四频差激光陀螺由于稳频精度局限等引入的零漂

本文分析了四频差动激光陀螺由于稳频精度局限等原因造成其左右旋陀螺在增益曲线上不对称 ,并导致比例因子不对称和这种不对称的不稳定从而引入零漂的机理 ;还分析了影响它们的因素 ;并代入实验测得的稳频精度值 ,估测了产生的零漂大小。

四频激光陀螺脉冲细分技术

文章对传统的激光陀螺整脉冲计数方法的误差进行了分析,提出了一种能精确测量陀螺输出脉冲尾数的脉冲细分方法,并对该方法进行了误差分析。在此基础上,利用脉冲细分方法采集了某型四频激光陀螺的数据。理论分析和实验表明,脉冲细分方法的角分辨率优于0.1角秒。

四频差动激光陀螺模式损耗导致的零偏

为了进一步提高四频差动激光陀螺(DILAG)的精度,对其模式损耗导致的零偏进行了理论和实验研究。考虑气体增益介质的色散效应对环形空腔频率的修正,推导了DILAG零偏与磁场强度、氖双同位素配比、模式损耗、腔长等参量在不同工作方式下的关系式。采用腔长调谐、施加磁场、改变工作方式等方法进行了实验研究。研究结果给出了DILAG模式损耗导致的零偏的特性:通过在增益介质上施加合适的磁场可以使零偏对平均损耗和偏振差分损耗变化不敏感,但无法通过外部电子装置消除零偏对方向差损和磁圆二向色性差损的敏感性,因而只能尽量减小这两种差损的变化以减小零漂。该研究为进一步提高DILAG精度提供了参考。

基于多周期测量的四频差动激光陀螺高精度信号解调

分析了四频差动激光陀螺信号的解调原理,针对采用频率测量计数解调方法存在脉冲量化造成的角速度测量分辨率低的问题,改用多周期测量来代替频率测量,大大提高了四频差动激光陀螺信号的解调精度。通过数字滤波器滤波处理,可以减少随机噪声干扰,进一步提高精度。为满足实时性要求,该方法采用FPGA来实现。实验表明,此方法提高了四频差动激光陀螺角速度测量分辨率,为快速高精度方位自对准奠定了基础。

基于FPGA的四频激光陀螺高分辨率计数电路

为了减小激光陀螺计数电路的量化误差,从频域的角度对减小量化误差的快速滤波法进行了简单分析,并用现场可编程逻辑阵列(FPGA)器件设计了高分辨率计数电路。对某型四频陀螺的测试结果表明当计数电路输出信号周期为0.4ms时分辨率优于0.01个脉冲,如果采用更高端的FPGA芯片和更高的采样率,性能指标还有较大的提升余地。所设计的高分辨率计数电路对四频陀螺的测量分辨率优于0.01脉冲、带宽大于1 KHz,可应用于快速跟踪、定向定位等系统中。

四频差动激光陀螺的热效应浅述与其温度分布的测试

本文简要分析了四频差动激光陀螺开机后热场的变化对零漂的影响 (即陀螺的热效应 ) ,提出了一些克服热效应的方法 ,并测量了陀螺热场。

四频差动激光陀螺的零漂敏感性

腔长、磁场、增益、腔损等因素的变化是四频差动激光陀螺零漂的重要来源,为了提高陀螺精度,研究了零漂随这些因素的变化关系。首先固定谐振腔周长、互易偏频、法拉第偏频、腔损、峰值增益、多普勒加宽、气压、氖同位素比例,利用自洽方程组仿真了零漂随失谐频率和磁场的变化规律。然后分别改变谐振腔周长等8个参量,对零漂随失谐频率和磁场的变化规律进行了数值仿真。最后,对仿真结果进行了实验验证。结果表明:在最佳失谐频率下和/或最佳磁场下零漂为零,而且对不同谐振腔参量和增益气体参量的陀螺均有此规律。因此,通过控制陀螺的工作点能够消除磁场变化导致的零漂,通过外加磁场能够消除腔长变动导致的零漂,采取这两种控制之一即可消除偏频、腔损、增益、气压变化导致的零漂。

温度对四频差动激光陀螺零偏的影响机理

讨论了四频差动激光陀螺温变零偏的产生机理,分析了四频差动激光陀螺工作时的热源及其对陀螺在不同工作阶段的影响,实验证明了温度变化时和频和差频的强烈相关性;通过实验分析了陀螺各部分温度变化对和频和零偏的影响,研究了水晶片在温度变化时的物理性质变化,并定量计算了由其产生的广义法拉第偏频、顺逆时针偏振光差损和左右旋偏振光差损的变化对温变零偏的影响大小,结果表明:顺逆时针偏振光差损和左右旋偏振光差损对和频、差频的不同作用机理使得和频与差频的相关性变差,导致采用以和频为基准对陀螺差频进行补偿的方法具有一定的局限性,从而提出了提高以和频为基准的温补精度的措施。

