谱分裂对集成光学陀螺灵敏度影响

为寻求谐振式集成光学陀螺可实现灵敏度的优化,基于调频光谱原理,应用双频率组合调制的闭环控制结构,在对通过陀螺核心敏感器件谐振腔的结构参数优化、调制频率选择等措施实现决定于谐振腔谐振特性一阶微分最大值的最佳灵敏度情形的理论分析基础上,研究了谐振峰分裂对陀螺灵敏度的影响。相关实验表明,对于给定结构的谐振式集成光学陀螺,理论上的最佳参数,并不能保证理论最佳灵敏度的实现。通过双频率组合调制下无源环形谐振腔谐振特性的测量,发现了谐振腔谐振峰分裂现象,分裂程度随腔长增加而趋明显;谐振峰的分裂,导致透射谱展宽;透射谱展宽后一阶微分谱最大值的下降,将使陀螺灵敏度随之劣化。为应对这种劣化,需要对系统调制频率进行相应调整,并控制腔长,以抑制峰分裂程度,进而控制对陀螺灵敏度的影响。     

调频光谱分析在集成光学陀螺性能优化中的应用

根据调频光谱原理,在双频率调制、闭环谐振式光学陀螺中,核心敏感元件——无源环形谐振腔的谐振特性对陀螺灵敏度具有决定性作用;通过结构与功能对比可知,谐振式光学陀螺相当于将对具有洛伦兹型吸收谱的无源环形谐振腔进行微分吸收谱测量的光谱仪。调频、外差、相干检测和闭环控制等技术的综合应用,使得通过跟踪、锁定因萨格拉克效应导致的吸收峰偏移,实现对转动角速度高灵敏度和大动态范围测量成为可能;通过调制频率、腔长和耦合比的适当选择,可以优化陀螺实际实现的灵敏度。     

谐振式光纤陀螺空间光学谐振腔耦合效率分析与设计

谐振式光纤陀螺中光纤谐振腔为关键敏感器件,新型空芯光子晶体光纤具有高环境适应性和小弯曲半径等特性,有利于陀螺降低寄生噪声及小型化。针对传统熔接耦合损耗大问题,提出了基于球透镜的空间耦合谐振腔方案,分析了该谐振腔方案精度的影响因素,并给出腔内光纤耦合效率要求。根据矩阵光学理论和高斯光束传输特性推导了系统传输矩阵,并基于模场匹配法给出了系统耦合效率模型。根据导航级陀螺腔内光纤耦合效率高于87%的要求,将系统装配误差分解,完成了系统参数对装配容差的影响分析以及系统参数设计、优化及装调建议。空芯光子晶体光纤耦合误差验证实验表明,参数设计优化前后耦合效率接近,优化使得光纤径向和倾斜容差提高了约16%和100%,从而降低了装配难度,提高了系统稳定性。理论分析与实验验证基本吻合,为其工程化应用奠定了基础。     

谐振光学陀螺小型化半导体光源温控模块设计

半导体激光器以其窄线宽、驱动电路简单以及易于集成化等优势被广泛应用于谐振式光学陀螺 系统中。针对谐振光学陀螺小型化需求,设计了半导体激光器热电制冷器（TEC）温控模块。首先在 分析激光器管芯 TEC 模块传递函数特性的基础上,引入 PID 反馈模块,设计并确定合适的反馈参数。 结果表明补偿后闭环系统相位裕量为 76 °,增益裕量为 44.8 dB,具有较好的直流响应和动态性能,并 测得稳定工作时温度波动量小于 0.01℃。最后对激光器输出光学性能进行测试,中心频率漂移在 10 MHz 量级,激光器线宽为 3.1 kHz,结合谐振式光学陀螺的典型参数计算得到谐振腔精细度为 33, 极限灵敏度为 0.14 °/h。满足高性能谐振式光学陀螺中小型化光源的使用需求。     

