谐振式光子带隙光纤陀螺一体化方案（英文）

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案,设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统,并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60s零漂为2.45(°)/s,及1h长期稳定性为7.11(°)/s。同时,实现了对应陀螺输出±50(°)/s(积分时间10s)及±100(°)/s(积分时间10s)的模拟转速实验,验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性,为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。     

基于微光学结构的空芯光子带隙光纤环形谐振腔研究

光纤环形谐振腔是构成谐振式光纤陀螺的核心部件。提出了一种基于微光学结构的空芯光子带隙光纤环形谐振腔。建立了这种谐振腔的归一化传递函数模型,并且仿真分析了微光学结构参数与谐振腔特性和陀螺的极限灵敏度的关系。研制出基于微光学结构的空芯光子带隙光纤谐振腔的实验样品,完成了样品性能测试,在此基础上提出了下一步优化方案。研究结果为未来进一步研究基于微光学结构的谐振式空芯光子带隙光纤陀螺提供了理论和实验依据。     

谐振腔光纤陀螺光纤谐振环特性研究

对有限光源线宽情况下反射式光纤谐振环的响应特性进行了研究,得到了光纤谐振环各谐振特性参量的表示式.分析了特性参量与光源线宽和耦合器特性的关系,结合对方波调制谐振腔光纤陀螺极限灵敏度的分析,给出了设计高灵敏度谐振腔光纤陀螺光纤谐振环的要求和原则.进行了谐振腔光纤陀螺用光纤谐振环的实验研究,制作了适用于谐振腔光纤陀螺的高精细度和高谐振深度光纤谐振环.     

谐振式光纤陀螺偏振噪声分析

谐振式光纤陀螺（R～FOG）是第二代光纤陀螺,其性能受各种噪声因素的影响。为提高谐振式光纤陀螺的性能,对谐振式光纤陀螺的瑞利背向散射、克尔效应、磁光法拉第效应和偏振态耦合等各种噪声进行了分析,并提出了对偏振态耦合噪声的解决方法。在此基础上,得到保偏光纤环旋转90°对接的谐振腔优化结构。该结构可以有效减小谐振腔的偏振噪声和磁光法拉第噪声,且可改善陀螺系统的温度特性。     

谐振式光纤陀螺多激光器系统相对频率噪声抑制

设计了用于谐振式光纤陀螺系统中两个半导体激光器相对频率噪声抑制的全光纤光路外差式光学锁相环,建立并分析了陀螺精度需求和外差式光学锁相环关键参数的关系,同时对外差式光学锁相环全数字反馈控制环路进行了设计和仿真.通过实验对设计的系统进行性能验证.结果表明两个主从激光器的中心频率实现了参考频率源频率的锁定,且拍频激光中心频率相对于光纤环形谐振腔谐振频率偏离幅值减小了15dB.     

空芯光子晶体光纤谐振腔的设计与优化

光纤环形谐振腔作为谐振式陀螺的关键部件,其对频率的敏感程度决定了陀螺的性能.空芯光子晶体光纤作为一种新型光纤可以有效地抑制谐振式陀螺中的各种光学噪声,具有广阔的应用前景.采用光叠加法对空芯光子晶体光纤谐振腔各参数对谐振腔的Q值、陀螺灵敏度的影响进行了仿真.通过计算分析表明,当耦合器插入损耗为0.04,激光器线宽为60 kHz,光纤长度为10m时,存在一个最佳耦合系数0.123,使得陀螺灵敏度最小值为0.572 5°/h.     

锥形光纤激发盘腔光学模式互易性研究

光学谐振腔由于其高Q值特性,作为谐振式陀螺的核心元件,有望实现谐振式陀螺的小型化、集成化,但是非互易性噪声成为制约其精度提高的不利因素. 介绍了采用传统半导体工艺制备的盘型腔与熔融法拉制的锥形光纤组成的耦合系统. 当盘型腔在光纤锥区的不同位置进行耦合谐振时,将输入输出正/反对调,观察到输出透射谱发生偏差,谐振频率、耦合效率以及Q值均发生变化,即存在非互易性现象. 用Rsoft软件对锥形光纤倏逝场分布特性进行仿真,理论分析了非互易性产生的原因. 以此可抑制谐振式光学陀螺应用中由锥形光纤与谐振腔组成的耦合系统产生的非互易性噪声. 关键词： 光学谐振腔 锥形光纤 非互易性 谐振式陀螺     

Y波导温致半波电压特性对谐振式光纤陀螺的影响

针对基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺(resonant fiber optic gyroscope, RFOG)中Y波导调制器半波电压的温度影响,开展了Y波导温致半波电压特性对谐振式光纤陀螺影响的研究。建立了Y波导温致半波电压特性对基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统标度因素的影响规律模型,模型表明：Y波导调制器的温致半波电压特性会导致基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统的标度因素发生变化。搭建了用于宽谱光源的Y波导调制器半波电压测试系统,系统测试精度达1 mV。实验测试了全温范围内Y波导的温致半波电压特性在基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统中的影响,测试结果表明：Y波导调制器的半波电压与温度呈线性负相关;Y波导调制器的温致半波电压特性导致基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统的标度因素的最大相对变化误差为1 266.01×10^-6。     

