谐振式光学陀螺中光源和谐振腔非理想特性影响研究

摘要

陀螺是用来测量角速度的惯性传感器，是导航和制导系统的基础部件。基于Sagnac效应的谐振式光学陀螺（ResonatorOpticGyroscope，ROG）是实现高精度陀螺微小型化和集成化的重要技术途径，相对于传统的干涉式光学陀螺来说，可以实现更小的体积甚至片上集成，相对于微机械陀螺来说，更抗振动，有更高的精度和稳定性。
　　高相干性光源和光学谐振腔，是谐振式光学陀螺中非常重要的关键元件。论文对上述两种关键元件非理想特性及对陀螺性能的影响进行了理论和实验研究。论文主要工作和创新点包括:
　　(1)在谐振式光学陀螺系统中提出并深入分析一个重要的噪声因素——激光器频率噪声通过交叉调制效应将对系统输出精度造成严重的影响，称之为交调噪声。分析结果表明，系统调制解调频率偶倍频尤其是2倍频附近的激光器频率噪声将在系统中引起交调噪声。对交调噪声进行了不同调制系数、系统参数、谐振腔结构下完整的理论分析。对于100kHz量级的激光器白噪声线宽，当使用最佳载波抑制比调制系数2.405来抑制瑞利背向散射噪声时，会产生10-3rad/s量级的角速度误差，这比系统极限灵敏度高约4个数量级。
　　(2)利用相位调制器施加正弦波相位调制和白噪声信号，建立了模拟激光器频率噪声的实验系统，对激光器频率噪声产生的交调噪声大小进行了具体测试，进一步验证了建立的交调噪声理论;结合实际RFOG系统，将四种不同白噪声PSD特性的激光器应用于实际RFOG系统，在RFOG输出端，成功观察到了交调噪声影响大小，测试结果与理论值较为一致。
　　(3)对光波导谐振腔谐振曲线不对称产生原因进行了分析和比较，包括背向散射、光克尔效应、偏振波动和耦合器正交模式损耗差异;结果表明，耦合器正交模式损耗差异是影响目前光波导谐振腔芯片产生谐振曲线不对称性的最主要因素;在使用正弦波相位调制来检测谐振腔谐振频率时，当谐振曲线具有不对称性时，两路光调制频率的差异会在陀螺开环输出中产生非零的偏置，不对称程度越大，调制频率的差值越大，开环偏置也越大;采用透射武谐振腔则能够完全抑制由单一耦合器正交模损耗差异导致的谐振曲线不对称性现象。
　　综上所述，激光器频率噪声在谐振式光学陀螺系统中产生的交调噪声进行分析、计算和实验测试。通过对谐振腔谐振曲线不对称性现象的分析和比较，发现在光波导谐振腔中，耦合器正交模损耗差异是影响谐振曲线不对称最重要的因素。从而为今后激光器和谐振腔的选择或优化提供理论和实验依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 谐振式光学陀螺的工作原理

1．3 谐振式光学陀螺背景和研究进展

1．4 谐振腔特性

1．5 交调噪声

1．6 本论文的意义和主要研究内容

2 激光器频率噪声影响分析

2．1 引言

2．2 单频窄线宽激光器的频率噪声特性

2．2．1 激光器频率噪声基本概念

2．2．2 激光器频率噪声对谐振式光学陀螺极限灵敏度的影响

2．2．3 激光器频率噪声的测量方法

2．3 交调噪声理论分析

2．3．1 交调噪声理论分析

2．3．2 透射腔系统中的交调噪声

2．4 交调噪声的分析

2．4．1 调制系数2.405时的交调噪声

2．4．2 调制系数1.08时的交调噪声

2．5 交调噪声实验验证和测试

2．5．1 激光器光源频率噪声特性的测量

2．5．2 采用正弦波相位调制模拟激光器频率噪声

2．5．3 采用白噪声相位调制模拟激光器频率噪声

2．5．4 不同线宽激光器交调噪声测试结果

2．5．5 交调噪声的部分特性

2．6 相位调制器的非理想调制影响

2．7 小结

3 谐振曲线的不对称现象研究

3．1 引言

3．2 RIOG中的谐振曲线不对称现象

3．2．1 谐振曲线不对称性的标定方法

3．2．2 背向散射导致的谐振曲线不对称现象

3．2．3 克尔效应和偏振波动导致的不对称现象

3．2．4 耦合器正交模式损耗差异导致的谐振曲线不对称现象

3．3 谐振曲线不对称时的解调曲线

3．4 谐振曲线不对称现象解决措施分析

3．5 小结

4 总结与展望

4．1 论文总结

4．2 进一步研究工作展望

参考文献

作者简历