数字调制谐振式光纤陀螺闭环检测方案的研究

谐振式光纤陀螺是采用环形谐振腔来增强萨格纳克（Sagnac）效应的，其数字闭环检测方案具有动态范围大，灵敏度高的特点。对于双频率数字调制的谐振式光纤陀螺，该文提出了两种基于数字信号处理芯片（DSP）实现的闭环检测方案，并利用Matlab软件对两种检测方案进行了全面的比较。     

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。     

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。     

谐振式光纤陀螺双光路调相谱最优参数确定方法

调相谱检测技术是谐振式光纤陀螺(R-FOG)角速率信号提取的关键技术,通过选取合适的调制参数,可大大提升陀螺的综合性能。利用相位调制频谱展开式,依据调相谱载波分量和调制信号的幅度关系,提出了双光路调相谱最优参数的确定方法,该方法在保证陀螺最佳灵敏度工作点的同时,有效地抑制了背向散射噪声的影响;在正弦波调相谱下,采用自外差法实测了相位调制器的半波电压,得到了调相谱载波分量与调制电压幅度的关系曲线,与理论分析相符;以长度为12 m 的保偏光纤熔接环为敏感谐振腔,直径为0.15 m,耦合系数为50%,进行了不同角速率的转动测试,得到了动态范围为480 ()/s、非线性度为3%的转动结果。     

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。     

谐振式光纤陀螺的系统分析

采用矩阵法从理论上推导了偏振误差所引起的陀螺零漂,利用计算机仿真进行了理论验证;其次针对谐振式光纤陀螺系统光源的选择进行分析,并通过实验验证光源线宽对光纤环谐振曲线的影响;最后,分析了光纤陀螺的检测方案以及光纤陀螺的发展趋势.从噪声因素、器件选择以及信号检测几方面对谐振式光纤陀螺系统进行分析,为谐振式光纤陀螺系统的构建提供了理论及实验基础.     

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.     

闭环方波调制谐振型光纤陀螺标度因子非线性分析

对采用方波频率调制的谐振型光纤陀螺(R-FOG)的闭环控制方案进行了分析.当光波频率偏离谐振中心频率时,R-FOG反射光强将出现方波强度调制信号,利用此误差信号可以实现R-FOG的闭环控制,将CW和CCW两束光的光波频率分别锁定为其谐振频率.两束光的闭环频率锁定分别通过激光器频率调节和频率偏置调制实现,锁定精度由控制系统的精度决定.对基于方波调制的闭环R-FOG的标度因子非线性进行了分析.分析表明,标度因子非线性受闭环频率控制精度的影响,影响的大小与谐振腔的谐振精细度相关.谐振精细度越高,频率控制精度的影响越大.对于50精细度的谐振腔,100 ppm的标度因子非线性要求频率控制精度优于1 113 Hz,而对于100精细度的谐振腔,对频率控制精度的要求提高为605 Hz.     

光纤陀螺调制相位噪声的研究

对ＰＺＴ光纤相位调制器的相位延迟稳定性及它给开环光纤陀螺带来的噪声进行了分析，通过改变环境温度，对这项噪声进行了实验研究     

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.     

谐振腔光纤陀螺信号检测方法的研究

谐振腔光纤陀螺(R—FOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。在谐振腔光纤陀螺系统中，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。光纤环形谐振腔是谐振腔光纤陀螺的核心敏感部件。采用两种频率的锯齿波组合调制，考虑激光器有限光谱线宽条件下，采用洛仑兹线型描写光纤环形谐振腔的输出光强表达式。针对输出光强与谐振频率偏差在靠近谐振点附近的近似线性关系，利用多次反馈频率操作来依次跟踪谐振腔光纤陀螺顺时针和逆时针光束的谐振点，从而避免了谐振频率偏差复杂的求根算法。仿真结果表明，多次反馈频率操作，可以较快地锁定到谐振点。     

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。     

影响谐振式光纤陀螺精细度的因素分析

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声,能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101,谐振深度由0.503 3提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.026 7%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。     

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。     

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%。