高Q光纤环谐振腔陀螺角速度传感研究

模拟仿真了谐振式光纤环腔的透射谱线以及鉴频曲线,得透射谱线最低谷值对应为调制谐振点,鉴频曲线的线性区为陀螺的工作范围区,线性区中点对应谐振点,可作为标度因数最大值.为了实现谐振点的高精度锁频和稳频,设计了谐振式光纤陀螺角速率测定方案,使用比例积分反馈电路实施锁频,利用正弦波扫描窄线宽激光器(线宽小于1kHz)的压电转化模块,使激光器谐振腔长发生变化,从而改变其输出频率,对谐振光纤环腔随外界环境变化同时进行跟踪和锁定.利用线宽法测试并计算出光纤环形谐振腔的品质因数值为107,对比分析了光纤环腔在谐振点和非谐振点锁定情况下的光电探测实时输出,并通过转动测试,得到两种情况下锁定后陀螺的连续转动效果.计算了光纤陀螺系统理论检测灵敏度,结果表明:谐振点锁定后转动效果对应的陀螺输出电平值为锁定非谐振点转速电平值的3倍,验证了谐振式光学陀螺谐振点锁频的重要性.     

基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数测试

针对转台测试谐振式光纤陀螺标度因数时存在的测试精度受限于转台性能影响的问题,提出一种基于锯齿波等效输入的陀螺标度因数测试方法.通过在相位调制器上叠加锯齿波偏频信号用于模拟角速度输入,分析了实际转台输入和模拟角速度输入下谐振式光纤陀螺闭环传递函数,推导了偏频锯齿波信号参数与实际输入角速度的对应关系,理论证明了其技术可行性.搭建了基于锯齿波偏频的陀螺标度因数测试系统,对研制的陀螺样机进行了标度因数及非线性度测试,基于锯齿波偏频方法测得的陀螺标度因数与实际转台测试结果基本一致,且标度因数非线性度从0.42%优化到0.26%.研究表明基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数快速标定测试方法不仅可以精确测得标度因数,还可有效抑制转台振动等环境干扰引入的测量误差.     

混合结构的闭环光纤陀螺研究

提出并研制了混合结构的闭环光纤陀螺系统。详细分析了该系统的结构特点、信号检测方法以及反馈信号对系统的影响。该系统具有低损耗、长期低漂移特性。实现了３００ｄｅｇ．／ｓ的动态范围及小于３００×１０－６的线性误差。     

用于集成光学陀螺的波导谐振腔设计

给出了一种集成光学陀螺谐振腔的优化设计方案,在保证集成光学陀螺精度的同时更利于微型化。选用传输损耗为0.01dB/cm的硅基二氧化硅材料作基底,谐振腔内损耗仅为0.5dB,保证了谐振腔的高清晰度;采用准单模矩形波导结构,利用弯曲波导对一阶模的有效限制实现了光的基模传输,利于谐振腔的小型化;分析了波导的传输损耗、波导耦合器分光比对谐振腔性能及陀螺极限灵敏度的影响,得出波导耦合器分光比的优化参数,并仿真得到谐振腔的谐振清晰度达到70以上。在激光器线宽为30kHz,探测器响应度0.95A/W,积分时间为10s的条件下,系统的极限灵敏度为1.6°/h。     

平面环形谐振腔微光学陀螺结构设计与优化

提出具有高群有效折射率的双环级联作为核心元件的谐振式平面光波导陀螺结构, 基于光学Sagnac原理得到了双微环耦合谐振式光学陀螺理论灵敏度与群有效折射率的一般表达式和双环与单环陀螺系统的灵敏度关系, 并由耦合模理论方法得到了双环系统耦合器的两个透射系数对应的群有效折射率变化情况. 在环腔半径R₁=R₂=100 μm、环腔传输损耗系数t₁=t₂=0.95的情况下, 针对环与环之间耦合器和环与波导之间耦合器透射系数对群有效折射率的不同影响, 得到了最大群有效折射率的产生条件. 采用文中参数(R=100 μm, t=0.95)计算的单环谐振式陀螺灵敏度为(10⁴-10⁵)°/h, 而双环级联谐振系统理论灵敏度能够达到10 °/h. 该研究对微环耦合谐振腔在角速度检测上的应用有重要的意义.     

Performance comparison of slow‐light coupled‐resonator optical gyroscopes

We investigate the connection between group velocity and rotation sensitivity in a number of resonant gyroscope designs. Two key comparisons are made. First, we compare two conventional sensors, namely a resonant fiber optic gyroscope (RFOG) and an interferometric fiber optic gyroscope (FOG). Second, we compare the RFOG to several recently proposed coupled‐resonator optical waveguide (CROW) gyroscopes. We show that the relationship between loss and maximum rotation sensitivity is the same for both conventional and CROW gyroscopes. Thus, coupling multiple resonators together cannot enhance rotation sensitivity. While CROW gyroscopes offer the potential for large group indices, this increase of group index does not provide a corresponding increase in the maximum sensitivity to rotation. For a given footprint and a given total loss, the highest sensitivity is shown to be achieved either in a conventional RFOG utilizing a single resonator, or a conventional FOG.     

