Reduction of nonreciprocal errors in a differential interferometric fiber optical gyroscope using optically differential processing

The bias stability of differential interferometric fiber optical gyroscope is analyzed.Thermal error causing long-term bias drift are reduced by putting the 90°splice in the middle of the fiber coil and applying a wide spectrum light source.Also,a kind of novel optical differential processing,which is much more precise than the electronic differential processing,is proposed for reducing the residual nonreciprocal error in the final differential output.An experimental setup based on optical differential processing was built.An^100 fold reduction in the long-term bias drift is demonstrated experimentally compared with the primary differential interferometric fiber optical gyroscope.

光纤陀螺仪光纤尾纤装配动力学建模仿真与应力计算方法

光纤陀螺仪(FOG)中光纤尾纤的装配主要依靠工人手工完成,装配应力控制凭借人工经验,一致性难以保障。针对光纤装配应力定量控制的难题,提出一种基于离散微分几何理论的光纤动力学建模仿真方法。首先,基于离散微分几何理论建立了光纤运动学框架,并由弹性势能推导了包含拉伸、弯曲和扭转变形的光纤动力学方程以及应力计算方法。其次,提出了基于Newmark隐式算法的光纤动力学方程数值求解方法,并设计了光纤在装配过程中与周围物体的碰撞检测与响应策略。随后,进行了光纤圆周布设和弯扭变形的仿真测试。结果表明,光纤控制端与固定端之间的自由长度越短,光纤圆周布设的位置越精确;光纤截面半径越大,在同样的扭转角下光纤产生的弯扭变形程度越大。最后,设计了一种光纤陀螺仪装配布局,并通过动力学仿真得到了光纤装配过程的应力分布及最大应力变化,为陀螺仪光路低应力装配与路径规划提供了理论支撑。

基于梳状滤波器的光纤陀螺尖峰干扰抑制方法

针对光纤陀螺尖峰干扰引起的解调误差问题,提出了一种基于梳状滤波器的光纤陀螺尖峰干扰抑制方法。首先,介绍了光纤陀螺尖峰干扰产生的原因和梳状滤波器的原理;然后,通过Matlab仿真,验证了梳状滤波器对尖峰干扰有良好的抑制效果;最后,根据梳状滤波器原理,基于现场可编程门阵列设计了一种优化的梳状滤波器,并与采用模拟开关抑制尖峰干扰的方法进行性能比较。实验结果表明,此方法可有效抑制光纤陀螺输出信号中的尖峰干扰,相比于传统基于模拟开关的尖峰干扰抑制方法,陀螺精度提高约12.74%。该研究对高精度光纤陀螺的性能提升具有重要参考价值。

用于干涉型光纤陀螺温度漂移辨识的RBF神经网络改进算法

针对干涉型光纤陀螺(IFOG)温度漂移的辨识,推导了径向基神经网络(RBFNN)中隐含层神经元、网络的抗噪声性能和拟合精度三者之间的关系,并在此基础上提出了一种新的径向基函数神经网络辨识学习规则.该方法具有很强的抗噪声性能,网络输出不会被陀螺噪声所污染,同时能动态地确定神经元数,辨识精度高,有效地避免了传统RBF网络学习算法中事先固定网络结构可能存在的盲目性.实验结果表明,该方法能够快速、准确地辨识IFOG的温度漂移.

干涉型光纤陀螺随机噪声的分析研究

系统地分析了光纤陀螺所包含随机噪声的种类及其来源和特性,介绍了分析光纤陀螺随机噪声的工具———A llan方差法和国军标模型拟合法。对某型干涉型光纤陀螺的静态实验数据,分别应用上述2种分析方法,计算分析了光纤陀螺信号中的噪声分量。计算结果表明:试验所用的光纤陀螺输出的静态信号中含有量化噪声、角随机游走噪声、角速率随机游走噪声、零偏不稳定性和速率斜坡噪声,其中,角速率随机游走噪声、零偏不稳定性和速率斜坡噪声含量较大。该分析研究对光纤陀螺的研究有很好的应用价值。

