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。     

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。     

谐振式光学陀螺锁频偏差的消除方法研究

谐振式光学陀螺系统需要使用激光器跟踪锁定谐振频率进行角速度检测,但其所用的半导体激光器存在光功率波动问题,受到相位调制器残余强度调制的影响,会使系统的解调曲线中心点发生偏移,导致陀螺系统出现锁定偏差,输出路形成长期漂移,该文对此进行了仿真分析与实验测试,并通过标定光功率与解调曲线中心点的方式得到两者线性关系,实时检测光功率补偿陀螺系统锁频点,消除光功率波动引起的陀螺输出误差,在本方案下陀螺系统的零偏稳定性测试为80 (°)/h,且输出路无漂移现象,能够提升陀螺系统的长期工作稳定性。     

谐振式光纤陀螺角度随机游走的分析与优化

谐振式光纤陀螺(RFOG)是基于Sagnac效应产生的顺时针光路与逆时针光路的谐振频率差来测量旋转角速率的光学传感器。由于Sagnac效应极为微弱,RFOG常采用信号调制解调技术提高检测精度。首先介绍了基于正弦相位调制解调的RFOG的基本原理及衡量其性能的主要指标,详细推导了基于正弦相位调制解调的RFOG系统受散粒噪声制约的理论角度随机游走(ARW)的表达式,分析了调制参数包括调制频率和调制系数对理论ARW的影响。研究表明,在给定的激光功率及光纤环形谐振腔条件下,存在一组最佳的调制参数和解调相位,用于实现ARW的最小化。以直径为12 cm、总长为29 m、测试清晰度为14.7的光纤环形谐振腔搭建了实际RFOG系统,当调制频率分别为1 MHz、600 kHz、240 kHz时,测试得到的陀螺ARW分别为0.0124,0.0072,0.0052 (°)·h~(-1/2)。     

相位调制非线性对开环光纤陀螺工作点测量与信号解调的影响

在全光纤开环光纤陀螺中，利用压电陶瓷调制器可以为光纤陀螺提供互易性正弦相位偏置，但相位调制中的寄生非线性会对陀螺测量产生影响。从理论上给出了二倍频非线性相位调制情况下开环光纤陀螺输出信号的一、二、四次谐波表达式，分析了相位调制非线性对陀螺工作点测量与信号解调的影响，实验验证了相关结果。实验结果与理论分析表明在陀螺应用中必须采取措施抑制非线性相位调制的幅度。     

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。     

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。     

集成光学调制器在光纤陀螺中的调制特性研究

对高精度光纤陀螺(零漂>0.01(°)/h)中的核心光学器件——铌酸锂集成光学调制器在光纤陀螺中的调制特性及系统测试方法进行了探讨,对其应用及与光路其他各部分配合的技术进行了理论分析和实验研究。与此同时,对该器件在光纤陀螺系统中的特性研究建立了通用的测试系统。文中提出了集成光学调制器与系统匹配的问题。研究结果表明:铌酸锂集成光学调制器的光、电特性以及其电特性与系统的匹配对陀螺的性能发挥着至关重要的作用。     

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.     

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.     

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。     

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。     

谐振式光纤陀螺数字闭环系统锁频技术

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。利用数字调制、解调技术实现陀螺系统的闭环锁定,可以克服模拟电路的热漂移,使系统更加简单灵活。以谐振频率偏差作为研究对象,提出了基于一阶惯性环节的最简闭环锁定分析模型。利用该简化模型,对数字闭环系统中的频率反馈跟踪技术进行了研究,得到了在一定积分时间常数下环路的最佳增益系数,实现了环路的快速、稳定锁定,并在实验中得到进一步的验证。     

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.