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《国防科学技术大学》 2010年
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四频差动激光陀螺相关技术研究

杨建强  
【摘要】:四频差动激光陀螺是一种全固态双陀螺,其原理上的特点使得其在宽动态高精度场合具有很好的性能优势。但四频陀螺研制难度较大,国内四频陀螺性能尚待提高,存在诸多问题需要解决。本文就稳频、磁效应、稳增益、温度特性等问题展开研究,研究结果对探讨如何提高四频陀螺性能有一定参考价值,也为工程应用中相关问题的解决提供了实验支持。 主要内容和结论如下: (1)简析了四频陀螺基本理论和主要误差因素。建立了四频陀螺的基本物理型,进行了半经典理论推导,得出自洽场方程组,介绍了近独立双陀螺模型。指出近独立双陀螺模型能直观的抓住事物的主要矛盾,是研究四频陀螺误差效应的重要工具。利用这一模型分析了四频陀螺的误差因素,对稳频误差、磁效应误差、稳增益误差、热效应等主要误差因素的解决方案进行了简要分析。 (2)不同于常用的光强差稳频,研究了小抖动稳频技术。建立了小抖动稳频的物理模型,分析了频率鉴别特性、模式识别特性,指出实际应用中出现的同频噪声干扰是制约小抖动稳频精度的主要误差源,可采用正交参考信号对其进行监测和衡量精度。实验结果表明:稳频精度可达到优于0.5MHz,对于所用四频陀螺,零漂性能与光强差稳频在室温下和高低温下相比没有明显差异,从而验证了四频陀螺小抖动稳频方式的可行性。 (3)不同于常用的稳频精度提高措施,研究了第一类色散平衡技术。建立了第一类色散平衡的物理模型,分析了误差因素的影响。设计了标定方案,提出基于顺逆光强比较的标定算法和基于方程解算的标定算法。实验结果表明:第一类色散平衡可使四频陀螺在全温域范围内长期稳频敏感度至少改善150倍,开机零漂减小0.00396 0 /h,长时间零漂减小0.00152 0 /h,高低温最大最小零漂差至少减小0.6 0 /h。 (4)不同于常用的磁屏蔽措施,研究了第二类色散平衡技术。建立了第二类色散平衡的物理模型,分析了误差因素的影响。设计了标定方案,对更新算法进行了深入探讨。实验结果表明:采用稳光强技术有利于保证标定效果的稳定性。若结合200倍的磁屏蔽,第二类色散平衡可使四频陀螺室温下长期磁敏感度降低至0.0000975 0 /h/Gauss,高低温下磁敏感度变化约0.00645 0 /h/Gauss。验证了更新算法的可行性和所受时间制约。 (5)不同于常用的稳电流方案,研究了新的稳增益技术。建立了陀螺增益的物理模型,分析了误差因素的影响。设计了通过稳光强来稳增益的方案,并对其合理性进行了解释。研制了稳光强电路,给出了各部分电路和控制算法的设计要点。实验结果表明:稳光强模式可使四频陀螺在全温域范围内光强稳定度达1. 7×10?5,室温下光强波动引致的零漂变化降低至2. 01×10?50 /h,开机零漂减小0.0016 0 /h,长时间零漂减小0.0029 0 /h。 (6)实验研究了四频陀螺的热效应。空间翻滚实验表明:增益管相对于地面竖直放置时上下翻滚热效应最大,水平放置时热效应则较小。因此在进行惯导系统机械设计时,要使陀螺增益管安装方向尽量水平。 开机实验表明:(i)腔内存在水晶片时开机零漂趋势不规则;(ii)电子线路预热后开机初期零漂变化略微变小;(iii)采用第一类色散平衡后开机零漂有一定改善;(iv)采用稳光强模式后开机零漂有一定改善;(v)紧贴陀螺表面放置不同热性能材料开机零漂明显不同;(vi)陀螺屏蔽盒内部小环境热布局影响开机零漂热平衡时间。 高低温实验表明:(i)两种工作模式下零漂和温度间线性度有所区别;(ii)第一类色散平衡对改善高低温性能有一定局限;(iii)复杂磁环境会严重影响高低温性能;(iv)增加消应力孔会改善零漂震荡;(v)不同陀螺的和频和温度相关度不同;(vi)多元线性回归温度补偿法可改善高低温零漂性能。 这些实验现象对探讨如何优化陀螺设计来改善温度特性有重要参考价值。 另外,本文还对考虑左右旋模耦合作用下的四频陀螺有关公式进行了修正,并提出和探讨了一种辐射捕获效应修正方法和两种模耦合精细效应——粒子数脉动效应和椭圆度效应,这对丰富四频陀螺理论有一定参考价值,具体分析见附录。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V241.5

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