基于调相谱技术的谐振式光纤陀螺检测电路数字化研究

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度的一种新型光学传感器.针对调相(PM)谱技术的R-FOG系统方案,研究了基于坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法的数字同步检测电路.通过单片可编程逻辑器件(FPGA)可同时实现调制信号产生、同步解调以及信号处理,从而使R-FOG检测系统更加稳定、灵活.对基于CORDIC算法的频率合成技术和同步检测电路做了分析和测试.将设计的数字检测电路应用于R-FOG系统,完成了陀螺转动信号的观测.     

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。     

闭环光纤陀螺方波调制失真的影响与消除

数字闭环光纤陀螺仪测量角速度时,采用方波调制引起的各种失真会对输出结果产生影响。基于傅里叶级数建立包含失真噪声的闭环光纤陀螺方波调制、解调信号模型,对各种调制失真引起的输出误差进行了仿真分析,并提出一种双极型归零脉冲方波解调方法,用于消除方波调制闭环光纤陀螺仪的输出信号误差。仿真结果表明:采用常规方波解调时,调制信号的相位失真、方波脉宽失真、谐波失真以及梳状噪声脉冲对光纤陀螺仪输出有很大影响,测量角速度相对误差可达1%量级。采用双极型归零脉冲方波解调时,上述调制失真的影响都得到有效的减小,陀螺仪测量角速度相对误差只有0.1%量级,降低了一个数量级,说明文中提出的双极型归零脉冲方波解调方法对提高闭环陀螺的测量精度和稳定性有重要意义。     

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)。     

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.     

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。     

声模式耦合速率陀螺

本文以陀螺仪为目的,描述了声场旋转的惯性效应来确定物体的角速度。我们采用了一种用来增加声质点速度和伴生哥氏力的声共振腔。两个垂直轴模式的“陀螺耦合”在驱动模式和谐振腔旋转产生的模式之间产生。由于过程中包括了粘滞和热力现象,“哥氏声压力源”仅分布于边界层内。计算清楚地表明,它能达到的灵敏度超过0.01°/s。充满空气和调到第一轴模式(0,0,1)的矩形谐振腔可测角速度的范围为0.01—100°/s,不确定性低于0.1°/s,且具有很好的线性度。     

二倍频调制对开环光纤陀螺工作特性的影响

开环光纤陀螺(FOG)常使用压电陶瓷(PZT)实现非互易性相位偏置,但相位调制中的非线性会造成工作点不稳定和Sagnac相位解调误差。本文对PZT二倍频调制和相位延迟导致的寄生调制信号进行了理论分析,进而提出在小角度Sagnac相移输入时利用二、四次谐波监控工作点,在Sagnac相移逐渐变大时利用一、三次谐波监控工作点;同时对比了相位延迟角为0°和90°所引起的工作点不稳定,采用较大相位延迟角可将工作点绝对误差降低到10-5水平,相位解调误差降低到10-5rad水平。     

光纤陀螺仪调制相位的畸变误差特性分析

干涉型数字闭环光纤陀螺中,多功能集成光学芯片(IOC)是非常关键的器件,其主要作用之一是相位调制,用于产生π/2相位偏置及产生补偿外部Sagnac相移的相位.由于IOC接收到的电场调制信号频率较高,存在多次谐波并且易受外部辐射干扰,从而导致调制相位畸变,对光纤陀螺的零偏和漂移有很大的影响.为了减小IOC调制相位畸变特性对光纤陀螺性能的影响,从理论上探讨引起调制相位畸变的因素,针对不同的误差因素而采取相应的措施来抑制并隔离误差;通过采取各种措施改善方波、阶梯波的信号质量,使IOC输出的相位畸变程度达到最小.测试结果表明,光纤陀螺中优化之后的相位调制系统满足高精度数字闭环光纤陀螺的指标要求.

Abstract：

Multi-function integrated optical chip (IOC) is an important component in the close-loop interference fiber optic gyroscope(IFOG)system. One of the main functions of IOC is the modulation of phase which includes the bias of phase in creating π/2 square waves and Sagnac phase biased by ladder waves in IFOG. Because the modulation signal of the electric field sent to integral optical chip has the characteristic of high frequency, there exists multiple harmonic waves and it is easily disturbed by external eradiation which induces modulation phase distortion and has great effect on drift and zero-bias. In order to reduce the effect of phase distortion of the integrated optical chip on the performance of FOG, focusing on the factors causing different phase errors in IOC, corresponding measures are taken to suppress and isolate the errors, adopting all means to improve the signal quality of square waves and ladder waves, reducing the modulation phase distortion to the lowest extent. The experimental results show that the optimized phase modulation system can meet the requirements of high precision IFOG.     

Open loop fibre optic gyroscope with phase shift nulling signal processing

A simple analogue phase tracking circuit for the fibre gyroscope is described. The system provides a linear output from an open loop gyroscope configuration over a range in Sagnac phase shift >+or-500 degrees Sagnac, with good linearity and relatively low noise and drift. The use of this demodulator in low-cost medium grade fibre gyroscope applications is projected.<>     

