谐振式微光学陀螺系统设计

集成化、微型化是谐振式光学陀螺的发展趋势之一.通过分析在一定激光器线宽情况下,谐振式微光学陀螺(R-MOG)系统极限灵敏度和环形谐振腔光路中各主要参数之间的关系,得到环形谐振腔耦合系数与环形谐振腔损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要光学参数,使得系统的极限灵敏度达到最高.并且对实际设计的集成微光学环形谐振腔组成的R-MOG系统进行模拟转动的开环响应测试.为R-MOG系统的构建提供了理论及实验基础.     

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.     

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.     

CORDIC algorithm based digital detection technique applied in resonator fiber optic gyroscope

A digital detection technique based on the coordinate rotation digital computer (CORDIC) algorithm is proposed for a resonator fiber optic gyroscope (R-FOG). It makes the generation of modulation signal, synchronous demodulation and signal processing in R-FOG to be realized in a single field programmable gate array (FPGA). The frequency synthesis and synchronous detection techniques based on the CORDIC algorithm have been analyzed and designed firstly. The experimental results indicate that the precision of the detection circuit satisfies the requirements for the closed-loop feedback in R-FOG system. The frequency of the laser is locked to the resonance frequency of the fiber ring resonator stably and the open-loop gyro output signal is observed successfully. The dynamic range and the bias drift of the R-FOG are ±1.91 rad/s and 0.005 rad/s over 10 s, respectively.     

双路闭环谐振式微光学陀螺

通过建模仿真,从改善陀螺输出带宽以及提高互易性噪声抑制能力出发,对单路闭环谐振式微光学陀螺(R-MOG)和双路闭环R-MOG进行了分析研究。相比于单路闭环R-MOG,双路闭环R-MOG在抑制互易性噪声的同时,能较好地改善输出带宽,并进一步提高陀螺系统的线性度。在此基础上,搭建了双路闭环R-MOG的实验系统,并进行了陀螺零偏稳定性以及输出响应特性测试。实验结果表明,陀螺1h的零偏稳定性为0.53°/s,在±1000°/s转速范围内,陀螺系统的线性度为99.995%。     

谐振式光学陀螺中的偏振波动及其影响

谐振式光学陀螺（ROG）是基于光学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。根据矩阵法,得到ROG中偏振波动引起的系统零漂的解析表达式。利用该解析表达式,估算达到谐振式集成微光学陀螺系统中等精度要求所需的偏振匹配参数。通过实验,验证偏振控制器对抑制偏振噪声的效果。     

数字调制谐振式光纤陀螺中阶梯波复位误差的分析

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是采用环形谐振腔来增强Sagnac效应的，其检测方案可以分为开环和闭环，在电路实现上，根据相位调制器控制信号的不同，又分为模拟调制和数字调制。相比而言，其数字闭环检测方案具有动态范围大、灵敏度高的特点。在数字调制的谐振式光纤陀螺中，其阶梯波的复位高度V2π是否精确，会对旋转角速度的测量和标度因数的线性度产生影响。从理论上分析了不精确的复位高度V2π对系统的影响，指出不精确的V2π将使谐振腔中的交叉耦合电场和直通耦合电场之间不会形成最佳相消干涉，从而产生误差。利用探测器输出总电场的表达式，以双频率调制的谐振式光纤陀螺为例，对引入的误差作了定量的数值计算，最后给出了克服误差的几种方法。     

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。     

Resonator fiber optic gyro using digital serrodyne modulation

A resonator fiber optic gyro using digital serrodyne modulation for control the input lightwave frequency is proposed. In the system, phase modulators in an integrated waveguide circuit are used, instead of an acousto-optical modulator (AOM) frequency shifters with bulky shapes. With operating the signal digitally, it becomes easy to track the resonant frequency by the feedback with a higher accuracy. Errors due to nonideal digital serrodyne waveform are analyzed and are shown to be small enough. Performances of this system are experimentally demonstrated, under open-loop and closed-loop operation. The proposed scheme can implement the ways to reduce the noises without increasing the number of optical elements     

Rotation detection by optical fibre laser gyro with easily introduced phase-difference bias

An optical system for easy introduction of phase-difference bias to optimise the sensitivity of the optical fibre laser gyro is proposed. The preliminary test set-up has been constructed and tested. A detectable limit of rotation of 8.7×10?4 rad/s has been achieved.     

一种能有效抑制偏振态波动噪声的环形腔光纤陀螺

介绍了环形腔光纤陀螺的基本原理及影响其零漂的各种噪声，报导了一种能有效抑制偏振态波动噪声的环形腔光纤陀螺。该陀螺的谐振腔环是由带有光诱导及又折射光栅的保偏光纤构成。通过分析计算，其最大零漂限制在10~(-7)rad／s（0.02deg／hr），理论上能满足空间惯性导航系统的要求。     

高精度环形谐振腔的结构设计及优化

环形谐振器作为谐振式光学陀螺的核心敏感部件,其精细度的大小直接影响光纤陀螺的灵敏度,所以研究光纤环形谐振器的特性及其精细度是优化陀螺设计和制造及提高性能的关键.通过对比分析不同耦合器结构的耦合原理,系统分析了在一定激光器线宽的基础上,谐振式光学陀螺系统灵敏度和谐振腔光路中各参数的间的关系及耦合器耦合系数与各损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要参数.最终在同时考虑到谐振腔的高精细度和高Q值得前提下,得到当腔长尺寸为21.4 cm时,精细度达170,Q值为3.34107,此时,灵敏度为0.48 ()/h,并且,通过建立一个R-MOG闭环实验系统,对系统双路转动的闭环响应进行了测试,这为陀螺系统的构建提供了理论和实验基础.     