光纤陀螺中保偏光纤^(60)Co辐照效应及光褪色特性

从光纤陀螺空间应用的角度出发,利用60Co辐照源模拟空间辐照,对光纤陀螺中的主要部件保偏光纤环进行了不同剂量率的辐照实验,得到了保偏光纤的辐照效应.并且利用大功率半导体激光器对保偏光纤环进行了光褪色实验.实验证明,辐照条件下,保偏光纤损耗增加;剂量率越大,损耗增加越快;总剂量越大,损耗越大;采用大功率半导体激光器对保偏光纤环进行光褪色,可以减缓辐照环境下光纤的损耗增加量,而且激光器功率越大,光褪色效果越明显,可将其用到光纤陀螺中作为其空间应用的抗辐射加固措施.

高精度温控脉宽调制工作方式与频谱问题研究

介绍了几种用于光纤陀螺光源的高精度温度控制的脉宽调制(PWM)工作方式,并分析了这几种工作方式的驱动转换过程。对于脉宽调制方式引入的电磁干扰问题,详细分析了转换交越过程中的输出信号及频谱。研究发现,在脉宽调制工作的交越过程中,输出信号的频率和脉宽是复杂的、无规律的,其谱线位置发生了随机的、不可预测的变化,功率分布不再符合周期矩形脉冲谱特性。针对这种交越随机频谱引入的电磁干扰,提出了几种有效的解决方案,并给出了一种方案的实验验证。

基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移建模与仿真

随机漂移是影响光纤陀螺精度的主要因素之一,建立陀螺随机漂移模型以便在滤波时加以修正是提高系统精度的有效方法。针对传统随机漂移模型建模耗时长、过敏感等问题,提出基于Allan方差的光纤陀螺随机漂移模型。通过各噪声项的功率谱密度函数推导出随机微分方程,用Allan方差分析出光纤陀螺各噪声项量化参数,将量化参数代入以单位白噪声驱动的随机微分方程,得到随机漂移模型。实验结果表明,该模型拟合出的随机漂移单项噪声误差不超过8.6%,远低于传统模型产生的单项噪声误差58.3%,是一种有效的光纤陀螺随机漂移建模方法。

双干涉光纤陀螺光纤环温度致非互易性分析

双干涉光纤陀螺是一种新型光纤陀螺,可加倍Sagnac信号,具有轻小型、高信噪比的优点.为改善双干涉光纤陀螺光纤环的温度性能,针对其光路建立了光纤环温度致非互易误差模型,仿真分析了光纤环中90°熔点位置对温度致非互易误差的影响,提出了将90°熔点置于光纤环中点时陀螺的温度致非互易误差将显著减小,并进行了实验验证,实验结果与理论分析相符.结果表明将90°熔点置于光纤环中点可使双干涉光纤陀螺的温度致非互易误差降低为原来的1/400.

毛绒类纤维在不同光学显微系统下的采集清晰度研究

文章以山羊绒和羊毛纤维为研究对象,使用不同类型的高级光学显微系统———高级光学显微镜与CCD和计算机配套,在不同光路条件下采集上述纤维的图像,并用毛绒类纤维识别软件进行处理,然后对原图和识别软件处理后图像的清晰度进行比较。经过比较与分析,认为Axioskop2MOTPLUS微分干涉差(DIC)显微镜在被研究的显微镜中性能最佳、成像效果最好。用其采集的纤维图像鳞片清晰,边缘清楚,无背景噪音和背面鳞片干扰,能够满足毛绒类纤维计算机图像分析技术的基本要求。

干涉式光纤陀螺教学实验装置研制

设计了一种能开放展示内部光路结构、各模块信号连接关系且关键点信号便于观测的光纤陀螺实验装置。为了便于学生在课堂上观测不同速率角运动下的萨格奈克效应,设计配套了速率连续可调的小型桌面转台。实践使用表明,通过实验装置能方便有效地将抽象的理论知识与操作实践结合起来,加深了学生对理论知识的学习理解。

