本文综述了仿生飞行器多源信息融合与控制技术的研究现状和发展趋势。文章首先概述了昆虫和鸟类的导航与控制机制,揭示了它们如何整合视觉、嗅觉、地磁等多源信息进行导航,分析了其独特的飞行感知系统和信息融合反馈控制机制。随后,文章探讨了仿生飞行器多源信息融合导航与控制技术的研究现状,涵盖了飞行器多源信息导航技术、仿生飞行器动力学模型、仿生飞行器运动控制与导航定位技术,以及生物启发的分布式感知飞行控制技术。最后,文章展望了未来仿生飞行器导航与控制技术的发展方向。

精确制导弹药因其具有打击精度高、突防能力强、射程广等优势,已经成为了现代军事体系中不可或缺的组成部分,以微机械加速度计和微机械陀螺仪为代表组成的微惯性制导系统在炮弹精确制导中有着极其重要的作用。因此,如何使微惯性器件在高过载环境中正常工作已经成为了各科研院所和高校的重点研究方向。旨在系统地概述MEMS惯性器件在高过载环境中的需求及其技术挑战,并重点分析抗高过载技术的关键创新点和相关测试设备的最新进展。通过总结国内外研究现状,提出了未来抗高过载MEMS惯性器件及测试设备发展的主要方向,为该领域的技术进步提供了理论参考和实践指导。

MEMS惯性传感器是一种用于导航、定位与姿态测量的微型器件,主要包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计。然而由于器件结构、封装工艺、环境改变以及硬件电路等因素,传感器会出现零偏漂移,从而严重影响性能,因此零偏漂移补偿技术具有重要研究意义。首先介绍了MEMS惯性传感器的分类和基本原理,然后分析了零偏漂移的来源,主要来自频率裂解、封装应力、温度波动和电路相移等。综述了国内外零偏漂移补偿技术的研究现状,主要包括模态匹配、应力补偿、温度补偿和相位补偿,探讨了各方案的技术特点和优势。总结了目前的研究现状,并展望了未来的发展方向,对高精度MEMS惯性传感器技术的发展具有重要意义。

封装气密性直接决定着MEMS惯性器件的长期稳定性和寿命。从封装形式来看,相比器件级封装,晶圆级封装具有尺寸小、成本低、封装良率高等特点,已经成为MEMS惯性器件的主流封装形式。介绍了MEMS惯性器件晶圆级封装气密可靠性评价领域的研究进展,包括参数测量和寿命预测方法。针对气密封装关键参数的测量方法——漏率测量、压力测量和气体成分分析,详细介绍了其发展现状并做了优缺点比较。最后,对MEMS惯性器件寿命预测的方法进行了讨论。

石英谐振加速度计具有稳定性高、功耗低等特点,已成为惯性测量领域的研究热点。围绕当前制约石英谐振加速度计性能提升的标度因数和稳定性瓶颈问题,通过系统的理论分析,建立了谐振式加速度计结构模型,提出了具有差动式双对置摆组件结构的标度因数提升方案。通过多物理场耦合仿真优化参数,确定了加速度计芯片的最佳尺寸,并采用湿法腐蚀与精密机加工工艺实现芯片各部件制造及装配封装,初步研制出金属基集成式石英谐振加速度计工程样机。实验数据显示,样机量程为±3 g,尺寸为Φ25 mm×15 mm,标度因数达到348.33 Hz/g,零偏稳定性为57.78 μg,标度因数稳定性达8.42 ppm。测试结果表明,该微型化器件兼具高标度因数、小量程与高稳定性等特点,可为深空探测等精密航天工程提供新的惯性测量解决方案。

由于材料和制造工艺的限制,微机电陀螺容易受到温度的影响,由此产生的温度漂移严重限制了微机电陀螺的测量精度和进一步应用。提出了一种基于信号分解和神经网络的微机电陀螺温度补偿方法,该方法通过基于自适应噪声插值互补集合局部均值分解的信号降噪滤除随机噪声,再建立动态的门控循环单元神经网络模型补偿温度漂移,在有效降噪的同时提升了温度漂移模型的学习精度。验证实验结果表明,在-40℃~70℃的温度范围内,所提方法使微机电陀螺的零偏不稳定性从1.0406 (°)/h降低到了0.1228 (°)/h,角度随机游走从4.8309 (°)/h^1/2降低到了0.1587 (°)/h^1/2,有效地改善了微机电陀螺的温度性能。

