环形腔光纤陀螺中减小偏振噪声的方法研究

介绍了偏振态的概念，分析了光纤环形谐振腔的谐振特性，对环形谐振腔光纤陀螺中减小偏振噪声的几种方法进行了研究，这对抑制偏振噪声，进一步改善环形腔光纤陀螺的性能，提高陀螺的检测精度有一定的指导作用。     

环形谐振腔光纤陀螺中减小偏振噪声的方法

本文介绍了偏振态的概念，分析了光纤环形谐振腔的谐振特性，并对环形谐振腔光纤陀螺中减小偏振噪声的几种方法进行了探讨。对抑制偏振噪声，进一步改善谐振腔光纤陀螺的性能，提高陀螺的检测精度有一定的指导作用     

影响谐振式光纤陀螺精细度的因素分析

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声,能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101,谐振深度由0.503 3提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.026 7%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。     

谐振式光纤陀螺的系统分析

采用矩阵法从理论上推导了偏振误差所引起的陀螺零漂,利用计算机仿真进行了理论验证;其次针对谐振式光纤陀螺系统光源的选择进行分析,并通过实验验证光源线宽对光纤环谐振曲线的影响;最后,分析了光纤陀螺的检测方案以及光纤陀螺的发展趋势.从噪声因素、器件选择以及信号检测几方面对谐振式光纤陀螺系统进行分析,为谐振式光纤陀螺系统的构建提供了理论及实验基础.     

谐振式硅基集成光学陀螺的偏振噪声建模与分析

偏振噪声是谐振式集成光学陀螺的主要光学噪声源,其存在大大降低了系统的精度,为了定量化研究谐振式集成光学陀螺偏振噪声的产生机理,利用琼斯矩阵和光束传播法建立了谐振式硅基集成光学陀螺偏振噪声模型,该模型综合考虑了波导传输介质中的光偏振态交叉耦合、应力双折射等的影响,有效地逼近了实际的物理系统。基于上述模型得出了谐振腔内二氧化硅波导本征偏振态交扰与陀螺极限输出之间的表达式。对波导谐振腔内与偏振相关的3个因素:输入光偏振态、温度波动和波导保偏性能进行了仿真分析。并通过在输入端插入高偏振度起偏器的实验装置,有效验证了所建偏振理论模型受输入光偏振态波动影响的正确性。     

谐振式光学陀螺中的偏振波动及其影响

谐振式光学陀螺（ROG）是基于光学Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。根据矩阵法,得到ROG中偏振波动引起的系统零漂的解析表达式。利用该解析表达式,估算达到谐振式集成微光学陀螺系统中等精度要求所需的偏振匹配参数。通过实验,验证偏振控制器对抑制偏振噪声的效果。     

基于双频锁定的谐振式微光陀螺背散噪声抑制

经过十余年的发展,谐振式微光陀螺(RMOG)系统中的光学噪声依旧是制约陀螺输出精度的重要因素,其中背向散射噪声是谐振式微光陀螺系统中的主要光学噪声之一。本文首先分析了背散噪声产生机理,建立了谐振式微光陀螺系统背散噪声数学模型。其次,利用不同频率激光,将CW与CCW光路中的背散噪声与反向光信号的相干噪声信号移频至高频段并滤除,实现背散噪声抑制的方法。并利用双激光器双频锁定的方法进行了验证。实验结果显示,谐振曲线中背散噪声被有效抑制,从而使谐振式微光陀螺系统锁频精度提高了5倍,锁频精度达到6 °/h。     

谐振式光纤陀螺环形谐振腔的偏振问题

谐振式光纤陀螺(R-FOG)中,偏振波动引起的检测信号漂移对陀螺系统的检测精度有重要影响.通过矩阵法,分析系统中光纤耦合器不同偏振本征态(ESOPs)的耦合系数差异,与所引起的系统零偏的关系,得剑其与两个偏振本征态耦合系数以及光纤环形谐振腔参数间的解析表达式.利用该解析表达式,求解系统零偏为极值时,耦合器不同偏振本征态的最佳耦合系数;该最佳耦合系数仅与光纤环形谐振腔的损耗参数有关.通过Matlab软件进行数值拟合,得到不同偏振本征态耦合系数与系统零偏之间的关系曲线.从理论上建立耦合器耦合系数偏振相关引起的噪声模型.利用该理论模型,对已报道的R-FOG开环实验系统中偏振波动引起的系统零偏进行了估算.     