聚合物集成光学陀螺最佳耦合系数的研究

无源环形谐振腔(Passive ring resonator,PRR)是谐振式光学陀螺(Resonator optic gyros,ROG)的核心敏感器件,其光学传递函数的半峰全宽是决定陀螺标度因子的重要因素之一。根据多光束干涉理论,耦合系数将通过对反射式无源环形谐振腔的半峰全宽的作用而影响陀螺的标度因子。根据耦合模理论和调频检测原理,以标度因子最优为判据,推导了一般情形下耦合系数对标度因子的影响,论证了最佳耦合系数的存在与确定方法,并进行了仿真验证。结果表明,光纤陀螺中5%左右的最佳耦合系数取值不具有普遍意义,为较高波导传输损耗的聚合物集成光学陀螺结构优化提供一种新的思路。     

Nonlinear empirical mode predictive drift extraction on fiber optical gyroscope

The integration drift of inertial unit is a fatal error on navigation and attitude determination system. Many approaches have been developed to extract and eliminate it. A novel fiber optical gyroscope drift extraction algorithm was proposed in this paper to ameliorate the performance of fiber optical gyroscope by extracting the trend component as the compensation. In this algorithm, the attitude quaternion of stellar sensor and the output of fiber optical gyroscope were imported into a nonlinear empirical mode predictive algorithm to extract the drift component of gyroscope. Combing the advantages of predictive filter and empirical mode decomposition in nonlinear signal processing, our proposal is more precise in drift extraction and data approximation. Software simulation and hardware verifications on gyroscope were launched, in which the results had proven the capability of the algorithm.     

激光调制参数对光纤环型谐振腔光谱特性影响

谐振光学环型腔作为光学陀螺的核心敏感单元,其光学调制谱和与之对应的鉴频曲线的特性成为提高光学陀螺系统检测灵敏度的关键。为了研究光学陀螺的调制和鉴频谱线特性,优化陀螺性能,设计并搭建了实验测试系统,光纤环形谐振腔采用分光比为50∶50、直径17 cm的保偏光纤,总长2.2 m。使用直流高压放大器扫描窄线宽激光器（线宽小于1 kHz）的压电转化模块,扫描频率和电压分别选取20 Hz和1 V,使用模拟比例积分电路进行锁频并反馈给激光器的压电转化模块,使激光器的输出频率跟踪谐振腔实时变化。研究分析了光纤环型谐振腔在两种情况下所对应的透射谱和鉴频曲线:第一种情况为调制电压分别为2 V和4 V,对应调制频率从100 kHz到4 MHz变化;第二种情况为当调制频率为900 kHz,调制电压从2 V到10 V变化。通过实验,得到了不同调制参数下光学陀螺谱线的谐振深度、半高全宽、线性带宽、动态范围、品质因数、标度因数以及对应的锁频精度七种物理量的详细变化情况,并进一步得到了静态测试条件下三种陀螺的最佳调制频率及与之所匹配的调制电压。为进一步研究激光调制对光纤环型谐振腔光谱的影响提供指导。     

空间谐振式陀螺谐振腔的失调分析

为了克服平面谐振腔调节精度高、损耗大的困难,提出了一种新型空间谐振式陀螺的谐振腔结构。并利用光学变换矩阵和菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式建立数学模型,通过MATLAB仿真计算谐振腔各腔镜因失调引起的衍射损耗。计算结果表明当谐振腔边长为4cm,入射光束束腰半径为0.25mm时,凹面镜的曲率半径为0.397m,反射镜失调引起的衍射损耗近似为0,即失调对陀螺的性能没有影响。得到陀螺的极限灵敏度为1.54°/h。     

Frequency measurement study of resonant vibratory gyroscopes

In this paper, frequency measurement methods of resonant vibratory gyroscopes are studied. First, the working principle and dynamic output characteristics of the resonant vibratory gyroscope are introduced, which provide a theoretical analysis base to analyze the dynamic frequency output characteristic of the resonant vibratory gyroscope. Moreover, some relevant frequency measurement methods are introduced, a frequency measurement method based on dynamic output characteristics has been proposed for the purpose of investigating the modulated output signal of resonant vibratory gyroscopes. Finally, in order to verify the feasibility of the proposed frequency measurement method, resonator oscillator and dynamic frequency measurement experiments of the resonant vibratory gyroscopes are built. It is concluded from the resonator oscillator result that the designed and observed resonant frequency of the resonator have a good match, which shows the design of resonator oscillator is feasible. It is concluded from the dynamic frequency measurement result that correlation coefficient of output fitted curve is 99.95%, and the output characteristic of the gyroscope is linear frequency output, which shows the effectiveness of the proposed frequency measurement method.