四频差动激光陀螺腔长敏感性的研究

为了改善四频差动激光陀螺的性能,研究了腔长敏感性随温度和工作电流变化的规律。利用气体激光器模牵引效应的经典公式,推导了四频差动激光陀螺腔长敏感性的表达式。通过扫模实验研究了腔长敏感性与温度、放电电流的关系。实验结果表明:温度越高,腔长敏感性越小;放电电流越小,腔长敏感性越小。因此采取较小的放电电流可降低四频差动激光陀螺的腔长敏感性,降低稳频误差的影响。

四频差动激光陀螺随机误差建模与滤波研究

根据四频差动激光陀螺随机误差的特性,对实验采集的某型四频差动激光陀螺的静态输出数据,使用p阶自回归q阶滑动平均模型(ARMA(p,q))进行分析,并采用BIC准则确定模型的阶数。基于建立的ARMA(p,q)模型,使用卡尔曼滤波对四频差动激光陀螺的静态输出数据进行滤波处理,检验结果表明,该方法能明显减小四频差动激光陀螺的随机误差。

基于激光陀螺的稳定平台控制

针对舰载双轴稳定平台的控制技术研究,选用四频激光陀螺作为惯性角传感器,通过扫频辨识出控制对象的传递函数,再利用滞后型频率特性补偿器进行频率校正,设计出了速度与位置双闭环的伺服稳定控制系统。对设计的双轴激光陀螺稳定平台系统进行了仿真计算和实验测量,仿真与实验结果比较一致,主要参数为:设计的稳定平台控制系统静态力矩刚度达到了7.852×107 N.m/rad,阶跃响应的上升时间为30 ms,调整时间为150 ms,超调量为12%;当载体基座以幅值为17.661°、频率为0.437 Hz的正弦角速度扰动时,速度环稳定误差优于±0.05(°)/s,位置环稳定误差优于±3″。

差分损耗对四频差动激光陀螺零漂的影响

为了减小差分损耗对四频差动激光陀螺性能的影响,根据气体激光的半经典理论,采用数值仿真的方法,对差分损耗所导致的零漂进行了理论分析。四频差动激光陀螺中4个模式由于偏振态、运行方向的不同而具有不同的单程损耗。激发模的光强和频率与单程损耗有关,差损的影响如不能在差频中抵消就导致零漂。计算了失谐频率、磁场、腔长、互易偏频、法拉第偏频、多普勒加宽和气压对3种差损系数的影响,讨论了气压和气比对差损系数的影响。结果表明,偏振差损的影响可以通过施加磁场消除,而方向和磁圆二向色性差损无法通过改变磁场和失谐频率消除;改变气压和氖同位素比例可以改变各差损系数,除了减小差损本身外,优化增益气体对减小差损零漂也有一定的作用。

石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺中光场偏振特性的影响

为研究石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺的影响,从陀螺的自再现传播矩阵出发,结合石英晶体旋光率随温度变化的经验公式,利用琼斯矩阵求本征模的方法,得出了四频差动激光陀螺腔内光场本征偏振态与温度的关系并进行了数值分析,得到椭圆度和左右旋差损随温度变化的曲线。结果表明,石英晶体温度效应对偏振特性的影响与反射镜片的振幅反射率和反射相移有密切关系,对于典型陀螺参量,在-60℃-60℃范围内石英晶体温度效应导致左右旋差损从0增加至1-0 6量级,椭圆度从0.122增至0.138。

非平面腔四频差动激光陀螺的温度补偿(英文)

为了减小温度对非平面腔四频差动激光陀螺的影响,对不同变温条件下的补偿模型进行了研究。首先进行了静态温度实验,补偿后零偏的标准差为0.01(°)/h。然后进行了1℃/min高低温循环、1℃/min-5℃/min随机变温和急剧升降温三种条件下的动态变温实验,分别建立了三个温度补偿模型A、B、C。前两种变温条件下的零漂能够得到较好的补偿,但急剧升降温时尽管陀螺体实际温度变化不大,补偿效果却最差。在上述三个补偿模型中,温度变化率所起作用从A-C越来越大,表明变温速度越快,陀螺体温度不平衡越大,增大了补偿难度。因此,为了增强补偿效果,除了减小陀螺本体的温度敏感性外,还要尽量减小变温过程中陀螺体上的温度梯度。

