针对陀螺高精度小型化需求, 该文设计了一种微半球陀螺结构, 建立微半球陀螺三维有限元模型, 研究了微半球谐振子结构对称性对陀螺性能的影响规律。提出了谐振子圆度及1~4阶质量不对称误差的评价方法, 实现了谐振子制造工艺优化, 优化后的谐振子圆度误差≤2 μm, 在此基础上研制了微半球陀螺样机。结果表明, 封装后陀螺样机的周向品质因数(Q)值分布为(9.024~9.183)×105, 均匀性为±0.87%; 速率模式下, 陀螺量程为±20 (°)/s时, 陀螺零偏不稳定性为0.013 8 (°)/h, 角度随机游走为0.006 8 (°)/h, 展现了高结构对称性微半球陀螺的性能潜力。

基于立方星辐射计直接检波系统，设计并实现了中心频率分别为89 GHz和150 GHz的两款毫米波零偏置肖特基检波器。检波器设计基于ACST的零偏置肖特基二极管。为了获得稳定、优越的性能以及较好的宽带特性，并易于与前级系统集成，更适于立方星辐射计小型化，在直流接地电路与输出电路处采用扇形线结构，并通过一段可调传输线对其端口阻抗进行优化。本文对肖特基二极管及检波器电路结构进行了分析、建模和优化。测试结果表明，W波段检波器在85 ~ 95 GHz范围内具有2500 V/W的典型灵敏度，在89 GHz测试的线性度为0.9994。D波段检波器在145 ~ 155 GHz范围内的典型灵敏度约为1600 V/W，在150 GHz测试的线性度为0.9992。这些结果验证了改进电路结构在检波器设计上的优越性和在直接检波系统中应用的可行性。

微型半球陀螺采用静电激励和电容检测技术实现陀螺的振型控制及信号读取, 电容间隙的装配工艺是陀螺的关键工艺之一。该文对采用平面电极的微型半球陀螺装配工艺进行了探索, 并根据谐振子的结构尺寸计算了装配误差的控制范围, 设计了一种采用精密垫片实现微小间隙的装配方法, 该方法通过垫片的厚度控制电容间隙。对采用此方法装配的陀螺电容间隙进行测量, 并测试了封装后的陀螺性能, 结果表明, 电容间隙可控制在(12±3) μm。在力平衡模式下, 陀螺样机的零偏稳定性达7.3 (°)/h, 量程为±300 (°)/s, 验证了装配方法的可行性。

温度对微机电系统(MEMS)陀螺零偏影响较大, 是影响其测量精度的主要因素之一。该文通过温度循环试验, 建立了陀螺零偏与温度间的关系。采用多元逐步回归法和温度分段插值法建立了陀螺零偏温度补偿模型。试验结果证明, 两种方法均能准确地反映陀螺零偏随温度变化的情况, 且温度分段插值法可以消除明显的趋势项。与多元逐步回归法相比, 补偿后全温零偏误差的峰-峰值由0.025 (°)/s减小到0.015 (°)/s, 全温零偏稳定性由32.9 (°)/h提高到14.2 (°)/h。

针对在单目视觉-惯性同时定位与地图构建（VI-SLAM）初始化阶段, 初始转动较小导致加速度计的零偏和重力耦合难以估计, 同时初始化过程估计的尺度、重力向量等缺少细化, 导致初始状态估计精度低的问题, 并为了保证实时性, 该文提出了一种从粗到精的单目VI-SLAM在线初始化方法。该算法利用相机和惯性测量单元（IMU）几何约束进行相机-IMU旋转外参数的标定, 同时标定出陀螺仪零偏值; 通过预积分约束对重力向量、尺度等初始状态进行粗略估计; 引入重力矢量的切线空间对重力、尺度估计值细化, 同时估计加速度计零偏和速度; 最后通过基于滑动窗口的非线性优化对已估计的外参数进一步细化。实验结果表明, 该在线初始化方法提高了估计精度和估计收敛稳定性, 标定了加速度计零偏, 提高了VI-SLAM系统的定位精度, 绝对位姿误差的均方根误差平均降低11.7%。

