谐振式微光学陀螺双路闭环检测技术及偏振波动噪声研究

摘要

基于Sagnac效应的谐振式微光学陀螺（Resonant Micro-Optic Gyroscope，RMOG）是高精度陀螺实现微小型化和集成化的重要途径，在微纳卫星姿态控制、微小型无人机等有着广泛的应用前景。已有研究表明，和温度有关的偏振波动噪声已成为制约RMOG精度提高的最主要噪声因素。此外，由于Sagnac效应是一种极其微弱的效应，如何在现有FPGA等数字信号检测平台上设计并研制出适合腔长为厘米量级的RMOG的双路闭环信号检测技术，具有十分重要的实际应用价值。基于上述研究背景，本论文从理论和实验两个方面开展了双路闭环信号检测和偏振波动噪声研究，旨在提高RMOG的检测精度。主要的创新点包括:
　　(1)在RMOG双路闭环信号检测技术上开展了创新性工作，论文提出在单个集成光学相位调制器上采用正弦波和锯齿波组合调制技术实现信号检测和移频，其中正弦波相位调制解调主要用于陀螺信号的检测，数字锯齿波驱动的相位调制器则作为移频器实现第二闭环，通过对上述组合调制技术的理论分析和实验测试，结果表明，采用组合调制技术后，数字锯齿波的台阶持续时间不再受到光在光波导环形谐振腔(Waveguide-type RingResonator，WRR)内的渡越时间的制约;结合实际数字检测系统中所使用的DA转换器的延时参数，分析了数字锯齿波幅度和台阶持续时间对相位调制器的移频性能的影响，结果表明，当数字锯齿波相位幅度为π且台阶持续时间等于DA转换器的上升时间时，能够获得最大的边带抑制比，此时正弦解调输出信号的误差最小;将上述双路闭环检测技术应用于腔长为厘米量级的硅基集成光学陀螺，1小时测试时间，激光器锁定回路的零偏不稳定性为0.1°/h，相位调制器锁定回路的零偏不稳定性为0.2°/h，表明研制的双路闭环RMOG具有较高的频率锁定精度;对比测试了单路闭环和双路闭环RMOG的线性动态范围，测试结果表明，±5000°/s范围内，双路闭环RMOG的线性度为99.994％，优于单路闭环的99.892％。
　　(2)论文从理论和实验两个方面开展了WRR偏振特性及对RMOG检测精度影响的研究。基于琼斯矩阵法建立了WRR的偏振特性分析模型，以反射式WRR为例，获得了WRR的偏振特性曲线，分析了入腔光波特性、腔内和腔外不同位置加入的起偏器对其偏振特性的影响。结果表明，在腔外加入起偏器时，WRR输出端增加的(Polarization ExtinctionRatio，PER)总是小于加入的起偏器本身的PER，只有在腔内加入起偏器时，输出端增加的PER才会大于加入的起偏器本身的PER;特别地，出腔端加入的起偏器有可能导致“谐振峰”反常现象的出现，在实际系统中应予以避免;提出采用单偏振光纤(Single-PolarizationFiber，SPF)耦合反射式WRR作为入腔/出腔端起偏器，腔内起偏器则采用45°倾斜光栅技术，采用SPF耦合后，WRR的PER从保偏光纤耦合时的10.69dB提高到18.9dB;腔内集成45°倾斜光栅后的WRR，测试PER大于26.5dB，并且具有较好的温度稳定性;对以SPF耦合的WRR的变温特性进行测试，实测偏振误差系数结果为2.14(°/s)/℃，和理论计算的1.8(°/s)/℃吻合较好。上述研究表明，采用SPF耦合WRR，能够降低RMOG中的偏振波动噪声。针对传统经验公式无法分析顺时针光波和逆时针光波非互易特性对RMOG偏振波动噪声的影响，对偏振波动噪声理论进行了修正;论文分析了在不同入腔光波PER、不同尾纤/光波导对轴角度误差、不同定向耦合器对轴角度误差以及不同的定向耦合器偏振相关耦合系数和损耗情况下，WRR反射端和透射端的偏振波动噪声情况;建立实际RMOG系统，对上述两个不同端口的偏振波动噪声进行了实际测试，验证了建立的理论，结果表明，不论是陀螺输出偏置本身的大小还是偏置稳定性，透射端口的偏振波动噪声都要小于反射端口。
　　在上述研究基础上，在硅基SiO2光波导上研制出直径为2.5cm、腔长为7.9cm、SPF耦合的WRR，测试清晰度196.7，谐振深度98％，其中测试得到的清晰度是目前硅基SiO2上公开报道的清晰度指标最高的谐振腔;采用正弦波和锯齿波组合调制技术建立双路闭环RMOG，1小时测试时间，RMOG的零偏稳定性为0.004°/s，进一步的陀螺摆动响应测试结果表明，研制的RMOG能够检测地球自转角速度，这是国际上第一个公开报道的能检测到地球自转的硅基氧化硅光波导集成光学陀螺。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 谐振式微光学陀螺基本原理

1．3 谐振式微光学陀螺的研究进展及存在的问题

1．3．1 研究进展

1．3．2 存在问题

1．4 本论文的意义和主要工作

2 基于正弦波和锯齿波组合调制的双路闭环检测技术

2．1 引言

2．2 基于相位调制器实现的双路闭环RMOG检测原理

2．2．1 正弦波和锯齿波组合调制技术

2．2．2 数字锯齿波相位调制实现移频

2．3 双路闭环RMOG性能分析

2．3．1 数字锯齿波调制对正弦解调曲线的影a向

2．3．2 锯齿波产生模块

2．3．3 相位调制器移频特性测试

2．4 双路闭环RMOG实验结果

2．5 小结

3 谐振式微光学陀螺偏振波动噪声分析与抑制

3．1 引言

3．2 光波导环形谐振腔的偏振模型

3．3 光波导环形谐振腔的偏振特性分析

3．3．1 腔外加入起偏器

3．3．2 腔内加入起偏器

3．4 谐振式徼光学陀螺中的偏振误差

3．4．1 基于反射式WRR的RMOG

3．4．2 基于透射式WRR的RMOG

3．5 小结

4 谐振式微光学陀螺性能测试及噪声分析

4．1 SPF耦合的硅基二氧化硅WRR

4．2 RMOG性能测试

4．3 RMOG中的光学噪声分析

4．3．1 瑞利背向散射噪声

4．3．2 光学Kerr噪声

4．4 小结

5 论文的总结与展望

5．1 论文的主要创新点和研究成果

5．2 进一步的研究工作

参考文献

作者简历以及在攻读博士学位期间所获得的科研成果