陀螺仪作为角速度测量的核心传感器,其微型化与高精度化对智能导航与精密制导领域至关重要。针对传统微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)陀螺仪噪声抑制改进以及腔光力传感器与MEMS工艺兼容性仍有挑战的双重问题,提出一种新型集成架构,旨在通过协同设计双解耦腔光力系统与抗塌陷脊波导,解决腔光力传感器波导集成难题并提升性能。首先,采用双解耦结构降低驱动与检测模态的机械耦合,增强抗环境振动能力;其次,创新性设计基于硅基绝缘体(Silicon on Insulator,SOI)的脊波导,保留500 nm硅层并两侧刻蚀400 nm,保护二氧化硅层并防止塌陷,仅需电子束光刻(Electron Beam Lithography,EBL)结合干法刻蚀实现质量块释放,大幅简化工艺。通过有限元仿真与数值计算验证性能:陀螺仪角度测量灵敏度达318.7 mV/[(°)/s],角度随机游走(Angular Random Walk,ARW)为0.16 (°)/h^1/2;脊波导在1550 nm波长下传输效率达82.9%,端面耦合效率为46.3%。本研究通过解耦设计与波导集成工艺创新,为基于腔光力系统的高精度微陀螺仪提供了可扩展的集成化技术路径,在降低工艺复杂度的同时,展现出在导航与控制领域的应用潜力。

以提升基于玻璃-硅微加工工艺的导航级MEMS谐振梁加速度计工程应用精度为目标,介绍了抑制加速度计温漂、非线性和振动冲击误差的技术方案及样机性能试验结果。首先,研究了低温漂结构设计、低热应力封装工艺、温漂实验建模与补偿等温漂抑制技术,样机在-40~60℃范围下零偏稳定性与标度因数稳定性的均值分别达到4.3 μg和1.4 ppm。其次,通过将加速度测量改进为对谐振频率平方进行差分方式,样机在±20 g量程下的标度因数非线性均值降低至25.2 ppm。最后,基于有源阻尼技术实现了对敏感结构一阶模态扰动的有效抑制,显著提升了样机的抗振动冲击性能。

MEMS陀螺仪是用于测量运动物体角速度的重要惯性器件,特别是电容敏感型MEMS陀螺仪,因体积小、精度高、集成度高,广泛应用于消费电子与国防领域。为实现高精度角速度检测,设计实现了一种具有自时钟功能的MEMS陀螺仪驱动回路。首先通过电容读出电路将MEMS陀螺仪的动态电容信号转换为模拟电压信号,并经带通Σ-Δ调制器转换为数字信号。数字信号经处理后(包括稳幅PID控制)反馈驱动电压至MEMS陀螺仪,激励陀螺起振至稳幅稳频谐振。系统时钟由采用自锁定技术的锁相环生成。整体电路采用0.13 μm CMOS工艺设计,在典型仿真条件下,MEMS陀螺仪驱动回路闭环后,锁相环锁定时间即频率稳定时间为4.32 ms,驱动回路幅度稳定时间为154.1 ms,电容读出电路的输出幅度可以根据PID幅度控制回路的控制字稳定在不同的预设幅度。

加速度传感器是航空航天及国防装备惯性导航、振动监测的关键器件,其工作过程中可能面临高冲击过载导致功能失效。为了满足高冲击过载场合对微机电系统(MEMS)加速度传感器抗冲击过载能力的要求,设计了一种抗高过载电容式加速度传感器,采用“刚柔”结合的抗过载结构限位方案,具备刚性限位结构刚度大、可靠性强与柔性非线性限位结构不易崩裂、可吸收冲击能量的特点;分析了结构阻尼及模态分离比,对关键尺寸进行多参数综合优化,进一步提升了面外抗冲击能力与检测灵敏度。性能标定与落锤冲击试验表明,敏感芯片封装后量程达到±20 g,分辨率为0.5 mg,灵敏度幅值线性度为0.067%,并可抵抗面内和面外3500 g的冲击加速度,具备良好的综合性能及抗冲击特性。

力平衡(FTR)模式作为微机电陀螺应用最为普遍的速率测量模式,其标度因数非线性误差显著制约了陀螺应用场景的拓宽。针对定直流变交流这一常规FTR激励方法受限于信号更新率与噪声的相互制约,提出了定交流变直流的FTR激励方式。首先搭建了基于定直流变交流激励方式的FTR速率测量控制回路模型,以此分析FTR速率陀螺两工作模态激励与拾取端信号的相位关系,继而设计了90°移相电路将驱动模态拾取端的稳定幅度信号转换为FTR反馈激励信号,最后进行了两种激励方式的性能对比。实验结果表明,相较于传统的定直流变交流激励方式,定交流变直流激励方式将标度因数非线性误差降低了82.84%,不对称误差降低了93.93%,两种激励方式的零偏不稳定性变化为7.32%,角度随机游走变化为17.57%。

