光学陀螺背向散射问题综述(特邀)

光学陀螺作为光电惯性导航系统的核心器件,在众多领域发挥着举足轻重的作用。随着科学技术的不断进步,传统的激光陀螺、轻质化的光纤陀螺以及集成化的微光陀螺齐头并进、蓬勃发展,但无论是哪一种陀螺样式,在性能优化的过程之中都不可避免地需要考虑背向散射的问题。背向散射是光学陀螺中的一种噪声源,其会带来陀螺的输出偏置或闭锁效应,从而影响其性能。为了更好地理解光学陀螺中的背向散射机制,首先从半经典理论下的自洽方程组出发讨论背向散射的基本原理,而后依照光学陀螺的发展脉络,分析各种光学陀螺的背向散射分析方法、测量手段以及抑制方法,最后对目前光学陀螺中有关背向散射亟待解决的问题进行总结并展望。

几种光学陀螺的研究进展

除了He-Ne气体激光陀螺外,国内外提出了研制新型光学陀螺的多种方案。该文介绍了其中干涉式光纤陀螺、循环再入式光纤陀螺、集成光学陀螺、半导体激光陀螺的研究现状,着重介绍了超短脉冲激光陀螺研究;同时指出了光学陀螺的发展趋势。

多次循环干涉型光纤陀螺仪的实验研究

详细介绍了循环干涉型光纤陀螺仪的实验装置及测试结果。给出了无源和有源补偿两种敏感环结构下的陀螺分辨率公式。在实验装置中采用了大功率光源和低耦合比输入耦合器,以提高光波在敏感环中的循环次数。实验结果表明:光束在敏感环中循环了2～3次,并达到了较好的零偏稳定性。

基于光纤陀螺的DGPS/DR组合导航定位系统的设计与实现

针对导航定位系统是变电站设备巡检机器人的关键技术之一,设计了一种由光纤陀螺仪、里程仪、加速度计、差分GPS和FPGA/DSP构成的导航计算机组成的硬件系统,并基于差分GPS定位、航位推算(DR)导航原理设计了该组合导航系统软件,系统采用了初始自寻北、切换式组合导航定位方式,该方法简单易行、实用性较强,实验表明该系统能为变电站设备巡检机器人提供连续、实时、较高精度的导航定位。

集成光学调制器在光纤陀螺中的调制特性研究

对高精度光纤陀螺(零漂>0.01(°)/h)中的核心光学器件——铌酸锂集成光学调制器在光纤陀螺中的调制特性及系统测试方法进行了探讨,对其应用及与光路其他各部分配合的技术进行了理论分析和实验研究。与此同时,对该器件在光纤陀螺系统中的特性研究建立了通用的测试系统。文中提出了集成光学调制器与系统匹配的问题。研究结果表明:铌酸锂集成光学调制器的光、电特性以及其电特性与系统的匹配对陀螺的性能发挥着至关重要的作用。

高准确度光纤陀螺中相位调制的控制研究

在相位调制器基础上,提出了围绕干涉型光纤陀螺的闭环控制方案.对高准确度光纤陀螺中Y波导集成光学器件的调制特性及系统测试方法进行了研究,对其应用及光路各环节配合的技术进行了探讨,对该器件在光纤陀螺系统中的特性和测试系统进行讨论.在高准确度光纤陀螺中取得明显效果.目前,工程样机的零偏稳定性已达到0.02°/h.

光纤陀螺用Y分支集成光学调制器的研究

介绍了光纤陀螺的工作原理,依据与惯性空间作相对转动导致的Sagnac效应,对光纤陀螺的关键器件即集成光学调制器进行了分析;运用导出的基本公式,对研制光纤陀螺普遍采用的铌酸锂Y分支集成电光波导调制器的驱动电压和调制带宽参数进行了计算,计算结果为该调制器的设计提供了可靠数据。