从激光陀螺的锁区理论模型出发, 通过研究激光陀螺的锁区、综合背向散射以及光强信号之间的关系, 分析了光强信号中所包含的锁区信号的特性, 设计了滤波处理电路和信号提取算法, 通过多阶滤波、精确采样和坐标变换跟踪, 将光强信号中提取出的锁区信号进行控制, 抑制了综合背向散射, 充分发挥光学器件的性能, 可降低激光陀螺仪长时间工作产生的零偏漂移, 提高激光陀螺的零偏稳定性。

微机电系统(MEMS)陀螺仪具有体积小、精度高、应用前景广等优点。由于惯性器件材料的热阻值、热应力差异, 对应传感器输出会产生温度滞后效应, 严重影响了陀螺仪零偏稳定性。针对传统陀螺仪温度误差补偿法适应性较差的问题, 该文利用滑动平均算法(MAA), 提出了一种温度滞后零偏补偿模型, 在全温范围内对MEMS陀螺仪零偏进行补偿。实验结果表明, 补偿后陀螺仪工作温度在-30~+90 ℃变化时, 对应的零偏标准偏差从0.21 (°)/s降至0.02 (°)/s, 零偏稳定性提升了近1个数量级。

变温环境下, Shupe效应会对陀螺零偏产生影响, 建立线性模型对其进行补偿是工程中常用的一种辅助手段。首先分析陀螺输出漂移与温度的相关性, 然后以温度、温度梯度及二者高阶项、交叉项为自变量集合, 针对随着补偿模型自变量个数逐渐增加, 光纤陀螺补偿后输出漂移极差存在最低值的特性, 提出基于最优子集回归, 确定模型自变量数量, 建立多元多项式回归模型近似求解零偏输出与温度及其相关量的关系。实验与仿真结果表明, 当环境温度在-40~60℃变化时, 100s滑动平均处理后, 该模型使最终的漂移极差减小71.05%, 零偏输出减小94%, 有效地降低了温度对陀螺零偏的影响, 同时具有占用资源少、实时性好的优点。

为抑制谐振陀螺的偏振波动噪声,提出了一体化谐振式光纤陀螺设计方案。基于特殊设计的光子晶体光纤和单偏振光纤研制了一种混合型光子晶体光纤谐振腔,该谐振腔同时具有较高的偏振消光比和良好的温度稳定性;为减小谐振腔损耗,优化了光子晶体光纤的模场直径,使其与单偏振光纤相一致,因此二者熔接损耗可被控制在0.1 dB以内,进而得到谐振腔精细度为13.2;基于该谐振腔搭建了双闭环谐振陀螺系统。测试结果表明:双闭环谐振陀螺系统具有较小的偏振波动误差特性,在300 s积分时间内陀螺输出白噪声占主导地位,零偏稳定性达到0.25 (°)·h -1;在测量范围为-240~240 (°)·s -1时,双闭环谐振陀螺系统的陀螺标度因数非线性度为2.3×10 -4,性能较单闭环陀螺系统有明显提升。

保偏光纤环是保偏型光纤陀螺(FOG)的关键组成部分。偏振光在保偏光纤环内发生的二次偏振串扰在FOG干涉输出端会产生很多次干扰项引入相位误差，从而影响FOG的静态参数，如零偏稳定性。文章设计了一套实验夹具用于对保偏光纤环精准施压，通过控制两个夹具在保偏光纤的消偏长度内施压产生大量的二次串扰高点。测得光纤环的偏振串扰数据，并进行仿真计算得到零偏仿真值，与实际测试得到的零偏数据对比，理论仿真值与实际测试值一致。随着施压产生的二次串扰强度增大，FOG的零偏稳定性也随之恶化，施压产生的二次串扰点强度最大时,与未施压时相比，实验环1的零偏稳定性从0.006 3°/h恶化到0.015 1°/h，实验环2的零偏稳定性从0.012 5°/h恶化到0.017 1°/h。