随着陀螺仪品质因数的提升,MEMS陀螺仪的带宽性能限制了其在高精度、高动态领域的应用。针对超高Q值MEMS陀螺带宽极低的问题展开研究,首先对MEMS陀螺进行建模推导,接着基于传统力平衡控制环路设计带宽拓展算法,建立带宽拓展后系统的噪声模型,分析其主要噪声源并进行优化。测试结果表明,所设计的带宽拓展算法及优化方案适用于Q值为416k的超高Q值MEMS陀螺,相比于传统力平衡PI控制方案,可以在相同零偏不稳定性条件下将带宽从1.5 Hz提升至40 Hz,零偏不稳定性可达到0.4832 (°)/h,实现了带宽拓展并解决带宽与噪声性能相互制约的问题。

MEMS加速度计是一种基于硅微加工技术、用于测量加速度信息的惯性传感器,其接口电路的温度特性决定了整个传感器的性能。针对MEMS加速度计接口ASIC芯片全温条件下的零位输出漂移问题以及滞回特性问题,提出了三种温度特性优化方案。首先提出了阵列电容补偿方案,用于解决运算放大器失调、电容失配导致零位偏移所引起的温度特性问题;其次设计了低温漂带隙基准源,用于提供载波电平及共模电平;最后设计了三阶拟合数字温度补偿方案,进一步提高了输出精度。对该芯片进行测试,最终实测结果表明,在-45℃~85℃的温度范围内,MEMS加速度计三轴模拟输出漂移峰峰值分别为8 mg、12 mg、11 mg,补偿后可减小至2.8 mg以内,温度滞回误差均在2.5 mg以内;三轴数字输出漂移峰峰值分别为50 mg、22 mg、18 mg,补偿后可减小至6 mg以内,温度滞回误差均在0.5 mg以内。该研究为低温漂加速度计设计提供了技术支持和理论依据。

读出电路作为传感器系统的前端模块,是决定整个系统性能的关键部分。针对MEMS电容式陀螺仪的低噪声读出需求,采用180 nm CMOS工艺设计了包含驱动环路和检测电路的集成化读出电路。根据陀螺实际结构,使用Verilog-A构建了一种可以与CMOS读出电路进行联合仿真的陀螺传感器模型;基于斩波技术,设计了低噪声电容放大器,在降低低频噪声的同时实现了增益可调;对检测电路中的解调和滤波部分进行了集成化处理,精简了电路结构。仿真结果表明,在斩波频率250 kHz下,读出电路的输出噪声为50.5 μV,最小分辨电容为20 aF,动态范围达到了94 dB。

MEMS陀螺仪因其微机械结构与硅基材料的热敏特性,在实际应用中表现出显著的温度依赖性。为解决这一问题,提出了一种基于贝叶斯优化的自适应分段多项式拟合的温度补偿方法。该方法突破了传统多项式拟合在温度区间划分和参数优化方面的局限性,主要包含三个关键技术环节。首先,通过K均值聚类算法对温度变化区间进行数据驱动式的自适应划分;其次,在各温度区间内利用贝叶斯优化框架,同步求解最优多项式阶数与正则化系数;最后,通过引入L2正则化约束有效抑制了模型过拟合风险,并提升模型泛化能力。实验结果表明,该补偿算法使MEMS陀螺在-40 ℃~60 ℃宽温范围内的性能得到显著提升,零偏稳定性由补偿前的1.2 (°)/s提升至0.047 (°)/s,零偏不稳定性由0.0023 (°)/s降低至0.0016 (°)/s。

正交耦合是影响陀螺仪输出的关键因素。在双闭环MEMS陀螺仪启动过程中,环路控制参数对输出稳定时间有着显著的影响。实验发现,增大正交环路积分参数KIQ,使检测解调相位与检测轴实际相位对齐,可使陀螺仪启动后30 ms即实现零偏稳定。但在高低温下,检测Q值变化使检测解调相位偏离最佳值,会延长启动稳定时间。为此提出了一种正交校正固定配置与实时闭环相结合的控制方法,配置固定正交校正偏压,抵消固有正交耦合,从而减小启动初始时刻的正交耦合偏差量,显著缩短了闭环环路稳定时间,使得陀螺仪在-45℃~85℃温度范围内,即使KIQ参数较小或检测解调相位误差较大时,仍然可以快速启动,30 ms即达到稳定的输出状态,启动特性显著提升。