高芯片偏振消光比铌酸锂多功能集成光学器件

分析了铌酸锂多功能集成光学器件的偏振消光机理,设计和制作了高芯片偏振消光比的铌酸锂多功能集成光学器件。器件采用切断部分输入直波导后在切断端面选择性镀阻光膜的结构以截断射入衬底的辐射光,与芯片耦合后实现了高于85dB的芯片偏振消光比。制作的器件插入损耗小于3.5dB,分光比为48/52~52/48,半波电压Vπ小于3.5V,尾纤偏振串音小于-33dB;在-55^+85℃全温范围内,损耗变化量小于0.2dB,分光比变化小于1%,尾纤偏振串音小于-27dB,能够满足工程化应用需要。

基于惯性导航和里程仪的煤矿采掘设备定位

分析了国内外煤矿惯性导航技术的研究和应用情况,指出惯性级光纤捷联惯导技术适用于煤矿采掘设备定位;将惯性导航和里程仪相结合进行协同定位和导航,利用里程信息对惯性导航测量数据进行校正,以提高定位导航精度;给出了惯性导航动态初始对准方法,惯性导航与里程仪协同定位具体方法,以及用于误差估计、修正和补偿的卡尔曼滤波方程。实验结果表明,采用惯性导航与里程仪协同定位技术后,工作面直线度测量最大误差为90mm、平均误差为60mm,高程测量误差为20mm,符合工作面直线度测量精度要求。

小型铌酸锂多功能集成光学器件

为满足小型光纤陀螺对光学器件小体积的要求,对铌酸锂多功能集成光学小型化器件的结构做了分析和优化设计。采用BPM软件分析了Y形分支波导的S形波导损耗与弯曲长度及折射率差的关系。通过调整退火质子交换的工艺参数,增加了波导对光的束缚能力;降低了小型化芯片上S形波导的弯曲损耗;去掉了原有Y形波导的输出端直波导,直接由S形弯曲波导引至输出端,在更短的芯片上得到了更长的弯曲过渡区。设计制作的芯片长度由常规的20 mm减至12.5 mm,封装后的器件长度减小到20 mm,为目前同类常规器件尺寸的2/3。设计制作的器件插入损耗典型值小于2.5 dB,全温损耗变化量小于0.2 dB。

基于光纤陀螺的即插即用式全站仪定向方法

针对全站仪视准轴与光纤陀螺轴间存在集成误差角和光纤陀螺零偏问题,提出了一种即插即用且系统误差自动抵偿的光纤陀螺/全站仪组合定向方法。在工作现场,光纤陀螺通过锁紧装置连接到全站仪望远镜上,利用全站仪望远镜可分别在竖直和水平方向精确转动的特点,带动光纤陀螺到东向、西向、东向抵偿位置、西向抵偿4个位置做静态观测。这4组观测值代入一个简单公式即可计算出全站仪视准轴方位角。该方法的锁紧装置简单,集成精度要求低,光纤陀螺零偏和集成误差对方位角的影响基本被消除。仿真表明,在不利情况下,定向系统误差可控制在1″以内。

光纤陀螺定位定向导航系统研究

在光纤陀螺IMU的基础上,设计了信号处理电路、导航计算机、转位机构等,采用Kalman滤波技术,建立了相应的状态方程和量测方程,研制了SINS与卫星导航全球定位系统(GPS)、里程计等辅助信息组合的定位定向导航系统,并给出试验结果及主要技术指标,该系统可广泛应用于陆用车辆导航。

微型三轴一体化光纤陀螺研究

介绍了1种微型三轴一体化光纤陀螺仪工程样机的研制。针对应用中对光纤陀螺的小型化要求,设计了光源、探测器和信号处理电路共用的微型三轴一体化光纤陀螺。微型三轴一体化光纤陀螺在结构设计上采用椭圆化光纤环,在信号处理上采用时分复用的方法。研制出的三轴光纤陀螺体积小于8 cm×8 cm×7 cm,零偏稳定性小于2°/h,零偏重复性小于2°/h,陀螺温度性能较好,具有较强的抗振动和冲击能力。

