基于双光束光阱的开环光力加速度传感理论与实验初步研究

论文摘要

惯性导航是一种自主导航方式,可以不依赖于任何外部信息支持而独立的完成导航任务,在军用与民用领域都有着广泛应用。加速度计与陀螺仪是惯性导航的核心器件。本文在对比分析了传统加速度计的优缺点基础上,针对基于双光纤光阱的光力加速度传感系统展开了初步的理论与实验研究。简单回顾了惯性导航技术的发展历程,比较了不同种类加速度计的原理和优缺点,重点分析了光力加速度传感技术的原理优势与前沿进展,指出了其高精度、小型化的发展潜力。简要介绍了光阱的基本概念,梳理总结了光阱力的常用计算方法,总结分析了光阱刚度的标定方法。详细介绍了光力加速度传感系统的基本结构,理论分析了测量带宽与分辨率,研究了加速度传感系统几种主要的噪声来源,在此基础上,分析了微球半径、密度、光阱刚度等参数对分辨率的影响,并对各参数进行了优化设计。针对液态光阱环境下微球快速装载的问题,设计并测试了具备自装载功能的双光纤光阱芯片。针对气态光阱环境下微球快速装载问题,提出了基于压电陶瓷的振动起支技术,分析了微球与起支板之间的粘附力构成和影响规律,研究了微球速度、加速度对起支捕获的影响,最终将振动起支技术与自装载双光纤光阱芯片结合,实现了空气中微球的快速装载。较为系统地总结了微球位移测量的常用方法与研究进展,比较了不同方法的优缺点。介绍了基于图像处理进行位移测量的典型算法,提出改进型的质心算法,并编制了微球位移解算软件,采用空间光学元件搭建了基于图像处理的微球位移测量系统,实验表明位移分辨率达到10nm。介绍了后焦面法测量微球位移的原理,首次在双光束光阱中利用微球侧向散射光进行后焦面法位移测量,创新地利用光束失准致微球运动的方法标定探测器的电压位移转换因子,系统的分析了微球半径、束腰间隔、物镜数值孔径对位移测量的影响规律,实验表明位移信号测量噪声可以降至(?)以下。提出了基于微球后向散射光相位干涉测量的微球位移测量方法,采用光纤端面镀膜技术提升了干涉信号对比度,分别利用激光多普勒技术和相位生成载波技术解调出微球位移。提出了利用微球的前向散射激光耦合光强测量微球位移的方法,分析了测量原理和提升该方法分辨率的方法。搭建了基于双光纤光阱芯片的光力加速度传感系统测量系统,以石英挠性加速度计作为参考,通过实验测试了其性能参数。实验表明,微球的位移与输入加速度成正比关系,加速度计的标度因数绝对值最大为45μm/g,零偏稳定性为2.3 mg。利用Matlab可视化界面编辑了标度因数计算软件,分析了微球半径、折射率对标度因数的影响规律,并对系统参数进行了优化,标度因数提高到了247.82μm/g。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 惯性导航与加速度计

1.1.1 惯性导航概述

1.1.2 加速度计概述

1.2 光力惯性传感技术

1.2.1 基于光阱系统的光力惯性传感技术

1.2.2 基于微腔系统的光力惯性传感技术

1.3 论文研究思路与结构

第二章光力加速度传感系统的设计与分析

2.1 相关概念与理论基础

2.1.1 光阱概述

2.1.2 光阱力的计算方法

2.1.3 光阱刚度及其标定方法

2.2 光力加速度传感系统的结构与性能分析

2.2.1 系统结构简介

2.2.2 加速度传感原理

2.2.3 主要性能分析

2.2.4 系统参数对分辨率影响规律分析与优化

2.3 本章小结

第三章光阱中微球的快速装载技术

3.1 液态光阱环境中微球的装载

3.1.1 常见的液态光阱环境双光纤光阱

3.1.2 具备液态光阱环境自装载功能的双光纤光阱芯片结构设计

3.1.3 自装载性能测试

3.2 气态光阱环境微球的装载

3.2.1 振动起支原理

3.2.2 气态光阱环境单球装载实验

3.3 本章小结

第四章基于空间光学元件的双光纤光阱中微球位移测量方法

4.1 微球位移测量方法概述

4.2 基于图像处理的微球位移测量技术

4.2.1 测量系统

4.2.2 位移测量实验

4.3 后焦面法微球位移测量技术

4.3.1 后焦面法测量原理

4.3.2 测量系统与位移测量实验

4.3.3 后焦面法位移测量性能的影响因素

4.4 本章小结

第五章基于光纤元件的双光纤光阱中微球位移测量方法

5.1 微球后向散射光相位干涉测量技术

5.1.1 基本原理

5.1.2 干涉信号对比度提升方法

5.1.3 基于激光多普勒效应的微球速度和位移测量方法

5.1.4 基于PGC零差检测的微球位移测量方法

5.2 微球前向散射光耦合光强测量技术

5.2.1 测量系统

5.2.2 测量原理与实验

5.2.3 进一步讨论

5.3 本章小结

第六章光力加速度传感系统的性能测试与分析

6.1 液态光阱环境光力加速度传感系统测试与分析

6.1.1 实验装置

6.1.2 标度因数

6.1.3 稳定性分析

6.2 气态光阱环境光力加速度传感系统标度因数测试与优化

6.2.1 气态光阱环境测试实验

6.2.2 标度因数仿真与优化

6.3 本章小结

第七章总结与展望

7.1 主要研究工作

7.2 论文主要创新工作

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 熊威

导师: 罗晖,肖光宗

关键词: 加速度计,光阱,光纤,位移测量,小型化,标度因数,零偏

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 国防科技大学

分类号: TP212;TN253

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000043

总页数: 124

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