调制电压幅值及噪声对谐振式光纤陀螺零偏稳定性的影响研究

谐振环路背向散射噪声是谐振式光纤陀螺(resonator fiber optic gyroscope, RFOG)系统中的主要光学噪声之一。本文基于谐振环中背向散射噪声对陀螺输出误差影响的理论分析,对比不同调制波形和载波抑制路数的影响,得到最佳方案为三角波双路调制。基于该方案,建立陀螺零偏及零偏稳定性(bias stability, BS)误差与调制电压幅值及噪声关系的理论模型,结合直径0.1 m,光纤总长10 m,精细度24的陀螺参数,得到背向散射噪声导致的陀螺BS对调制电压变化范围与噪声幅值量化指标的需求,为特定精度的陀螺设计奠定误差分配和控制参数设计基础。     

激光器偏振特性对谐振式光纤陀螺性能的影响

激光器是谐振式光纤陀螺(RFOG)的重要组成部分,其光学噪声严重地限制了RFOG的输出精度。通过建立激光器偏振特性的数学模型,分析了激光器的偏振消光比、对轴误差和偏振本征态相位差对RFOG性能的影响,并通过实验验证了模型的正确性。此外,提出一种基于强度调制基频解调信号的方案,以补偿RFOG中非理想偏振态的振幅波动。实验表明,利用该方案可将非理想偏振态下振幅波动引起的陀螺输出波动减小12dB以上。     

硅基光波导谐振腔及其在陀螺传感中的应用

光波导谐振腔是谐振式光学陀螺的核心传感器件,其性能直接决定了谐振式光学陀螺的精度。为了提高谐振式光学陀螺系统的精度,分别对用于谐振式光学陀螺的核心器件透射式谐振腔和反射式谐振腔进行了研究。首先选择适用于谐振式光学陀螺的透射式和反射式谐振腔,然后对光波导谐振腔进行高精度温度控制,实验测试比较了反射式谐振腔和透射式谐振腔在谐振式光学陀螺中的背散噪声和偏振噪声,比较发现透射式谐振腔引起的背散噪声约为同品质因数反射式谐振腔的1/2,透射式谐振腔温度变化引起陀螺的偏振漂移均值约为同品质因数反射式谐振腔的1/3,最后分别搭建了基于透射式和反射式谐振腔的光学陀螺系统,测得透射式谐振腔陀螺系统和反射式谐振腔陀螺系统的零偏稳定性分别为0.021°/s和0.048°/s,最终确定了谐振式光学陀螺采用透射式谐振腔的方案。     

噪声在"光电微弱信号检测"课程中的应用

对于噪声中存在的微弱信号检测,需要采用专门的方法和仪器来抑制噪声。通过在课堂教学中有意识地介绍如何利用噪声来提取微弱信号,对丰富课堂教学内容,培养研究生正确的思维方法和创新意识起到了良好的作用。本文介绍了噪声在激光陀螺与开环光纤陀螺信号处理中的成功应用。     

高精度I-FOG光电转换的设计与实现

为了提高闭环干涉式光纤陀螺（I—FOG）检测精度,根据I—FOG的信号特征,说明了光电转换对陀螺后级信号处理的影响。详细分析了转换电路的噪声模型。基于微弱信号检测的方法,设计了应用AD8099实现的一种低噪声、高精度光电转换电路。经实验得到了优良的零漂、零偏、低噪声指标,可满足闭环I—FOG的实用要求。     

开环光纤陀螺的光源强度噪声抑制方法研究

光纤陀螺系统中的宽带光源会产生光源相对强度噪声,要提高陀螺性能就必须对其加以抑制.由于开环光纤陀螺使用正弦波调制,相对强度噪声不能直接由陀螺信号相减消除.针对基于正弦波调制的开环光纤陀螺系统信号差分电路放大的特点,设计了一种实现强度噪声抑制的新算法.经实验验证,该算法有效,可使开环光纤陀螺的随机游走减小18%.     