基于电流探头的干扰源电流谱测试

抑制电磁干扰是提高轻小型光纤陀螺低速灵敏度的关键问题。为了减小电磁干扰,必须对电磁兼容三要素中干扰源的干扰特性、耦合通道的传输特性以及敏感设备的抗干扰特性进行深入分析。本文选取光纤陀螺检测电路中DA转换芯片到光电探测器的电源干扰耦合路径为研究对象,利用R&S公司的RT-ZC30电流探头对DA转换芯片电源管脚干扰电流谱进行了测量。测量结果为后续指导光纤陀螺电源分配网络设计、提高电路抗干扰能力提供了参考。

光纤陀螺仪调制相位的畸变误差特性分析

干涉型数字闭环光纤陀螺中,多功能集成光学芯片(IOC)是非常关键的器件,其主要作用之一是相位调制,用于产生π/2相位偏置及产生补偿外部Sagnac相移的相位。由于IOC接收到的电场调制信号频率较高,存在多次谐波并且易受外部辐射干扰,从而导致调制相位畸变,对光纤陀螺的零偏和漂移有很大的影响。为了减小IOC调制相位畸变特性对光纤陀螺性能的影响,从理论上探讨引起调制相位畸变的因素,针对不同的误差因素而采取相应的措施来抑制并隔离误差;通过采取各种措施改善方波、阶梯波的信号质量,使IOC输出的相位畸变程度达到最小。测试结果表明,光纤陀螺中优化之后的相位调制系统满足高精度数字闭环光纤陀螺的指标要求。

干涉型光纤陀螺的信号处理稳定性

信号处理在数字闭环光纤陀螺(IFOG)中的主要作用是产生偏置相位及用于补偿外部Sagnac相移的阶梯相位,并输出载体的转速,数字闭环IFOG信号处理的稳定性直接影响IFOG的整体性能。在信号处理系统中,论述数字闭环2次反馈技术,对四状态调制波进行分析和设计,并对时钟、电源、电磁兼容(EMC)等电气结构进行优化。测试结果表明,IFOG的信号处理过程稳定可靠。采用Allan方差法对IFOG静态测试数据中的各项噪声误差进行定量分析。结果表明,IFOG的零偏稳定性优于0.03(°)/h;IFOG动态测试数据表明IFOG的标度因数稳定性优于20×10-6。

用正交函数求解光纤陀螺误差的数学模型分析

为了准确计算光纤陀螺误差,提出基于正交函数求解的光纤陀螺误差估计数学模型。构建光纤陀螺误差求解的约束参量模型,采用二元微分方程组进行光纤陀螺误差求解和线性规划模型设计,建立光纤陀螺误差分析的正交函数,结合线性拟合方法进行光纤陀螺误差的分布式拟合控制,建立积分函数进行光纤陀螺误差的正交误差特征分解,结合小波函数多尺度分解方法进行光纤陀螺误差特征量的多维分解,构建光纤陀螺误差分量的特征重组模型,结合正交函数的自动寻优方法进行光纤陀螺误差的自适应求解,提高光纤陀螺误差求解的精度,实现光纤陀螺误差求解的数学模型。仿真结果表明,所设计的模型在误差测量精度中误差更小,惯性转矩相对文献[2]和文献[3]更小,且控制准确率能够达到95%以上,采用该方法进行光纤陀螺误差求解的收敛性较好,误差求解的精度较高。

干涉式光纤陀螺光路偏振特性的理论分析

首次采用琼斯矩阵建立了消偏型干涉式光纤陀螺完整光路传输系统的数学模型。在此基础上进行了光路偏振特性的理论分析,讨论了各器件的性能对陀螺偏振噪声的影响,分析了光纤消偏器的消偏作用。通过分析计算,得到了消偏型干涉式光纤陀螺的最大偏振误差表达式。在不同精度级别的消偏型光纤陀螺中,计算出了光纤消偏器应该达到的精度要求,为今后减小零漂打下了理论基础。

