次跑车实验峰值定位误差77h优于1.4nm、15d优于2.5nm。

小波域中值滤波在激光陀螺信号处理中的应用

各种随机噪声是导致激光陀螺产生误差的主要因素,且其性质特殊,很难用传统的滤波方法去除。为了减小激光陀螺的随机误差,提高测量精度,提出了小波域的中值滤波器滤波方法,对激光陀螺零漂数据进行了滤波,并采用Allan方差法对滤波效果进行了定量分析。结果表明,此方法的滤波效果优于中值滤波和小波软阈值滤波效果,能有效地减小激光陀螺零漂信号中的角度随机游走、角速度随机游走、速率斜坡、零偏不稳定性和量化噪声,提高激光陀螺零漂输出的稳定性。

激光陀螺捷联惯性导航系统中惯性器件误差补偿技术

为了提高激光捷联惯性导航系统的导航精度,对惯性器件误差进行了原理上的分析和说明,并针对由国内某型激光陀螺构成的惯性测量器件进行了误差分析.在此基础上建立了误差补偿的精确数学模型,提出了一种简易的且具有较高精度的误差模型参数静态标定方法,给出了计算误差模型参数的数学推导过程和解析表达式.分析结果表明,惯导系统误差主要由惯性器件测量误差引起,为了有效补偿惯导系统的系统误差,必须针对具体的惯性器件进行误差补偿.实际测试结果证明,该计算方法精度较高,可以有效提高惯导精度.

光栅角编码器误差分析及用激光陀螺标校的研究

本文介绍了光栅角编码器的测量原理,对光栅角编码器在使用过程中因安装偏心、安装倾斜、轴承晃动等因素引起的角度测量误差进行了分析,理论分析表明,微小的安装偏心便可引起较大的测角误差,因此,光栅角编码器在实际使用中需要对其进行标校。根据激光陀螺的精度和有分辨率都很高的特点,本文提出了一种用激光陀螺进行光栅角编码器误差测量和标校的新方法,并进行了实验,结果表明,标校后光栅角编码器的测量精度达到了其标称精度。

激光陀螺SINS/GPS组合导航车载试验系统

SINS GPS组合导航系统已经应用于许多不同的领域。介绍一种已经进入试验阶段的低成本激光陀螺SINS GPS组合导航系统。根据系统的硬件结构,设计实现了与实际系统相匹配的组合导航滤波器,根据车载试验的结果,着重分析了系统车载试验中不同导航模式对系统性能的影响,最后给出了一些有益的结论。

一种激光陀螺惯性测量单元混合标定方法

针对采用低精度转台标定高精度激光陀螺惯性测量单元(IMU)的方法进行了研究。提出一种不依赖转台精度的静态解析与Kalman滤波估计混合的新型高精度标定方法。首先采用多位置静态解析法粗标定出IMU系统参数的低精度初始值;然后根据惯性导航算法基本误差方程,建立以IMU系统参数粗标定结果的残差为估计对象,以IMU速度误差为观测量的扩展Kalman滤波器,估计出系统参数残差,进一步修正粗标定结果。实验结果表明,该方法能够利用低精度转台获得与高精度转台相当的参数标定精度,降低了惯导系统的标定成本,满足高精度激光陀螺IMU的使用需求。