为了提高陆用自主导航系统的精度和机动能力, 对高精度激光多普勒测速仪(LDV)在陆用导航领域的应用进行了研究。首先对分光再利用型LDV的结构和基本原理进行了介绍。在分析了自研的惯性导航系统(INS)和激光测速仪优缺点的基础上, 对高精度测速仪辅助惯导系统的行进间姿态矫正、动态LDV参数误差估计和实时误差补偿一体化技术进行了研究。理论上阐述了在惯性导航系统误差方程中引入速度可以实现行进车辆的对准和高精度的自主导航的可行性。动态跑车实验结果表明, 通过加入速度修正信息, 在没有停车的状态下, 跑车1.2 h, 惯导系统的导航误差从2000 m降至6 m以内。理论和实验证明, 通过在传统的惯导系统中加入高精度LDV的辅助信息, 可以大大提高陆用自主导航系统的性能。

以超连续谱激光器作为捕获光源, 首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统, 实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置, 采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换, 计算得到功率谱, 与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明, 捕获光束的功率为28 mW时, 光阱刚度达到1.3×10-6 N/m, 高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同, 超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势, 通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。

针对小型化激光陀螺捷联惯导系统(SINS), 建立了四种不同的温补模型, 分析和对比了包含高温、低温和变温三种不同温度模式下的温补效果。试验结果表明: 温度变化率是影响惯性器件误差的重要因素, 考虑温度和温变率模型的动态模型温补效果明显优于单纯考虑温度的静态模型。另外, 为了检验小型化SINS的稳定性以及温补模型与时间的关系, 5个月后再一次对其温度特性进行研究, 结果表明: SINS稳定性良好, 温补模型基本不受时间影响, 满足工程应用的需求。

栅格算法作为星图识别算法中的代表, 有着识别速度快、识别率高、导航数据库容量小的优点, 应用较广, 但其在构造恒星特征模式时存在需要选取临近星进行图像旋转的问题。为克服这一缺陷, 提出了一种基于旋转不变特征的星图识别算法。该算法利用模式识别类星图识别算法思想, 为每颗恒星建立一种与旋转无关的特征模式, 采用改进的 Hausdorff距离进行匹配识别。仿真实验结果表明, 基于旋转不变特征的星图识别算法对星点位置噪声与缺失星鲁棒性均优于栅格算法, 具有良好的识别效果, 但其识别速度与存储容量仍需进一步优化。

轴向陀螺漂移是影响单轴旋转惯导系统导航精度的主要因素。对于轴向陀螺漂移的预测, 提出了一种基于支持向量机的算法。利用初始对准12 h内系统纬度误差和温度变化量作为训练数据, 构造了以多项式、径向基、小波函数为核函数的支持向量机、最小二乘支持向量机、遗忘因子最小二乘支持向量机, 对比了它们用于轴向陀螺漂移预测的泛化性能。试验结果表明: 遗忘因子最小二乘支持向量机可有效地用于轴向陀螺漂移预测, 具有很高的预测精度, 极大地提高了单轴旋转激光陀螺惯导系统的导航精度。

基于惯导系统的误差传播特性和轴向陀螺对经纬度误差的影响规律，提出了精确校准轴向陀螺漂移的方法以解决在单轴旋转惯导系统中单轴旋转只能自动补偿与转轴垂直的陀螺漂移，不能补偿轴向陀螺漂移的问题。首先，介绍了单轴旋转惯导系统自动补偿的基本原理。然后，在静基座的条件下分析了轴向陀螺漂移、初始方位和姿态角误差、初始速度误差等对经纬度的影响规律。提出了一种利用经纬度误差作为观测量，采用最小二乘法对轴向陀螺漂移进行精确校准的新方法。最后，利用激光陀螺单轴旋转惯导系统进行了静态导航试验和跑车试验。实验结果显示，该方法对轴向陀螺漂移的辨识精度达到0.000 5 (°)/h，系统的定位精度优于1 nm/72 h。该方法能够有效地辨识轴向陀螺漂移，使系统达到较高的导航精度，具有很强的工程实用价值。

去除激光陀螺输出信号中的抖动信号是机械抖动偏频激光陀螺(MDRLG)信号处理电路的主要工作之一。文章对LMS算法中误差因子响应特性对LMS自适应抖动剥除效果的影响进行了研究。为改善抖动剥除效果, 在自适应抖动剥除算法中引入了带通滤波器, 并采用基于FPGA的激光陀螺自适应抖动剥除系统对误差因子采用带通滤波时的静态性能和动态响应特性进行了测试。试验结果表明, 误差因子采用带通滤波时, LMS自适应抖动剥除的收敛速度和收敛精度都要优于差分运算, 并且二者具有相同的动态频率响应曲线。

激光陀螺比例因子的修正量是其一项重要的误差源，为深入研究此修正量的实际大小，文章针对某型激光陀螺进行了理论计算及实验验证，得到了比例因子在不同腔频下的调谐曲线。实验数据表明，对比例因子精度要求不超过1×10-7时，则稳频的影响比较小，这对稳频电路的设计具有一定的参考意义。

为了提高激光陀螺的性能，提出利用光学抖动改善陀螺锁区的方法。研究了环形光路中背向散射对锁区的影响，理想状态下可以消除陀螺的零阶锁区。在微扰条件下对光学抖动下陀螺腔内的光路变化进行了分析计算，得到了使陀螺锁区达到最佳改善的理论光学抖动量并进行了实验研究。实验结果表明：光学抖动可以起到类似机械抖动加噪的效果，改善陀螺的零偏稳定性。