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全反射棱镜式激光陀螺误差特性研究

马家君  
【摘要】:全反射棱镜式激光陀螺采用棱镜的全反射特性构成闭合光路,具有锁区小、可靠性高、寿命长等优点,在高精度惯性导航等领域具有广泛的应用前景。对全反射棱镜式激光陀螺进行误差特性分析以及在现有技术基础上寻找进一步提高全反射棱镜式激光陀螺精度的方法具有重要的军用和民用应用价值。在全反射棱镜式激光陀螺中,各种复杂的误差因素导致其实际输出拍频信号偏离陀螺理想值,全反射棱镜式激光陀螺误差特性的研究对提高陀螺精度至关重要。本论文在激光陀螺基本理论的基础上,结合全反射棱镜式激光陀螺的结构特点,利用数值仿真方法,研究了全反射棱镜式激光陀螺的误差特性;利用光束传输矩阵理论,研究了稳频条件下全反射棱镜式激光陀螺光束偏移特性。稳频控制、光强控制和机械抖动控制是全反射棱镜式激光陀螺设计过程中的关键技术,通过对稳频控制、光强控制和机械抖动控制系统的研究,指出了提高稳频精度、光强稳定度和机械抖动系统频率跟踪精度的途径。全文内容主要针对全反射棱镜式激光陀螺误差特性的研究和关键技术的设计两个方面,概括为以下六个部分:第一部分研究全反射棱镜式激光陀螺的误差特性。结合全反射棱镜式激光陀螺射频激励、加热器稳频等结构特点,根据激光振荡半经典理论,通过数值计算和仿真分析,研究了全反射棱镜式激光陀螺的比例因子误差和锁区阈值的特性。给出了比例因子误差与激光振荡频率、增损比的函数关系,为全反射棱镜式激光陀螺稳频控制和光强控制提供了设计指标。给出了锁区阈值与激光振荡频率、损耗的函数关系。第二部分研究全反射棱镜式激光陀螺光束偏移特性。根据光束传输矩阵理论,建立了全反射棱镜式激光陀螺光束偏移的数学模型。应用数值计算方法,分别给出了温度和稳频系统引起的各棱镜界面上光束偏移量的大小,提出了光束偏移最小化控制方案。研究了光束偏移对比例因子、锁区阈值的影响。结果表明,稳频系统每调节一个光波长跳模一次的方式能有效减小光束在棱镜界面上的偏移量。在稳频条件下,根据加热器电压和温度值对比例因子进行补偿,补偿后的比例因子稳定度小于1ppm,比补偿前能提高一个数量级。第三部分研究全反射棱镜式激光陀螺稳频特性。在对小抖动调制下的光强调谐特性和稳频伺服部件理论分析的基础上,建立了全反射棱镜式激光陀螺稳频系统数学模型。给出了稳频精度与加热器电压和环境温升的一般关系及最佳跳模门限的理论计算公式。分析结果表明,环境温升速率的增大和加热器电压的降低会导致原有稳频系统性能下降,最佳跳模门限随环境温度的升高而增大。采用变增益Ⅱ型系统稳频与最佳跳模门限设置,可以有效消除在跳模前后陀螺性能下降的现象。在稳频系统数学模型的基础上,结合自适应噪声对消原理,提出了一种新的双纵模自适应稳频技术。基于FPGA数字平台,设计了基于RLS算法的双纵模自适应稳频系统,实验结果表明,该稳频系统的稳频精度能达到10-10量级。第四部分研究全反射棱镜式激光陀螺光强控制系统。在对光强控制回路各部分的传递函数分析的基础上,建立了全反射棱镜式激光陀螺光强控制系统的数学模型,研究了影响光强控制系统稳态精度和抗扰能力的主要因素。研究结果表明,机械抖动所引入的尖峰脉冲将导致光强控制系统稳态精度的下降,在光强控制回路中增加一级主导极点,并采用Ⅰ型控制系统,可以有效提高光强控制系统的稳态精度。第五部分研究全反射棱镜式激光陀螺机械抖动系统。为了提高机械抖动驱动效率及可靠性,提出了一种从全反射棱镜式激光陀螺输出信号中分离机械抖动信号的方法,基于可变系数零相位带通滤波器和全数字锁相环,实现了在全温范围了机械抖动谐振频率的自动跟踪。第六部分研究全反射棱镜式激光陀螺双纵模自偏频特性。基于光波的向量形式,提出了一种新的分析双纵模自偏频现象的方法,直观的说明了双纵模自偏频的机理是弱纵模对为强纵模对提供交变偏频,使强纵模对始终工作在锁区以外。在双纵模Lamb系数数值分析的基础上,搭建了全反射棱镜式激光陀螺双纵模自偏频仿真平台,获得了产生双纵模自偏频的稳定条件,通过双纵模自偏频实验测试对理论分析结果进行了验证。本文的研究为全反射棱镜式激光陀螺的设计和制造奠定了理论基础,解决了全反射棱镜式激光陀螺研制生产过程中的关键技术,有效提高了全反射棱镜式激光陀螺的性能。


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