谐振式微光学陀螺中非连续频率调制特性研究

谐振式微光学陀螺（RMOG）中,方波频率调制的三角波实现形式消除了双频率锯齿波中复位时间与复位误差引起的输出光强波动。理论分析了三角波实现方波频率调制的过程中波形转折点引起非连续频率调制对输出光强的影响。仿真分析了不同调制频率偏置下调制波形转折点以及不同激光频率与谐振频率偏差对输出的影响。利用时域梳状滤波器对输出信号进...     

调相谱检测技术下光纤环腔的谐振特性

调相谱检测技术是谐振式光学陀螺信号检测的重要手段。根据贝塞尔函数展开与光场叠加原理,理论分析了光纤环形谐振腔的传输特性;搭建了谐振特性测试系统,采用LiNbO3相位调制,针对不同调制频率与调制电压条件下光纤环的谐振特性和解调曲线特性开展了实验,对实验结果进行分析,得到了调制频率、调制电压与光纤环形谐振腔谐振信号及解调信号之间的关系,实验结果与理论分析相符;并对调制过程中出现的谷裂现象进行了测试与分析,通过实验数据拟合,得到了产生谷裂现象的临界调制频率与调制电压值之间的关系。     

Design of Demodulation System of Interferometric Sensor Based on Labview

For the modified demodulation arithmetic of 3 × 3 coupler, the processing software built on the basis of Labview is able to demodulate asymmetric 3×3 coupler signal and do further spectrum analysis. It shows that the measured frequency ranges from 10 Hz to 1 000 Hz and phase range is covered by --10 rad～10 rad. The phase sensitivity is 0. 5 V/rad. This system is proved to show high resolution and wide dynamic range.     

谐振式微光学陀螺中相位调制非线性研究

通过在相位调制器上施加线性变化的调制信号来实现对光波频率的方波调制是目前谐振式微光学陀螺(RMOG)中普遍采用的调制方法。而实现理想的方波频率调制要求完全线性的调制波形,极大地增加了系统实现难度。研究了调制曲线非线性对谐振腔输出的影响,仿真计算了具有二阶和三阶非线性误差的调制曲线引起的谐振曲线偏移和畸变。分析了解调输出误差与调制曲线非线性度的关系。通过搭建RMOG实验系统,测试了实际产生三角波调制信号的高阶非线性系数以及陀螺输出的标度因数。实验验证了理论分析计算方法的正确性以及采用模拟三角波产生方法改善微光学陀螺中相位调制非线性的可行性。     

Sagnac光纤水听器锯齿波相位偏置技术

提出了Sagnac光纤水听器锯齿波主动相位偏置方案,分析了锯齿波2π复位误差对系统性能的影响。采用频率为94.05kHz,复位电压为10.84V的锯齿波对信号进行调制,将系统偏置在π/2附近。为抑制2π复位误差的影响,采用与锯齿波同步的脉冲信号控制模/数(A/D)转换器定时采样,采样结果就是所需的声音信号。实验表明,该系统在10kHz频率响应处信号幅度平均值为0.067rad,方差为3.08×10-5rad,信号幅度相对变化仅为0.046%,系统相位偏置十分稳定。     

数字调制的谐振式光纤陀螺

谐振式光纤陀螺是利用正反方向传播光波的谐振频差来检测旋转角速率的惯性传感器。由于模拟调制的方法无法达到较高的系统性能,提出了一种数字调制方法,此方法采用两种频率组合的阶梯波作为LiNbO3调制器的控制信号,对其进行数字调制。通过理论的研究和仿真,证明此种方法是切实可行的。     

Monolithically integrated resonator microoptic gyro on silicaplanar lightwave circuit

We report a novel configuration of resonator microoptic gyro (MOG), which is monolithically integrated on silica planar lightwave circuit (PLC) with countermeasures for noise factors. Optical ring-resonator gyros suffer mainly from polarization fluctuation induced noise and backscattering induced noise. We discuss eigenstate of polarization in the waveguide to clarify behavior of the former and propose a countermeasure with control of the waveguide birefringence. As for the latter, binary phase shift keying (B-PSK) with a special signal processing is proposed. Thermooptic (TO) phase modulation is the only one scheme to apply B-PSK in the silica waveguide, whose bandwidth is limited to ~1 KHz. To utilize the narrow bandwidth of the TO modulator effectively, we propose an electrical signal processing scheme and a modulation waveform to compensate the frequency response. By constructing an experimental setup, suppression of the backscattering induced noise is demonstrated, and the gyro output is observed with applying an equivalent rotation     

基于3×3耦合器的光纤陀螺信号解调算法

采用3×3耦合器构成非互易结构的开环光纤陀螺，具有灵敏度高、测量范围大等优点。信号检测在光纤陀螺系统中占有非常重要的地位，其解调精度的大小直接影响光纤陀螺的分辨率。根据使用3×3耦合器的开环光纤陀螺输出信号模型的特点，采用一种新的信号解调算法，可以准确解调任意动态范围的输入，克服在工作点附近灵敏度低的缺点，改善被测信号的精度。实验结果表明，算法能快速、准确解调被测物理量。