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。     

二氧化硅光波导环形谐振腔

利用宽角光束传输法(WA-BPM)对二氧化硅平面波导环形谐振腔进行了优化设计,详细分析了不同环形腔长度下,谐振腔清晰度与环形腔耦合器耦合系数的关系,并进一步分析了由光探测器散弹噪声所限制的谐振型光学陀螺极限灵敏度和环形腔光路参量之间的关系。在此基础上,在硅衬底上利用火焰水解化学掺GeO2的二氧化硅波导上制作成带输入/输出耦合器的环形谐振腔芯片。并通过实验测试了所研制的光波导环形谐振腔,其清晰度高达60,理论分析表明采用上述环形谐振腔研制的陀螺,其极限灵敏度可达1°/h。     

基于双频锁定的谐振式微光陀螺背散噪声抑制

经过十余年的发展,谐振式微光陀螺(RMOG)系统中的光学噪声依旧是制约陀螺输出精度的重要因素,其中背向散射噪声是谐振式微光陀螺系统中的主要光学噪声之一。本文首先分析了背散噪声产生机理,建立了谐振式微光陀螺系统背散噪声数学模型。其次,利用不同频率激光,将CW与CCW光路中的背散噪声与反向光信号的相干噪声信号移频至高频段并滤除,实现背散噪声抑制的方法。并利用双激光器双频锁定的方法进行了验证。实验结果显示,谐振曲线中背散噪声被有效抑制,从而使谐振式微光陀螺系统锁频精度提高了5倍,锁频精度达到6 °/h。     

谐振式光纤陀螺频率跟踪失锁控制研究

针对目前谐振式光纤陀螺中存在的跟踪失锁问题开展研究,分析了频率跟踪失锁原因及机理,研究表明频率跟踪同步过程中的电流变化以及背向散射、偏振耦合等非互易性噪声引起的谐振峰对称性改变是导致尖峰脉冲和零偏变化的主要原因;随后,提出了基于半导体激光器温度闭环反馈的失锁控制方案,通过温度闭环实现激光器中心频率对光纤谐振腔单个谐振频率的长期跟踪同步,消除频率跟踪失锁引入的陀螺输出误差;对失锁控制总体技术方案、信号处理流程及实现方法进行了详细叙述;最后,成功搭建陀螺原理样机,对采用频率跟踪失锁方案前后的陀螺静态性能进行实验测试,测试表明频率跟踪失锁控制方案将陀螺输出脉冲幅值突变量从3000(°)/h降低到200(°)/h,陀螺输出零偏变化从600(°)/h降低到0,完全消除了频率二次锁定过程中的零位变化,陀螺精度大幅降低到4.9(°)/h(100 s平滑积分时间)。     

微光学陀螺楔形谐振腔制备技术研究

Si基谐振式光学微腔陀螺以小型化、集成化成为未来姿态检测领域的发展趋势,其极限灵敏度主要取决于谐振腔直径D与品质因数Q值乘积,目前常见的硅基微腔直径为微米级,为了进一步提高极限灵敏度,实验中控制加工工艺减小反应过程中残余应力与表面粗糙度,制备出直径D为8mm、表面粗糙度小于1nm、Q值2.4×106的大尺寸硅基SiO2楔形谐振腔,可实现陀螺极限灵敏度达到55°/h,为芯片级、集成化的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础。     

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.     

硅基光波导谐振腔及其在陀螺传感中的应用

光波导谐振腔是谐振式光学陀螺的核心传感器件,其性能直接决定了谐振式光学陀螺的精度。为了提高谐振式光学陀螺系统的精度,分别对用于谐振式光学陀螺的核心器件透射式谐振腔和反射式谐振腔进行了研究。首先选择适用于谐振式光学陀螺的透射式和反射式谐振腔,然后对光波导谐振腔进行高精度温度控制,实验测试比较了反射式谐振腔和透射式谐振腔在谐振式光学陀螺中的背散噪声和偏振噪声,比较发现透射式谐振腔引起的背散噪声约为同品质因数反射式谐振腔的1/2,透射式谐振腔温度变化引起陀螺的偏振漂移均值约为同品质因数反射式谐振腔的1/3,最后分别搭建了基于透射式和反射式谐振腔的光学陀螺系统,测得透射式谐振腔陀螺系统和反射式谐振腔陀螺系统的零偏稳定性分别为0.021°/s和0.048°/s,最终确定了谐振式光学陀螺采用透射式谐振腔的方案。     

高品质因子聚合物可重构微环谐振腔滤波器

以聚合物ZPU-44和聚砜(PSU,polysulfone risi n)分别作为波导包层和芯层材料,采用倒脊形波导结构,设计并 优化了聚合物可重构微环谐振腔滤波器的波导截面参数、弯曲半径、耦合区波导长度和间距 以及调谐电极 等结构参数,分析了其谐振滤波特性。采用传统的微加工工艺制备了聚合物可重构微环谐振 腔滤波器并进 行了测试。结果表明,其在通信波段1550nm附 近的自由光谱范围(FSR)为0.15nm,3dB带宽约为0.0235nm, 品质因子Q达6.60×10⁴,在0~ 4V电压范围内实现了0.5~12.95dB消光比的调谐,且 谐振波长调谐一 个FSR的电压为4.75V,与理论设计基本 相 符。本文的聚合物可重构微环谐振腔滤波器可用于集成波导可调谐光延时线和可调谐滤波。     

可调谐氮化硅波导微环谐振腔滤波器研究

设计并制备了一种基于热光效应的集成可调谐氮化 硅(Si₃N₄)波导微环谐振腔滤波器,通过采用马赫-曾德干涉仪(MZI)构成的可调谐 耦合器控制耦合区耦合比,以实现滤波器消光比的调谐。设计并优化了微环谐振 腔的波导截面尺寸、弯曲半径和耦合区波导间隔等参数,并通过光刻、反应离子刻蚀(RIE )等工艺制备 了两种不同弯曲半径的Si₃N₄波导微环谐振腔。实验结果表明,本文器件在波长1550nm附近处的自由光谱 范围(FSR)为68pm,3dB带宽约为16pm,品质因子Q达到了9.68×10 4,消光比可调范围约为17dB。