光电探测组件电源抑制比测试方法

抑制电磁干扰是解决光纤陀螺尤其是轻小型光纤陀螺低速灵敏度的关键问题,为了从电源完整性角度研究光纤陀螺检测电路干扰传导特性,需要对光电探测组件的电源抑制比进行测试。针对光纤陀螺微弱信号检测的特点,提出一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试方案,通过测量普通运算放大器的电源抑制比并与手册给定的典型值进行对比,校验了测试系统的准确性。以中低精度光纤陀螺调制-解调频率范围为例,利用该测试系统测量了光电探测组件100 k Hz^3 MHz内电源抑制比频率特性曲线。实验结果表明,光电探测组件的电源抑制比呈明显的高通特性,在100 k Hz频率点处+PSRR约为29.5 d B,到达3 MHz处衰减为17.8 d B,为后续计算电源传导干扰抑制要求和优化电源退耦网络提供了依据。

Y波导多功能集成光学器件可靠性增长

为消除Y波导多功能集成光学器件潜在的薄弱环节提高其可靠性,通过"试验-分析-改进-再试验"对器件进行可靠性增长。分析了环境应力对Y波导多功能集成光学器件的影响,并对器件的可靠性进行摸底,暴露出潜在的薄弱环节为耦合胶耐高温高湿性能较差和尾纤结构不合理,在此基础上经多次试验对比选择了耐高温高湿的耦合胶与合理的尾纤结构,改进措施落实到器件上以后再次进行了高温高湿试验以验证改进措施的有效性。试验结果表明改进后的Y波导多功能集成光学器件在85℃、85%RH的条件下贮存500h其性能不会下降,这相当于40℃、85%RH下的20780h,通过材料和结构上的改进使得可靠性提高到改进前的39.6倍。

基于光纤陀螺的SINS/GPS组合导航系统的设计与实现

文中在自行研制的光纤陀螺的基础上,基于 DSP 芯片,采用传统的 Kalman 滤波技术,采用内组合模式,设计并实现了 SINS/GPS 组合导航系统,通过车载实验与 PHINS 组合导航系统的比较,验证了自研组合导航系统的导航精度及可靠性。

集成光芯片的电光性能测试方法

为了提高中低精度光纤陀螺工程化批产过程中的一致性和合格率,降低筛选成本,初步定量研究了铌酸锂集成光芯片的附加损耗、光克尔效应、分光比和偏振效应等重要参数对陀螺性能的影响和优化方法,并提出了电光性能的具体测试方法。通过输入特定方波、锯齿波、方波加阶梯波,可从输出波形上进行直观的判断,并可进一步给出性能优劣的量化指标,能够较为准确地进行芯片筛选,提高工艺水平。此项研究成果对铌酸锂集成光芯片的相关标准进行了补充,不仅可以帮助光纤陀螺的制作单位进行更合理可行的器件筛选,还可以帮助芯片的生产单位完善相应的参数测试工作,提高合格率。

ADCP与光纤陀螺罗经组合导航

为了实现声学多普勒流剖面仪(ADCP)的航海导航定位功能,提出了ADCP与光纤陀螺罗经进行组合导航的方案,研究了利用光纤陀螺罗经辅助ADCP进行导航定位的方法,分析比较了ADCP独立进行航位推算和光纤陀螺罗经辅助ADCP进行组合导航的精度。试验结果表明,光纤陀螺罗经辅助ADCP进行组合导航的定位精度至少提高1倍以上,其定位精度可以达到150m/h,能够满足航海导航定位的要求。

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。

光纤陀螺中的多功能集成光学芯片

介绍了多功能集成光学芯片在光纤陀螺中的应用。在光纤陀螺中采用了多功能集成光学芯片后 ,可以大大简化光纤陀螺系统的结构 ,缩小光纤陀螺的体积。光纤陀螺中的一些器件如相位调制器和光学开关、消光器甚至光波导谐振腔都可以集成在一个多功能集成光学芯片上。这样可以提高光纤陀螺的性能 ,增加其稳定性和可靠性 ,在某些特殊的设计中还可以对陀螺系统的误差进行补偿。