激光线宽对干涉式光纤陀螺性能影响分析

干涉式光纤陀螺的标度因数稳定性进一步提升受限于宽谱光源平均波长扰动水平,影响了其对于旋转速率的测量精度以及在复杂环境下的长期使用。采用中心波长更稳定的激光能有效提升光纤陀螺的标度因数性能,但是激光的线宽窄,会重新引入宽谱光源已经基本消除的主要误差源。针对以激光作为干涉式光纤陀螺驱动光源的应用背景,基于光物理场方程计算得出干涉式光纤陀螺中克尔效应、偏振耦合以及背向散射误差与激光线宽的关系,并定量分析出在激光谱宽范围内的各项误差源。此外搭建了光纤陀螺实验系统,分别以窄线宽激光和通过外部相位调制进行光谱展宽后的激光为光源进行静态测试验证。实验结果表明,不同光源线宽下陀螺的角度随机游走和漂移同理论模型一致,证明了模型的正确性,且光纤陀螺在展宽激光驱动下,可满足零偏不稳定性优于0.01°/h的导航级需求。

高温压差型光纤流量传感器

介绍了一种能用于高温环境的光纤流量传感器。采用弹性膜片压力敏感结合迈克尔逊干涉仪两臂同时测量光路结构,消除井内液柱静压和温度交叉敏感干扰,实现流速压差光波相位的直接调制,解调后获得流体平均流速,实现高灵敏度流量传感。传感器适合全密闭封装,结合使用高温光纤,保证了高温环境下的测量应用。实验结果表明,该传感器不仅能实现高灵敏度的流量测量,范围5~150m^3/d,测量误差小于2%,能工作在300℃高温环境下。

基于跟踪微分器的光纤陀螺温度误差建模方法

光纤陀螺测量精度不仅受环境温度的影响,也受温度变化率影响。针对在实际环境中温度复杂多变,温度变化率不易准确测得,而采用传统微分器得到温度变化率会放大噪声从而造成数据严重失真这一系列问题,提出了利用跟踪微分器对输入信号进行跟踪并输出微分信号的方法。首先利用跟踪微分器对采集到的温度数据进行处理,得到温度和温度变化率数据,然后利用径向基函数(RBF)神经网络强大的非线性建模能力,将温度和温度变化率作为神经网络的两个输入样本、陀螺漂移作为期望输出进行温度建模,最后对光纤陀螺温度漂移进行补偿校正。为验证算法有效性,设计了陀螺仪温度漂移实验,对实测数据进行仿真研究,结果证明跟踪微分器可以有效且快速跟踪实测温度,并输出较为真实的温度变化率曲线;利用神经网络对温度漂移进行补偿后,陀螺漂移的均值减小了两个数量级,标准差也有所减小,补偿后标准差达到6. 305E-06。

基于差分探测的低相干外差干涉间隙测量技术

针对低相干外差干涉间隙测量技术应用于发动机、燃气轮机等设备内部高温、高压、强振等恶劣环境时,面临信号弱、信噪比差导致测量范围受限的问题,提出利用差分探测技术来提升拍频信号信噪比的方法。围绕所提出的方法,建立了严格的间隙测量模型,并从理论上说明了其具有提升信号信噪比、扩大测量范围的优势。为证明方法的可行性,搭建了全光纤低相干外差干涉间隙测量实验验证系统,进行单端探测与差分探测的间隙测量对比实验。实验结果表明在同等测量条件下,差分探测方式将信噪比提高了4.22倍,测量范围由10 mm增加到了20 mm。进一步,对系统的测量不确定进行了分析,理论和实验均表明,由于光纤延迟器件扫描速度的不稳定性,系统测量不确定度整体上具有随测量间隙增大而增大的趋势,但在20 mm测量范围内,测量不确定不超过15μm。