激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响

谐振式光纤陀螺使用窄线宽激光器作为光源以得到较好的谐振特性,而激光光源线宽会受驱动电流、温度等的影响发生不同程度的展宽,从而影响标度因数。为探索激光器线宽对谐振式光纤陀螺标度因数的影响,利用光源与谐振腔的卷积模型建立陀螺谐振腔输出的解调曲线模型,基于该模型分析激光器线宽对陀螺谐振腔解调曲线斜率的影响,进一步得出激光器线宽展宽会非线性地减小标度因数的结论。完成了实验验证,并以半高全宽为300 kHz的谐振腔为例,给出了标度因数变化范围限制在1%以内时,激光器线宽需控制在3 kHz以内的结论。为谐振式光纤陀螺中激光器的选择以及驱动电路的设计提供了理论基础。     

谐振腔参数对激光陀螺性能影响的分析

谐振腔是构成激光陀螺的主体，其参数直接影响陀螺的性能，从激光陀螺基本误差理论出发，分析了谐振腔腔长、光阑、毛细孔孔径一致性、毛细孔与光轴相对关系等与陀螺误差的关系。利用激光陀螺的尺度定律 分析了两种典型腔长的激光陀螺，给出了分析结果。根据激光陀螺放电引起的陀螺误差关系及谐振腔振荡模式特性，研究了谐振腔放电毛细孔的加工误差及谐振腔光阑对激光陀螺的影响，给出了毛细孔、光 阑的设计准则，并根据高斯光束特性得出光阑背向散射系数的表达式。这对激光陀螺的设计具有重要的参考价值。     

激光陀螺腔长控制镜改进设计

腔长控制镜影响激光陀螺谐振腔的光束形状、光强等参数,是制约激光陀螺精度提高的重要因素之一.减少激光陀螺腔长控制镜的位移扭偏,提高腔长控制镜的环境耐受性,能够直接改善激光陀螺的性能.通过研究激光陀螺腔长控制镜的基本机理,分析了腔长控制镜单筋方案和双筋方案的典型结构和特点,给出了提高反射镜抗扭偏能力的设计方法,设计并实现了新型双筋腔长控制镜结构.改进的腔长控制镜仅由3种零件、2种材料构成.经过仿真分析和试验验证,设计的腔长控制镜可以有效抵抗反射面的歪斜扭偏,在-50℃~+70℃工作范围内,抗扭偏能力提高5~10倍,同时实现了低成本和高稳定性.     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振特性的影响

针对激光器光谱线宽不可能严格为零的问题,在激光相干理论的基础上,采用光波场叠加的方法计算了布里渊光纤谐振腔的循环光强,详细分析了激光器光谱线宽对布里渊光纤谐振腔谐振谱线宽度和精细度的影响,并进一步分析了光谱线宽对谐振腔受激布里渊散射阈值的影响,最后,引入了线宽压缩的概念分析了布里渊光纤陀螺的灵敏度。分析表明,除了耦合器插入损耗外,激光器光谱线宽也是影响精细度的重要因素,具体影响程度与激光器光谱线宽及谐振腔本征谱线宽度间的相对大小有关,受激布里渊散射阈值随激光器线宽的增加而近似线性增加,另外在其他参数相同的情况下,布里渊光纤陀螺的灵敏度比谐振式光纤陀螺高大约三个数量级。本文为布里渊光纤陀螺的光源选择及光路参数的优化设计过程提供了理论依据。     

干涉式集成光学陀螺关键技术及应用前景分析

干涉式集成光学陀螺仪利用光电子集成技术实现陀螺系统的芯片化,在实现高性能的同时,可实现批量化生产,满足低体积、重量、功耗和成本（SWa P+C）指标,在无人领域具有重要应用前景。根据干涉式集成光学陀螺的发展脉络及趋势,设计了基于氮化硅的低损耗波导环和单偏振波导谐振腔、异质波导集成耦合结构等关键部件,搭建了基于无源芯片与光纤环的干涉式集成光学陀螺实验样机,实现精度0.03°/h(Allan方差),为目前国内已有报道同类陀螺系统的最优精度。最后,给出了干涉式集成光学陀螺的应用前景分析。