谐振型光纤陀螺信噪比提升技术的研究

摘要

谐振型光纤陀螺(RFOG)是一种高精度的角速度传感器,与传统的干涉式光纤陀螺(IFOG)相比,RFOG使用更短的光纤环即可实现与IFOG相同的检测精度,因此在小型化和集成化方面具有明显的优势。但是谐振式光纤陀螺至今并未完全推广到实际应用中,其主要受限于陀螺输出信号的信噪比较低。本论文工作主要围绕谐振型光纤陀螺信噪比提升技术的研究展开。相关研究工作可以概括为以下几个部分:(1)阐述了RFOG中瑞利背散射噪声的来源以及其对陀螺输出的影响。理论上解释了两类瑞利背散射噪声的抑制过程。通过搭建自外差光路,调节加载到相位调制器上的调制电压幅度,准确测量了两路相位调制器的半波电压及最大载波抑制比。基于单相位调制方案进行了零偏测试,零偏测试结果表明,在两路相位调制器皆达到最大载波抑制比时能有效抑制谐振式光纤陀螺中的瑞利背散射噪声。并通过载波抑制观测实验,验证了在双相位调制方案下,两个分相位调制器的载波抑制比可以叠加。实验结果表明两种相位调制方案在单路具有相同载波抑制比下,双相位调制方案对调制电压精度要求更低。最后根据受激布里渊背散射和瑞利背散射的损耗特性的不同,通过搭建背散射观测光路,调节入腔功率观察信号光谐振谱谐振深度的变化,确定了入腔功率阈值,当入腔功率低于该阈值时即可保证腔内不产生受激布里渊背散射,实现受激布里渊背散射噪声的抑制。(2)在偏振噪声的抑制方面,基于琼斯矩阵光学理论建立了FRR(Fiber Ring Resonator)的偏振分析模型,并通过仿真模拟了FRR中偏振串扰对谐振曲线产生的影响。通过求解环形谐振腔内单次渡越传输矩阵的特征值,在理论上证明了环形谐振腔内单点90°和双点90°两种特殊熔接方案皆能提升FRR的温度稳定性减小腔内的偏振串扰。设计了一套测试系统能同时将环内单点90°熔接以及环内双点90°熔接与环内单点0°熔接的FRR对照,进行温度稳定性测试实验。温度实验数据表明与环内单点0°熔接的FRR相比,环内单点90°熔接的FRR温度稳定性提高了4645倍;环内双点90°熔接的FRR温度稳定性提高了247倍。分析了两种熔接方案在搭载反射式谐振腔的RFOG中抑制偏振噪声的可行性,分析结果表明腔内单点90°熔接是一种更优的方案。通过零偏测试实验,验证了单点90°熔接方案能有效抑制RFOG中的偏振噪声。(3)从提高陀螺系统的有效信号即放大腔内渡越信号光提升谐振曲线的谐振深度方面出发。在无源谐振腔中引入一段EDF构成有源腔,介绍了有源谐腔的工作原理并对其建立了简易的数学模型,基于该模型对有源腔输出的谐振曲线的特性进行了分析与仿真。然后分析了耦合器相关参数对有源谐振腔特性的影响,得出了实际搭建有源谐振腔时耦合器参数的选取原则。最后对手工搭建的有源腔进行了测试,实现了FRR输出谐振曲线的谐振深度从0.19到1之间连续可调谐的变化,谐振深度为1时精细度为32。该有源谐振腔相较于传统手工搭建的无源谐振腔在提升陀螺系统的标度因数方面存在巨大优势。基于以上研究基础,搭建了实验室陀螺样机,并对该样机进行了性能测试。测试结果为:样机系统标度因数为9.1732/(°/h),1小时内零偏稳定性为18.9°/h(积分时间为100秒)。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 谐振式光纤陀螺国内外研究进展

1.3 本文主要研究内容及章节安排

第2章 谐振型光纤陀螺的基本理论分析

2.1 光学Sagnac效应及FRR敏感角速度原理

2.2 FRR的传输原理及相关参数

2.2.1 FRR中信号光传输特性分析

2.2.2 FRR中背散射光传输特性分析

2.2.3 FRR的主要参数

2.3 谐振型光纤陀螺的信号检测原理

2.3.1 正弦相位调制解调技术

2.3.2 单路闭环检测技术

2.4 表征陀螺性能的参数

2.4.1 标度因数

2.4.2 极限灵敏度

2.4.3 零偏稳定性

2.5 本章小结

第3章 背散射噪声抑制技术的研究

3.1 瑞利背散射噪声的来源及其对陀螺输出的影响

3.2 瑞利背散射噪声抑制过程的理论分析

3.2.1 第一类背散射噪声的抑制

3.2.2 第二类背散射噪声的抑制

3.3 单相位调制抑制方案

3.3.1 自外差光路理论分析

3.3.2 基于单相调制方案的载波抑制观测实验

3.3.3 单相位调制方案下零偏测试实验

3.4 双相位调制抑制方案

3.4.1 基于双相位调制方案下的载波抑制观测实验

3.5 受激布里渊背散射噪声的抑制

3.6 本章小结

第4章 偏振噪声抑制技术的研究

4.1 偏振噪声的来源及其对谐振曲线的影响

4.1.1 R-FOG中偏振噪声的来源

4.1.2 FRR的偏振分析模型

4.1.3 偏振串扰对谐振曲线的影响

4.2 偏振噪声抑制方案的理论分析

4.2.1 环内单点90°熔接方案

4.2.2 环内双点90°熔接方案

4.3 抑制偏振串扰方案的实验验证

4.3.1 FRR温度稳定性测试实验

4.3.2 FRR零偏测试实验

4.4 本章小结

第5章 R-FOG中有源谐振腔的研究

5.1 有源谐振腔的工作原理

5.2 有源谐振腔模型建立

5.3 有源谐振腔特性分析

5.4 耦合器相关参数对有源谐振腔特性的影响

5.4.1 耦合器插入损耗对有源谐振腔特性的影响

5.4.2 直通端耦合系数对有源谐振腔特性的影响

5.5 有源谐振腔特性观测实验

5.6 本章小结

第6章 实验、总结与展望

6.1 谐振型光纤陀螺样机性能测试

6.1.1 样机系统的搭建

6.1.2 测试环境介绍

6.1.3 性能测试结果

6.2 总结

6.3 展望

参考文献

指导教师对研究生学位论文的学术评语

答辩委员会决议书

致谢