諧振式光纖陀螺關(guān)鍵器件研究.pdf

1、基于Sagnac效應(yīng)的光纖陀螺是一種高精度的慣性角速度傳感器，在導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域有著重要的地位。諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope，RFOG)以光纖諧振腔為核心敏感元件，短光纖的環(huán)長(zhǎng)就能實(shí)現(xiàn)高的精度，它是實(shí)現(xiàn)高精度和小型化光纖陀螺的重要途徑。
　　為了提高RFOG的檢測(cè)精度和線性動(dòng)態(tài)范圍，本論文對(duì)RFOG的激光器頻率噪聲、光纖諧振腔的偏振噪聲以及閉環(huán)檢測(cè)進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，主要的創(chuàng)新點(diǎn)

2、包括:
　　(1)高相干性光源是研制RFOG非常重要的關(guān)鍵元件，論文首次對(duì)可小型化半導(dǎo)體激光器用于RFOG的可行性開(kāi)展理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究了激光器頻率噪聲對(duì)RFOG檢測(cè)精度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，低頻處的激光頻率噪聲被搬移到了調(diào)制頻率上，并極大地影響了RFOG的檢測(cè)精度;采用激光穩(wěn)頻回路減小激光頻率噪聲影響，建立激光穩(wěn)頻回路分析模型，分析了環(huán)路參數(shù)包括環(huán)路（直流）增益、延時(shí)和低通濾波器等對(duì)激光器頻率噪聲的抑制作用;利用高清晰度光纖諧振腔

3、，建立一種在線測(cè)試激光器頻率噪聲的方法，并進(jìn)一步優(yōu)化了環(huán)路參數(shù)，最終把剩余激光器頻率噪聲減小到0.021Hz（1σ，10s的積分時(shí)間），它等效于0.07°/h的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，接近散粒噪聲決定的極限靈敏度。以上工作為解決RFOG光源小型化問(wèn)題提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　(2)針對(duì)長(zhǎng)期制約著RFOG穩(wěn)定性提高的偏振噪聲問(wèn)題，論文提出了2次90°偏振軸旋轉(zhuǎn)熔接的起偏諧振腔結(jié)構(gòu)，理論和實(shí)驗(yàn)表明，該起偏諧振腔能夠有效克服長(zhǎng)期制約著RFOG穩(wěn)定性

4、提高的偏振噪聲問(wèn)題，大幅提高該陀螺的溫度特性?；诃偹咕仃?，論文建立了起偏諧振腔諧振特性的分析模型;分析并實(shí)際測(cè)試了不同溫度下起偏諧振腔的諧振特性;將總長(zhǎng)為14米的起偏諧振腔應(yīng)用于實(shí)際RFOG系統(tǒng)，樣機(jī)角度隨機(jī)游走達(dá)0.083°/√h，零偏1小時(shí)穩(wěn)定性優(yōu)于1°/h;進(jìn)一步的溫度特性測(cè)試表明，當(dāng)光纖諧振腔溫度從36.2℃降低至33℃時(shí)（8分鐘時(shí)間），RFOG仍保持著穩(wěn)定的開(kāi)環(huán)輸出。以上研究表明，2次90°偏振軸旋轉(zhuǎn)熔接的起偏諧振腔有效抑制

5、了偏振波動(dòng)噪聲，極大地提高了RFOG的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這是國(guó)際上首次在變溫條件下測(cè)得的最好結(jié)果。
　　(3)通過(guò)改進(jìn)數(shù)字鋸齒波調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于相位調(diào)制器的高精度的等效移頻器，頻率分辨率為0.01Hz/LSB，移頻范圍為±1.25MHz;將上述等效移頻器應(yīng)用于RFOG，從而實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)檢測(cè)的RFOG系統(tǒng)，零偏1小時(shí)穩(wěn)定性為2.1°/h，接近于開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng);和開(kāi)環(huán)檢測(cè)相比，閉環(huán)RFOG具有更大的線性范圍和更低的標(biāo)度因素非線性度