T型反馈网络在谐振式光纤陀螺频率锁定中的应用

谐振式光纤陀螺（R-FOG）的频率锁定是陀螺信号检测的关键技术,尤其在长时间的测试中,谐振频率的锁定稳定度决定了陀螺的输出性能。根据光纤环形谐振腔的传输理论,分析了其谐振特性及其一次谐波特性;搭建了R-FOG测试系统,采用正弦波相位调制解调技术实现谐振谱线一次谐波的输出;在分析由运算放大器构成的传统模拟比例积分（PI）电路的漂移误差源的基础上,给出了可以有效抑制漂移误差的T型反馈网络,应用到谐振式光纤陀螺的谐振频率锁定中,得到了较好的锁定效果,经Allan方差分析,谐振频率长时间（4000s）的锁定稳定度优于910-12。     

谐振式光学陀螺数字锁频精度优化设计北大核心

环境温度等外界因素引起的互易性噪声极易改变谐振式光学陀螺中光波导谐振腔特性,对陀螺系统测试产生极大影响。利用高精度的激光频率锁定技术对陀螺系统中的互异性噪声进行有效抑制,提高了陀螺性能。根据谐振式光学陀螺系统工作原理,分析建立激光器锁频闭环回路模型,通过程控运算放大电路改变控制增益,优化激光器电流调谐的控制精度,实现了闭环回路锁频精度的提升与系统中的互异性噪声的抑制。通过搭建的谐振式光学陀螺系统平台测试得到,锁频精度可提高近一个数量级,最终成功将频率锁定精度提升至6.3°/h,陀螺长期零偏稳定性达到31.26°/h。     

谐振式光学陀螺的改进型伺服控制器设计

谐振式光学陀螺需要使用激光器频率锁定技术实现其中一路的频率锁定,探测另一路的谐振频率。在实现激光频率锁定后,陀螺系统会受环境因素的影响在锁频环路中产生超低频漂移,传统的比例积分伺服控制器产生的增益不能够抑制该漂移。本文采用一路为传统的比例积分控制器,另一路为低通滤波器与积分控制器,两路共同作用形成新型伺服控制器进行激光器的频率锁定,提高锁频环路的低频增益,抑制锁频路产生的超低频漂移,通过仿真理论证明其可行性,并进行系统测试,测得锁频环路中的Allan方差值为0.005°/s,且锁频路基本无漂移。     

光纤环形谐振腔输入功率波动对谐振式光纤陀螺的影响

谐振式光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度惯性传感器。作为一种互异性噪声,光纤谐振腔输入功率的波动会造成陀螺的检测误差。首先,分析了光纤谐振腔输入功率波动产生噪声的机理。通过对不同输入功率下的谐振腔传输特性和陀螺解调输出的理论及实验分析得到了谐振腔输入功率波动引起的检测误差的表达式。当输入角速度为500（）/s、输入功率为0.69 mW时,0.007 5 mW的功率波动会引起5.26（）/s的检测误差。其次,研究了谐振腔输入功率波动对陀螺标度因数的影响。通过计算发现随着输入功率波动的增大,解调曲线的线性区将会发生扭曲,同时陀螺的标度因数非线性度会恶化,为谐振式光纤陀螺中输入功率波动噪声的估测提供了参考。     

F-P腔锁频压窄窄线宽激光器输出波长精度测试

基于谐振式光纤陀螺系统要求窄线宽、高稳定性激光输出以满足谐振信号频差检测要求,设计了两种不同光路锁频系统并搭建了测试平台,利用波长计实时监控窄线宽激光器锁频前后两种状态下波长的变化情况。对方案二设置两种不同的仪器锁频参数,分别对激光器输出波长的锁频精度进行监控分析,得到不同设置参数可导致锁频精度降低1倍。两种方案测试结果均为锁频后的激光波长变化幅度仅为锁频前的0.2倍,且曲线频率变化光滑平缓,很大程度地压窄了窄线宽激光器输出波长变化幅度,波长变化稳定性得到了很大改善,提高了锁定信息反馈的实时性。进一步实施窄线宽激光谱线的压窄以及PI电路对窄线宽激光频率的有效快速跟踪锁定提供技术支撑。     

R-FOG信号检测系统低通滤波器设计

设计了一种低截止频率、低FPGA资源占用率、高采样率的应用于谐振式光学陀螺 （Resonator Fiber Optic Gyro, R-FOG）数字信号检测系统中面向锁相放大器的低通数字滤波器。简化了滤波器的算法并进行了理论仿真和实验测试,结果表明该滤波器最低截止频率达到0.14Hz,采样率为40MHz,FPGA资源占用率降低至3%,阶数及截止频率调节方式操作简便,且幅频特性和相频特性优良。在谐振式光学陀螺信号检测系统中进行了测试,解调曲线零基准点稳定性明显提高。适用于以谐振式光学陀螺输出信号为代表的微弱信号检测系统。     

谐振式光纤陀螺调相检测分析

谐振式光纤陀螺（R—FOG）是新一代惯性旋转传感器的代表。在陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率，而解调曲线的优化能够进一步提高检测系统的灵敏度。利用贝塞尔函数展开和光波场叠加的方法分析了谐振式光纤陀螺调相检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系，系统采用的是带有铌酸锂相位调制器的相位谱检测技术。根据解调输出信号的解析表达式，通过数值计算，分析了解调曲线的变化规律，得到了施加在铌酸锂相位调制器上调制波形的最佳调制系数和相应的最佳调制频率范围，并进一步用实验系统验证了上述分析结果。     

