諧振式光學(xué)陀螺信噪比提升關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)諧振腔具有品質(zhì)因數(shù)超高和模式體積極小的特點(diǎn)，因而在超高靈敏度的傳感應(yīng)用等方面受到廣泛關(guān)注并展開相應(yīng)地研究。作為諧振式光學(xué)陀螺的核心單元和高靈敏度傳感的良好載體，本論文對(duì)諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化開展研究。
　　基于Sagnac效應(yīng)，本文分析了諧振腔傳輸原理、諧振式光學(xué)陀螺工作原理，指出提高陀螺系統(tǒng)信噪比是獲得高精度陀螺的關(guān)鍵。然而，由于陀螺系統(tǒng)敏感機(jī)理及檢測(cè)原理，將諧振式光學(xué)陀螺推廣應(yīng)用還面臨多方面挑戰(zhàn)，包括:兩路光信

2、號(hào)間的頻率差十分微弱（通常在nV量級(jí)）、信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)烈依賴于系統(tǒng)的互易性等。這些挑戰(zhàn)集中體現(xiàn)在如何提高陀螺系統(tǒng)中的有效信號(hào)（即獲得更大的標(biāo)度因數(shù)）和如何抑制影響陀螺輸出指標(biāo)的主要噪聲，即強(qiáng)度噪聲、背向噪聲、偏振波動(dòng)噪聲等。本文面向高Q值光學(xué)諧振腔陀螺系統(tǒng)應(yīng)用，開展提升信噪比關(guān)鍵技術(shù)研究。相關(guān)研究?jī)?nèi)容可歸納為以下幾個(gè)方面:
　　1、分析并抑制了陀螺系統(tǒng)中光電器件引入的兩種強(qiáng)度噪聲。
　　針對(duì)半導(dǎo)體激光器的伴隨強(qiáng)度調(diào)制引入系統(tǒng)的強(qiáng)

3、度噪聲，提出二次諧波解決方案，測(cè)試得到該方案響應(yīng)時(shí)間小于0.1ms，強(qiáng)度調(diào)制范圍可達(dá)6mW，滿足陀螺系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)相位調(diào)制器的殘余強(qiáng)度調(diào)制，首次提出單相位調(diào)制器的解決方案并搭建測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試得到將殘余強(qiáng)度調(diào)制引入的系統(tǒng)噪聲降低至極限靈敏度以下。
　　2、理論和實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試了雙法拉第旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)陀螺系統(tǒng)中非互易性噪聲的抑制，大幅提高諧振譜線的對(duì)稱性。
　　針對(duì)諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)光路中存在的非互易性噪聲，首次提出采用雙法拉第

4、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)抑制方案，測(cè)試了該方案對(duì)陀螺系統(tǒng)中的背向噪聲、偏振波動(dòng)噪聲抑制性能，測(cè)試結(jié)果表明:
　　1)雙法拉第旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)與諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)具有較好的兼容性。雙法拉第旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有插入損耗低(0.51dB)，光路結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)格的互易性，滿足陀螺系統(tǒng)的工作需求。
　　2)雙法拉第旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可抑制諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)中的非互易性噪聲。建立了腔內(nèi)單點(diǎn)背散射模型，分析陀螺系統(tǒng)中第一類、第二類背向散射噪聲，提出回波抑制法同時(shí)抑制兩類背向散射噪聲，

5、實(shí)現(xiàn)112dB的高回波抑制比將背向散射噪聲抑制至極限靈敏度以下，打破了利用載波抑制法抑制背向散射噪聲的常規(guī)。利用瓊斯矩陣，建立雙法拉第旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偏振數(shù)學(xué)模型，分析陀螺系統(tǒng)中的偏振波動(dòng)噪聲，搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試得到雙法拉第旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)角為89.757°，偏振消光比為25.35dB，將偏振波動(dòng)噪聲抑制至極限靈敏度以下。
　　3、提出了基于摻鉺光纖作為增益介質(zhì)的有源諧振腔系統(tǒng)方案，搭建了有源諧振腔陀螺系統(tǒng)并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。