基于PDH技术的短光纤谐振式光学陀螺

摘要

以总长为数厘米至数十厘米的光波导环形谐振腔为核心敏感元件的谐振式微光学陀螺（Resonant Micro-Optic Gyroscope，RMOG）在小型化和集成化上具有明显优势。受到目前低损耗光波导材料和制造工艺的限制，论文采用总长为数十厘米的短光纤环形谐振腔作为核心敏感元件，高频Pound-Drever-Hall(PDH)技术用于陀螺信号的调制解调，开展了短光纤谐振式光学陀螺研究。具体来说，主要包含如下研究内容:
　　(1)设计并研制了腔长为30cm、60cm的两种光纤谐振腔。实验测试结果表明，其中腔长为30cm、直径为4.77cm(2圈)的光纤谐振腔的清晰度最高可达1324;腔长为60cm、直径为4.77cm（4圈）的光纤谐振腔则有着较小的次偏振态，测试清晰度为145.6，在1mW探测激光功率下，以该短光纤谐振腔为敏感元件的谐振式光学陀螺理论灵敏度为0.33°/h。
　　(2)采用高频PDH技术作为短光纤谐振式光学陀螺中的信号检测技术。建立PDH技术相关理论，从解调曲线斜率最大化和改善激光器频率噪声抑制能力出发，结合实际短光纤谐振腔结构参数和FPGA数字信号处理平台，优化了调制系数和调制频率;和低频调制解调技术相比，优化后的高频PDH技术，理论上解调曲线斜率是低频调制的1.27倍，实测结果是1.23倍;基于MZI建立了激光器频率噪声功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)测试系统，测试结果表明，传统低频调制仅仅对DC-2kHz范围内的频率噪声有抑制作用，而高频PDH技术将频率噪声抑制范围扩大到了6kHz，同时噪声抑制能力也有较大改善。
　　(3)以腔长为60cm、直径为4.77cm的光纤谐振腔作为敏感元件，将优化后的高频PDH技术用于陀螺信号的调制解调，搭建了短光纤谐振式光学陀螺实验系统。测试结果表明，和低频调制解调技术相比，采用高频PDH技术后，谐振频率伺服回路锁定精度从低频调制解调方案下的4.32°/h提高到0.26°/h;1小时测试时间，陀螺Allan方差最低点从低频调制时的9.6°/h提高到8°/h。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 光波导谐振腔的研究进展

1．3 谐振式光学陀螺中的信号检测技术

1．4 激光器频率噪声

1．5 本论文的意义及主要工作

2 短光纤谐振式光学陀螺的工作原理及系统设计

2．1 谐振式光学陀螺基本原理

2．1．1 光学Sagnac效应

2．1．2 谐振式光学陀螺中的Sagnac效应

2．1．3 信号检测原理

2．2 短光纤环形谐振腔

2．2．1 谐振特性分析

2．2．2 短光纤环形谐振腔技术

2．3 短光纤谐振式光学陀螺

2．3．1 系统设计

2．3．2 灵敏度分析

2．4 小结

3 基于PDH技术的短光纤谐振式光学陀螺

3．1 引言

3．2 PDH调制技术

3．2．1 数学分析

3．2．2 参数优化

3．2．3 调制模块设计

3．2．3 实验测试

3．3 激光频率噪声抑制

3．3．1 激光频率伺服回路

3．3．2 激光器频率噪声PSD测试

3．3．3 激光频率噪声抑制效果测试

3．4 小结

4 实验结果与分析

4．1 短光纤谐振式光学陀螺实验系统

4．2 谐振曲线与解调曲线测试

4．3 频率锁定精度测试

4．4 陀螺输出测试

4．5 小结

5 总结与展望

5．1 主要研究成果

5．2 未来研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间所取得的科研成果和荣誉