测地激光陀螺仪的倾斜角误差分析

测地激光陀螺仪是测量地球自转角速度的重要工具,为世界时(universal time,UT1) 解算提供依据。环境变化会影响测地激光陀螺仪光学腔的几何形状,从而影响陀螺仪的测量精度。本文主要针对由测地激光陀螺仪平面倾斜带来的陀螺仪萨格奈克(Sagnac) 频差之误差进行研究,结合基本误差理论、坐标系理论,推导出倾斜对陀螺仪旋转角速度影响的理论模型;利用艾伦方差法(Allan deviation,AD) 分析3个实验室的倾斜数据,并根据分析结果对原始数据作去噪处理;在此基础上使用时间序列法建立倾斜误差补偿模型,将倾斜造成的角速度误差降低一个量级,使输出的Sagnac频差更接近理论值。表明通过构建合理的倾斜误差补偿模型,可以改善陀螺仪输出数据的噪声水平,为陀螺仪进一步优化运行环境及相关数据的处理方法提供参考。     

空间用光纤陀螺辐射诱导磁场误差变化机理研究

干涉式光纤陀螺在空间环境下受粒子辐射、电磁场等多种物理场共同影响,使角速度输出误差劣化。文章通过分析光纤陀螺磁场误差主要来源,推导了光纤陀螺磁场误差模型。基于磁场误差模型探究辐射对磁场误差相关参数的影响,建立辐射诱导磁场误差变化理论模型。在此基础上,通过影响机理分析和实验验证,确定辐射主要通过影响维尔德常数和光纤应力双折射进而影响光纤陀螺输出零偏。进一步地,通过搭建小型化光纤陀螺样机,对保偏光纤环进行辐射处理并进行了相应磁场误差测试。测试结果表明,光纤陀螺磁场误差随辐射总剂量发生变化,其变化规律符合辐射诱导磁场误差变化模型。     

光源光谱对光纤陀螺偏振误差的影响

以采用Y波导集成光学调制器的保偏型干涉式光纤陀螺(IFOG)为研究对象,根据各光学元器件的参数,建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,通过推导得到了保偏型IFOG的偏振误差表达式。在此基础上,首次借助宽谱光源的光谱,仿真计算了不同形状的光源光谱对偏振模式耦合误差的影响。通过计算得出,当光路中其他参数不变时,对于形状相似的光谱,在光纤陀螺中带来的偏振误差相差约10-5 (°)/h;而形状相差较大的光谱带来的误差值相差较大,约10-2 (°)/h;在谱宽相差不大的情况下,光谱的平均波长在长波长处、近高斯形状的光源在陀螺系统中产生的偏振误差比平坦光谱小。这一结论对IFOG的光源选择有一定的指导意义。     

再入式光纤陀螺信号检测方法

文章提出了一种针对再入式光纤陀螺(Re - FOG)的信号检测方法,采用正负交替变化的脉冲波调制,使不同循环圈数干涉信号得到不同的相位调制,从而分离出所需圈数的干涉信号并解算出转速。实验测试了陀螺样机,分离了第一圈和第二圈干涉信号并由此测量到转速。实验结果表明:所提出的信号检测方法能够有效地测出陀螺转速;所研制的光纤陀螺的零偏稳定性优于4°/h。     

Analysis and observation of coupling ratio dependence of Rayleighbackscattering noise in a fiber optic gyroscope

Noise due to Rayleigh backscattering in a fiber-optic gyroscope is observed in quadrature with the Sagnac signal. This noise can be nulled by adjustment of the coupling ratio of the loop coupler and the state of polarization in the gyro loop. A rigorous analysis of the phases of, and the modulations applied to, the primary and scattered beams shows that no coherent Rayleigh backscatter noise should be detected on the Sagnac signal even with relatively coherent semiconductor laser sources     

消除萨尼亚克光纤电流传感器振动干扰的光纤补偿环研究

与传统电磁式电流互感器相比,基于法拉第效应的光纤电流传感器有许多明显的优点,因而获得了广泛的研究。萨尼亚克(Sagnac)环形电流互感器是在干涉式光纤陀螺结构上发展起来的一种互感器结构。外界环境的振动因素是抑制Sagnac光纤电流互感器的最重要因素之一。为了消除振动对电流互感器测量结果的影响,给出了一种新型的光纤电流互感器免疫方案,其基本原理是增加外部闭环线圈来补偿所受振动影响。利用琼斯矩阵对此种光纤电流互感器结构进行了详细的理论分析。理论分析及实验结果均能证明此种方案可以完全消除电流互感器在实际环境中所受振动因素的不利影响。为高精度Sagnac干涉式光纤电流互感器的实现提供了可行的解决方法。     

Differential singlemode fibre frequency-modulated continuous-wave Sagnac gyroscope

A differential singlemode fibre frequency-modulated continuous-wave Sagnac gyroscope is described. The gyroscope employs two Y-type fibre-optic directional couplers, two X-type fibre-optic directional couplers and a singlemode fibre coil to construct a time-division-multiplexed unbalanced fibre-optic Sagnac interferometer. The rotation velocity of the fibre coil is determined by measuring the phase difference between the two beat signals. Benefiting from the differential technique, this gyroscope can automatically eliminate the unexpected non-reciprocal phase drift (including the frequency drift of the light source) so that the accuracy and long-term stability can be significantly improved.     

基于角加速率的MEMS陀螺仪快速标定方法

微机电系统(MEMS)陀螺仪的非线性误差是影响陀螺仪测量精度的主要因素之一。针对角速率标定法难以获得陀螺仪连续输出的问题。该文提出了一种角加速率标定实验方案,介绍了用二次标定方法解算出陀螺仪的零位误差系数、刻度因子、交叉耦合系数及非线性误差项的具体步骤。与常规补偿模型算法比较表明,此方法可快速标定陀螺仪的误差参数,补偿后的MEMS陀螺仪绝对误差小于0.084(°)/s,线性度提高了1~2个数量级。