谐振式光纤陀螺调相谱检测技术中的光克尔效应

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。信号检测技术和系统中存在的各种噪声对系统的检测精度有着重要的影响。基于调相谱检测技术的谐振式光纤陀螺系统中,除顺时针(CW)和逆时针(CCW)光路传播的光强不均匀会引入非互易相位差,使系统出现零漂外,顺时针和逆时针光路的调制系数也会引入系统零漂。光克尔效应引入的系统零漂与系统的真实旋转在测量时是无法区分的,因此成为主要的噪声之一。通过光波场叠加原理,推导得到调相谱检测方案下的谐振式光纤陀螺系统中,光克尔效应引起的系统零漂的解析表达式。依据光克尔效应产生的零漂不随陀螺转速的改变而变化,利用简单的开环系统,对光克尔效应引入的陀螺零漂进行了测试。     

闭环光纤陀螺的建模方法

在设计基于光纤陀螺（FOG）的惯性测量单元之前,必须首先获得陀螺的传递函数模型,研究的目的就是寻求一种有效的FOG传递函数的辨识方法。本文分析了传统方法辨识闭环FOG传递函数的困难,然后提出了利用速率转台对地球自转角速度的调制分量作为陀螺输入来辨识FOG传递函数的方法,并设计了基于最小二乘法的正弦信号幅值和相位的检测方法。通过对国外某FOG模型的分析说明了该方法的可行性,并且该方法实施简单,能够克服白噪声对信号幅值和相位检测带来的影响。     

谐振式光纤陀螺频率跟踪失锁控制研究

针对目前谐振式光纤陀螺中存在的跟踪失锁问题开展研究,分析了频率跟踪失锁原因及机理,研究表明频率跟踪同步过程中的电流变化以及背向散射、偏振耦合等非互易性噪声引起的谐振峰对称性改变是导致尖峰脉冲和零偏变化的主要原因;随后,提出了基于半导体激光器温度闭环反馈的失锁控制方案,通过温度闭环实现激光器中心频率对光纤谐振腔单个谐振频率的长期跟踪同步,消除频率跟踪失锁引入的陀螺输出误差;对失锁控制总体技术方案、信号处理流程及实现方法进行了详细叙述;最后,成功搭建陀螺原理样机,对采用频率跟踪失锁方案前后的陀螺静态性能进行实验测试,测试表明频率跟踪失锁控制方案将陀螺输出脉冲幅值突变量从3000(°)/h降低到200(°)/h,陀螺输出零偏变化从600(°)/h降低到0,完全消除了频率二次锁定过程中的零位变化,陀螺精度大幅降低到4.9(°)/h(100 s平滑积分时间)。     

谐振式光纤陀螺调相检测分析

谐振式光纤陀螺（R—FOG）是新一代惯性旋转传感器的代表。在陀螺系统中，信号检测系统占有非常重要的地位，其检测精度的大小直接影响陀螺的分辨率，而解调曲线的优化能够进一步提高检测系统的灵敏度。利用贝塞尔函数展开和光波场叠加的方法分析了谐振式光纤陀螺调相检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系，系统采用的是带有铌酸锂相位调制器的相位谱检测技术。根据解调输出信号的解析表达式，通过数值计算，分析了解调曲线的变化规律，得到了施加在铌酸锂相位调制器上调制波形的最佳调制系数和相应的最佳调制频率范围，并进一步用实验系统验证了上述分析结果。     

谐振式光学陀螺数字锁频精度优化设计北大核心

环境温度等外界因素引起的互易性噪声极易改变谐振式光学陀螺中光波导谐振腔特性,对陀螺系统测试产生极大影响。利用高精度的激光频率锁定技术对陀螺系统中的互异性噪声进行有效抑制,提高了陀螺性能。根据谐振式光学陀螺系统工作原理,分析建立激光器锁频闭环回路模型,通过程控运算放大电路改变控制增益,优化激光器电流调谐的控制精度,实现了闭环回路锁频精度的提升与系统中的互异性噪声的抑制。通过搭建的谐振式光学陀螺系统平台测试得到,锁频精度可提高近一个数量级,最终成功将频率锁定精度提升至6.3°/h,陀螺长期零偏稳定性达到31.26°/h。     

谐振式光纤陀螺的误差及噪声分析

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope,RFOG)的性能是多种误差和噪声共同作用的结果。分析了RFOG主要误差与噪声的产生机理,建立了各误差与噪声的分析模型,结合具体陀螺参数,对误差和噪声的等效旋转速率进行了估算,对抑制误差和噪声的有关措施进行了数值量化。以RFOG零偏稳定性0.1°/h需求为例,为抑制背向散射噪声及背向反射误差,相位调制移频时顺时针和逆时针光波的载波强度残留水平之积需高于112dB;为抑制克尔效应,顺时针和逆时针方向的光强差需控制在3.86nW以内;地磁场方向不确定性引起的陀螺零偏稳定性约为0.7°/h。该工作为RFOG实验研究和工程设计提供了理论指导。