谐振式光纤陀螺小型化技术研究

摘要

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro，R-FOG)是一种基于光学Sagnac效应的高精度的惯性角速度传感器。相比于干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro，I-FOG)，R-FOG可以用更短的光纤达到与I-FOG相同的理论精度，因而在光纤陀螺的小型化和集成化方面具有一定优势。目前R-FOG还处于实验研究阶段，系统中的光电器件还处于分立状态，且体积较大，不利于系统的封装集成。本论文通过对R-FOG系统中光学及电学器件的小型化设计及研究，建立了小型化集成封装的R-FOG原型样机。本文主要开展了如下研究工作:
　　(1)完成FPGA数字信号处理板的小型化设计。该电路板的硬件部分包括2路并行高速14位AD、FPGA处理芯片、PROM存储芯片、40MHz固定输出有源晶振、6路高速14位DA，4路可放大至±12V运算放大电路以及电源管理模块。设计完成光电探测器的驱动电路，实现光电探测模块的小型化。
　　(2)建立了相位调制器残余强度调制（Residual Intensity Modulation，RIM）作用下R-FOG系统输出的基本数学模型，并通过仿真分析RIM系数和调制频率对系统的影响。在RIM效应的作用下，R-FOG系统的解调曲线会产生零点偏移，并且该零点偏移的大小会随RIM系数和调制频率的改变而改变，同时RIM效应产生的误差与正弦信号的调制频率有关，当RIM系数确定时，通过数值仿真可知，存在一组最佳的调制频率，能够使RIM效应引入的系统理论误差降低至0。
　　(3)通过理论推导和数值仿真分析了激光器频率调谐时光强度调制给R-FOG系统引入的误差。在激光器伴随强度调制的作用下，陀螺解调曲线会出现非中心对称现象，且线性度会随着伴随强度调制系数的变大而变差;对于环境因素引起的谐振腔谐振频率漂移，系统的标度因数会随着漂移量的变大而增大，从而在测量中引入误差，仿真结果表明该误差会随谐振频率漂移量的变大而变大，在输入角速度为2°/s、谐振频率漂移达到5FSR(FreeSpectrum Range，FSR)时，测量误差达到了0.29°/s。
　　(4)基于光学器件、硬件电路以及封装结构件的小型化选型及设计，建立了小型化集成封装的R-FOG原型样机，并对样机的标度因数非线性度、动态范围、零偏稳定性等性能进行了测试。在1s积分时间下，谐振频率伺服回路等效锁定精度为2.65°/h(1σ)，陀螺输出的零偏稳定性为89.1°/h;在163s积分时间下，陀螺输出的零偏稳定性优于13.6°/h(1σ);陀螺系统的动态范围为±84°/s，标度因数非线性度为0.354％。
　　以上研究成果为R-FOG小型化及强度调制噪声的研究提供了参考依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 谐振式光纤陀螺的研究进展

1．3 本论文的意义及主要工作

2 小型化R-FOG数字信号检测系统设计

2．1 谐振式光纤陀螺基本原理

2．1．1 光学Sagnac效应

2．1．2 基于正弦相位调制的R-FOG系统结构

2．1．3 正弦相位调制解调技术

2．1．4 谐振频率伺服回路技术

2．2 数字信号检测系统设计

2．2．1 正弦相位调制解调技术设计

2．2．2 谐振频率伺服回路设计

2．3 光电器件小型化设计

2．4 小结

3 R-FOG小型化硬件电路设计与实现

3．1 FPGA数字信号处理板的小型化

3．2 基于FPGA的R-FOG数字检测系统实现

3．2．1 正弦相位调制信号发生器

3．2．2 锁相放大模块

3．2．3 PI频率伺服模块

3．2．4 串口通信模块

3．3 光电探测器电路的设计和实现

3．4 小结

4 R-FOG强度噪声分析

4．1 相位调制器残余强度调制特性分析

4．1．1 理论推导

4．1．2 仿真分析

4．1．3 结论

4．2 半导体激光器伴随强度调制特性分析

4．2．1 理论推导

4．2．2 仿真分析

4．2．3 结论

4．3 小结

5 实验结果与分析

5．1 谐振曲线测试

5．2 载波抑制测试

5．3 解调曲线测试

5．4 谐振频率伺服回路性能测试

5．5 陀螺输出特性测试

5．5．1 动态范围及标度因数非线性度测试

5．5．2 未封装前零偏稳定性测试

5．5．3 封装后零偏稳定性测试

5．6 小结

6 总结与展望

6．1 论文的主要研究成果

6．2 进一步研究工作展望

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