谐振式光波导陀螺激光双重锁频技术

基于Sagnac效应的谐振式光波导陀螺具有理论精度高及易集成化等特点是导航及制导系统中重要的发展方向。由于波导腔的小型化发展趋势,现阶段光波导腔自由谱宽通常达到GHz以上,并且谐振腔的谐振频率会随温度变化而漂移,因此对激光器调谐范围提出较高的要求。当激光器调谐范围小于谐振腔的自由谱宽时,谐振频率漂移出激光器的调谐范围而导致陀螺失锁;而增大调谐系数时,会造成激光器控制精度的下降,这在陀螺应用中是互相矛盾的。本文提出了一种应用于集成化光波导陀螺样机的半导体激光器双重锁频的方法,解决了光波导谐振腔的失锁问题,并且在保证温度变化不失锁的前提下通过提升激光器控制精度,将锁频精度从7.22°/h提高到2.86°/h,完成了尺寸为Φ18cm×20cm的谐振式光波导陀螺的集成化,其1h长期零偏稳定性为0.0073°/s。     

谐振式光纤陀螺开环响应测试

谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应来测量载体旋转角速度的一种新型传感器.利用调相谱检测技术,建立了谐振式陀螺的开环响应测试系统.利用自行研制的锁相放大器和反馈控制电路,得到了线性度很好的解调曲线.从解调曲线的线性工作区可进一步得到系统的动态范围高达+4.2～-4.2rad/s.通过对顺时针和逆时针光路采用不同的频率调制,成功地观察到对应两个不同旋转方向的陀螺开环响应输出信号.最后,对系统的零漂进行了测试,在5s时间内观察到系统的零漂为0.02rad/s.     

An Open-Loop Test of a Resonator Fiber Optic Gyro

谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应来测量载体旋转角速度的一种新型传感器.利用调相谱检测技术,建立了谐振式陀螺的开环响应测试系统.利用自行研制的锁相放大器和反馈控制电路,得到了线性度很好的解调曲线.从解调曲线的线性工作区可进一步得到系统的动态范围高达 4.2～-4.2rad/s.通过对顺时针和逆时针光路采用不同的频率调制,成功地观察到对应两个不同旋转方向的陀螺开环响应输出信号.最后,对系统的零漂进行了测试,在5s时间内观察到系统的零漂为0.02rad/s.     

利用声光差频抑制集成光学陀螺背散噪声研究

研究了利用两个声光移频器间的差频抑制谐振式集成光学陀螺中的背向散射噪声.测试了声光移频器的输出特性,结果表明声光移频器输出功率随调制频率变化.测试并说明了两路声光移频器的功率不平衡会影响环形谐振器的谐振曲线深度和陀螺解调曲线的斜率,并最终导致陀螺的测量误差.实验中通过补偿声光移频器的输出功率,有效地克服了声光移频器功率带宽的影响,陀螺零漂从补偿前的0.28 mV降低为0.095 mV.     

新型混合式集成光学陀螺系统

提出了一种混合式集成光学陀螺系统结构。所有的无源光学器件在单一硅片上进行加工。光源和探测器等有源器件通过倒装焊的工艺进行键合。此种结构的主要优势是去除了外部的调制器,将陀螺系统的集成化提高到一个新水平。详细阐述了混合式集成光学陀螺的调制解调技术。系统的频率调节通过在激光器的输入电流上加载高频方波来实现。当陀螺旋转时,谐振腔内传输的两路光分离,输出呈方波形式,通过检测方波信号可以得到角速度的值。该研究对集成光学陀螺系统的研究有较大贡献。     

基于固定频率激光器的低成本闭环谐振陀螺系统仿真

提出了一种使用固定频率窄线宽激光器作为干涉光源的闭环谐振式光纤陀螺系统.该系统利用相位调制器对干涉光进行移频控制,完成对谐振腔逆时针方向谐振频率的跟踪和锁定.建立了陀螺系统Simulink模型并仿真研究了不同速率点下的陀螺输出特性,结果表明,±200(°)/s速率范围内逆时针谐振频率锁定时间小于15 ms,陀螺标度因数非线性为2.41×10-4.与采用传统频率可调谐窄线宽激光器的闭环谐振式光纤陀螺系统相比,两者锁频时间和标度因数非线性基本一致.该研究为低成本闭环谐振式光纤陀螺系统的实现提供了理论和数据支撑.     

谐振式光纤陀螺调相谱检测技术中的光克尔效应

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。信号检测技术和系统中存在的各种噪声对系统的检测精度有着重要的影响。基于调相谱检测技术的谐振式光纤陀螺系统中,除顺时针(CW)和逆时针(CCW)光路传播的光强不均匀会引入非互易相位差,使系统出现零漂外,顺时针和逆时针光路的调制系数也会引入系统零漂。光克尔效应引入的系统零漂与系统的真实旋转在测量时是无法区分的,因此成为主要的噪声之一。通过光波场叠加原理,推导得到调相谱检测方案下的谐振式光纤陀螺系统中,光克尔效应引起的系统零漂的解析表达式。依据光克尔效应产生的零漂不随陀螺转速的改变而变化,利用简单的开环系统,对光克尔效应引入的陀螺零漂进行了测试。     

谐振式光纤陀螺闭环锁频系统

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac 效应产生的谐振频率差来检测旋转角速率的一种新型光学传感器。利用闭环锁频系统可以减小光纤环形谐振腔受温度、应力等外界环境变化的影响,提高陀螺性能。提出了数字与模拟相结合的闭环锁频系统方案设计,克服了模拟锁频电路带来的电路温漂,采用模拟解调技术来降低了对系统A/D 转换器的转换速度的要求,同时无需对复杂数字解调算法的研究。闭环锁频系统应用于陀螺测试系统中,实验测得10 s时间内的锁频精度为2.15 ()/s。