异面腔四频陀螺中的模牵引效应及补偿技术

为了提高异面腔四频差动激光陀螺(NFMDLG)的精度,提出了一种利用互易偏频的零偏补偿技术。根据气体激光器经典理论,推导了NFMDLG的互易偏频和零偏的表达式。分析了NFMDLG中的左旋陀螺分别位于增益曲线左、右侧时其输出零偏的特点,指出磁圆二向色性差损导致的零偏在这两种情况下大小相同符号相反。搭建了一套可同时测量互易偏频和零偏的实验系统,通过改变NFMDLG的放电电流和腔体温度验证了理论分析。在此基础上提出利用互易偏频补偿温度和电流变化导致零偏的方案。实验结果表明,温度变化50℃时,采用该补偿方法后零偏在±0.01Hz内波动;放电电流变化0.2mA时,补偿后的零偏降低了4/5。因此互易偏频可有效补偿模牵引效应导致的零偏误差。

环形腔内光场偏振态的统计研究

为了改善四频差动激光陀螺环形腔内光束的传输质量,基于差分损耗理论,结合数理统计方法,研究了石英晶体光轴失配角和旋光角变化对环形腔内左、右旋光场偏振态的影响,分别探究了差分损耗在各自集合内均方根、取值范围和方差的变化规律。结果表明:为了达到理想的左、右旋对称性偏振光和稳定的腔结构,光轴失配角需接近0°,旋光角也只能在90°附近波动。差分损耗统计参量的不同限定值也为激光陀螺腔结构稳定性的定量描述提供了依据。

四频差动激光陀螺中的粒子数脉动效应

为研究激光陀螺精细模耦合作用,考虑了增益介质中的粒子数脉动效应。从激光器物理原理出发,分析了粒子数脉动效应的产生机制,结合四频差动激光陀螺特点,得出粒子数脉动效应是一种精细模耦合效应,不同激光模式间的拍频使增益介质中粒子数布居差产生调制,进而对模耦合产生影响。数值计算了粒子数脉动在耦合效应中的大小。计算结果表明:粒子数脉动效应和其他耦合效应随腔频变化基本一致,在大多数腔频范围内数值较小,为其他耦合效应的4%以下;在某些腔频范围(如0.37<ξ<0.46,0.02<ξ<0.06,0.86<ξ<0.88)有较大数值,为其他耦合效应的80%以上,在激光陀螺的模耦合分析中不可忽略。

四频差动激光陀螺小抖动稳频工作模式判别技术研究

为避免传统光强差稳频方式的缺陷,提出了四频差动激光陀螺小抖动稳频方法。从四频陀螺工作原理出发,分析了小抖动稳频的可行性,其中工作模式判别问题是技术难点。提出三种解决方法:改变左右旋模频率间隔、光强差稳频方式的扫模电路结合、根据陀螺零漂数据来判别,为进一步研究提供了参考。

基于FPGA的四频陀螺信号解调系统的设计与仿真

为了简化四频差动激光陀螺的信号读出系统,采用了一种基于FPGA实现的数字电路解调方案取代传统的合光棱镜中的1/4波片和偏振片来分离左、右旋陀螺信号。简述了四频差动激光陀螺的信号读出原理及解调电路方案,设计了主要由A/D转换器和FPGA构成的四频陀螺信号读出系统。通过QuartusⅡ等EDA工具在软件上对系统予以了实现,并针对其主要功能模块进行了仿真验证。仿真结果表明,将四频陀螺信号转化为数字信号后,利用FPGA实现信号解调并最终达到分离左、右旋陀螺信号的方案是可行的,该方案将有助于全数字化激光陀螺的研制。

四频陀螺中压电陶瓷歪扭导致的光强变化及其对零偏的影响

激光陀螺通常使用压电陶瓷换能器(PZT)作为反馈控制元件来维持腔长不变,然而PZT在推拉过程中产生的歪扭将会引起腔损的变化,进而导致光强以及零偏的变化。为了提高激光陀螺的零偏稳定性,对PZT歪扭导致的零偏变化进行了理论和实验研究。理论分析表明,PZT歪扭导致的光强变化与零偏变化密切相关,当光强相对变化10-3时,零偏变化约0.02 Hz。改变激光陀螺的纵模阶数,同时测量对应的光强和零偏,所得实验结果与理论分析基本一致。研究表明,目前四频激光陀螺中PZT歪扭导致的零偏变化在0.01 Hz的量级,因此通过对PZT制作工艺进行改进可进一步提高四频激光陀螺的性能。该研究对高精度四频激光陀螺的研制具有一定的参考价值。