谐振式加速度计是一种新型加速度传感器,具有体积小、功耗低、精度高等优点。针对谐振式加速度计闭环自激驱动技术展开研究,通过分析谐振式加速度计的工作原理,完成敏感结构电学模型的建立及仿真。在完成包含低噪声运算放大器、非线性乘法器在内的前级跨阻检测单元和自动增益控制单元设计的基础上,进行了闭环自激驱动电路的搭建及仿真验证。仿真结果表明,闭环自激驱动电路在100 ms内完成了驱动信号的建立,PI控制器输出均值为3.076 V,波动幅值为209.2 μV。该技术为谐振式加速度计驱动电路的集成化设计提供了支撑。

设计了一种基于斩波技术的电容式MEMS加速度计开环检测电路,该电路可将加速度计感知的加速度信号转换为可被后续电路处理的电信号。电路采用全差分结构设计,提高了系统的共模干扰抑制能力,同时通过斩波技术应用有效抑制了电路噪声。该开环检测电路与电容式MEMS加速度计敏感机械结构协同工作,在0.18 μm BCD工艺下进行仿真,实现了±6 g的加速度检测量程,灵敏度为0.54 V/g,带宽为1.35 kHz。在1 kHz~1.35 kHz频率范围内,电路的输出噪声为10.59 μV,等效输出分辨率为19.61 μg,输出动态范围为109.71 dB,电路的总功耗为2.94 mW。

随着MEMS陀螺相关误差技术的发展,相位误差成为制约其成为高性能、高稳定性惯性器件的重要因素。针对相位误差导致正交误差耦合到角速率输出等问题,对控制电路相位误差进行建模推导,并提出抛物线插值法来识别补偿相位误差,通过不断迭代更新区间范围,寻找驱动电压最小值,从而达到识别和补偿的目的。相较于传统方法,该方法更加高效,适应陀螺闭环控制。实验结果表明,相位误差补偿后驱动幅值达到最小,角速率输出中的正交耦合误差被消除,标度因数性能被改善,角度随机游走保持不变,零偏不稳定性从0.762 (°)/h降低到0.117 (°)/h,有效解决了相位误差无法快速识别与补偿精度不高的问题。

编码孔径快照光谱成像(Coded Aperture Snapshot Spectral Imaging,CASSI)技术通过单次曝光压缩成像机制,实现空间与光谱信息的高效协同获取,突破了传统光谱成像技术依赖扫描机制、数据存储传输成本高的局限。本文系统综述了CASSI技术的硬件架构、理论模型及重建算法的研究进展。硬件设计部分探讨了系统架构的迭代优化与编码孔径设计对成像性能的提升。理论模型部分分析了单色散CASSI的物理建模方法并总结了理论模型的优化路径,强调了光学误差校正对提升重建精度的重要性。重建算法部分探讨了传统重建算法的性能瓶颈,进而引出近几年基于深度学习的重建算法的突破性进展。虽然深度学习在复杂场景重建与计算效率方面展现出显著优势,但其可解释性、数据依赖性及硬件适配性仍需进一步优化。最终本文为CASSI技术展望了在系统架构、硬件革新、算法框架以及嵌入式终端开发等多维度的发展趋势,推动其在航天遥感、生物医学、深空探测及实时导航等领域广泛应用。

调频连续波激光测距技术凭借其高精度的测距测速能力,在卫星编队飞行、航天器交会对接等宇航领域具有巨大的应用潜力,但激光器存在固有的非线性导致信号频谱展宽,制约了测量精度的提升。针对这一问题,基于半导体蝶形激光器提出了一种非线性校正技术及装置。通过对辅助干涉光路进行拍频生成特定相位点作为采样触发时钟,实现了对测量信号的重采样,抑制了信号的频谱展宽,进而实现了激光器的非线性校正。通过搭建光路系统装置对非线性校正技术进行实验验证,在100 m的测量范围内,实现了重复测量精度优于20 cm的指标。实验结果表明,在系统小型化的基础上,该技术能够有效抑制非线性导致的信号频谱展宽,提升了距离测量稳定性。

原子气室中惰性气体原子的弛豫时间是影响核磁共振陀螺仪性能的关键参数,长弛豫时间对陀螺仪精度的提升至关重要。针对核磁共振陀螺仪弛豫时间测量的问题,基于布洛赫方程给出了核自旋进动信号与驱动磁场之间的相位差与惰性气体横向弛豫时间的关系公式,并提出了通过正交鉴相测量惰性气体原子横向弛豫时间的测量方法,最终通过实验验证了正交鉴相测量横向弛豫时间的可行性,为原子气室横向弛豫时间测量提供一种新方法,为原子气室性能评估奠定了技术基础。