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。

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。

利用光程倍增光纤陀螺的奇、偶时隙输出之间的相关性对陀螺零偏误差进行相关抵消处理。为了验证该方法的有效性, 将光程倍增光纤陀螺置于室温, 以100 s滑动平均, 其每秒输出的奇、偶零偏为-0.1°/h、0.08°/h, 利用相关抵消的方法处理后, 其零偏得以修正且零偏稳定性从0.008°/h提高至0.002°/h.该相关抵消的信号处理方法快速简便且有效, 为光程倍增光纤陀螺的精度优化提供了新思路.

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度, 本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真, 并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30 Hz/℃降为-1.5 Hz/℃, 与仿真结果-1.14 Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性, 设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂, 该电路测温灵敏度为96.25 mV/℃, 测量噪声约为0.000 2 ℃。实验结果表明, 采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法, 可使该硅微谐振加速度计的1 h零偏稳定性在常温下达到10 μg以下, 比改进前实验室获得的52 μg水平提升了80%, 满足了高精度加速度测量的要求。

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性, 使其满足更高精度应用场合的需求, 研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例, 对影响其零偏稳定性的主要因素: 机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析, 并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则, 优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试, 以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明, 4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移, 且零偏稳定性在6 (°)/h左右, 达到了中等战术级水平。

为了有效减小多轴光纤陀螺组合的功耗、体积和重量，实现光纤陀螺组合的微小型化，应用分时复用技术，提出了一种基于3×3耦合器，工作在850 nm短波长的光纤陀螺分时复用组合结构。分析了陀螺输出数据处理方法，得到了分时复用光纤陀螺组合的相对极限零偏稳定性。建立了分时复用光纤陀螺切换模型，揭示了分时复用导致光纤陀螺轴向切换必然存在一个过渡过程，分析了过渡过程对陀螺组合静态、动态特性的影响。结果显示，光纤陀螺组合的相对零偏稳定性是传感方法的2.1倍，最大输入信号检测带宽为1.1 kHz,标度因数的不对称性和非线性度均小于50×10-6。最后，通过仿真进行了实验验证，结果表明，该技术可以用于中低精度微小型多轴光纤陀螺组合中。

对传统方法中以抖动偏频量和抖动激励信号中的噪声强度来表示机抖激光陀螺抖动参数的方法进行了改进,以K参数和抖动幅度中的噪声强度来表示机抖激光陀螺的抖动参数,从而使不同抖动频率和注入效率的陀螺具有相同的比较标准。定量讨论了K参数与抖动幅度中噪声强度的大小对机抖激光陀螺零偏稳定性和角随机游走的影响。实验结果表明,当K参数取600-650之间、抖动幅度中的噪声强度取2%-3%之间时,机抖激光陀螺的零偏稳定性和角随机游走可以达到比较理想的状态。

针对实际系统中的单轴干涉式光纤陀螺仪结构与稳定性问题，提出将Lyot 消偏器引入到陀螺光学结构中，新结构在不改变原陀螺光路高精度特性的基础上，使系统输入极低偏振度的自然光，提高了单轴光纤陀螺的精度和稳定性。利用琼斯矩阵与干涉矩阵建立了单轴干涉式光纤陀螺的系统模型，对该陀螺的输出及零点偏移情况进行了仿真分析和实验研究。结果表明，该设计结构在提高了陀螺系统的精度与稳定性的同时，还在一定程度上降低了系统对光源偏振度的要求。

：零偏稳定性是评价光纤陀螺性能的一个重要指标，Y 波导的2π 电压准确度和电路中的交叉干扰大小在一定程度上决定了零偏稳定性。常用的方波调制在零转速附近对2π 电压的调整缓慢，导致2π 电压准确度无法保证，同时引入了较大的交叉干扰，在高精度陀螺中已经很难满足性能要求。本文提出的双方波调制解调方法，能够在任意转速下快速调整2π 电压，在零转速附近调整时间由方波调制的300 s 缩短到1 s，使陀螺在全工作温度范围内正常工作；同时，运用相干检测理论对方波调制和双方波调制的交叉干扰特性进行了深入研究，得到双方波调制可以抑制交叉干扰的结论，实验表明陀螺零位偏差由方波调制的0.22o/h 减小到0.06o/h，改善了陀螺的零偏稳定性。