闭环光纤陀螺中铌酸锂相位调制器的附加强度调制及其影响

铌酸锂相位调制器是锯齿波调制闭环光纤陀螺的关键器件。本文就钛内扩散铌酸鲤相位调制器及其锯齿波驱动电路不理想而导致的边带抑制进行了理论分析和仿真研究。重点讨论了附加强度调制对边带抑制影响的特点，提出了减小这类误差应采取的技术措施。这为提高闭环光纤陀螺标度因数的线性度提供了理论依据。     

光纤陀螺标度因数和线性度实验研究

本文推导了采用Ti∶LiNbO_3光波导相位调制器的闭环光纤陀螺输入输出特性的数学表达式,利用计算机对闭环光纤陀螺输出特性进行了仿真实验研究。结果表明,当施加锯齿波形电压进行光波相位调制时,由于实际锯齿波形存在失真,如存在回扫时间和设定峰值相位偏差,使得陀螺输出特性的标度因数和线性度具有一定的变化规律。我们参照西德IABG惯性实验室光纤陀螺测试方法,对闭环光纤陀螺样机输入输出特性进行测试,结果基本上反映了这种变化规律。     

数字闭环光纤陀螺死区机理分析

结合工程实际，对基于集成光学多功能芯片的数字闭环光纤陀螺中的死区机理进行理论分析，并进行了实验验证。相位调制器的模拟驱动电压信号在数字反馈阶梯波复位作用下能产生不同的工作模式，探测器的输出微弱信号因此受到幅值和相位均不同的电子串扰。以方波调制和四态波调制为例，研究了光纤陀螺中电子串扰的作用方式、电子串扰的转换方式和形成死区的过程等问题。在上述基础上，根据需要设计了专门的可编程的光纤陀螺高速数据采集电路，对死区机理进行了研究试验。最后还从优化陀螺电路印制板设计和优化信号调制解调算法等方面进行阐述，以解决数字闭环光纤陀螺死区问题。     

调制误差对谐振式集成光学陀螺性能的影响

采用LiNbO3相位调制器代替移频器可以明显提高调制的稳定性,但同时会引入相位调制波形失真产生的误差.分析了在采用正弦波开环相位调制技术对光路进行调制和解调时,相位调制器波形失真与陀螺输出特性的关系.通过数值仿真计算可知,调制波形的频率失真与由此引起的标度因数误差大致成线性关系;调制波形峰峰值波动引起的标度因数误差随着失真幅度的增大而急剧增大;并且当陀螺零偏为1 (°)/s时,要求调制波形频率失真小于0.07%,峰峰值失真小于1.5%,波形频率失真的影响为峰峰值失真的20倍.因此在陀螺系统设计中应保证调制频率的稳定性.     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

基于同频调制解调的谐振式光纤陀螺仪

谐振式光纤陀螺仪(RFOG)是一种基于Sagnac效应的高精度惯性角速度传感器,具有灵敏度高,全固态结构,有利于小型化等各种优点。为有效抑制各种噪声以提高陀螺检测精度,同时进一步降低系统的复杂度以便于集成,提出了一种基于同频调制解调技术的谐振式光纤陀螺方案,从理论上指导了大幅度改善顺逆时针光路的互易性,有效抑制激光器频率噪声和相位调制器残余强度调制影响的机理。在前期实验的基础上加入第二闭环,完成了采用23 m谐振腔的集成化RFOG样机的研制。常温测试结果表明,与Honeywell公司研制的基于三光源拍频方案,腔长为100 m的RFOG样机相比,零偏不稳定性基本相同,但在陀螺角度随机游走上具有明显优势。     

基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺

针对谐振式光纤陀螺易受背向散射噪声影响,且温度适应性较差的问题,提出了一种基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺方案。该方案利用双闭环反馈结构,综合使用三角波相位调制和声光移频器的大频差调制,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检测精度。同时,通过在声光移频器产生的大频差中引入补偿项进行温度补偿,改善了温度适应性。在搭建样机进行对比测试实验后,实验结果表明,四态调制方案可以将陀螺室温环境下的零偏稳定性提升51.5%;变温环境下的零偏稳定性提升69.6%。可见,基于频差四态调制的方案能有效提高谐振式光纤陀螺抑制背向散射噪声的能力,并能改善陀螺的温度适应性。     

陀螺用超细径保偏光纤机械强度评估方法

针对陀螺应用场景下超细径保偏光纤机械强度评估需求,提出一种基于可拉伸骨架的超细径保偏光纤强度评估方法,超细径保偏光纤绕制于可拉伸骨架之上形成光纤环圈可模拟出成环应力过程,采用该光纤环圈构建光纤陀螺,环圈骨架内的压电堆栈可驱动骨架带动超细径保偏光纤周期性拉伸,对超细径保偏光纤起到应力激励施加效果可激发光纤疲劳以实现光纤强度快速评估与筛选,同时在超细径保偏光纤内形成相位调制功能以实现陀螺偏置调制,陀螺信号长期输出变化情况可表征超细径保偏光纤力学特性优劣。该方法能够体现出超细径保偏光纤成环应力施加的复杂性和陀螺应用光纤长期张紧、弯曲等条件下应力长期演变性,有助于陀螺用超细径保偏光纤强度评估与筛选。     

双惯导联合旋转调制光纤陀螺标度因数误差自校正方法

旋转调制光纤陀螺航海惯导系统中,光纤陀螺标度因数误差会与地球自转角速度耦合产生等效的天向和北向陀螺漂移误差,也会与船体摇摆角速度以及惯性测量单元旋转调制角速度耦合产生短时动态误差,限制了长航时航海惯性导航精度。通过使用两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统进行联合旋转调制,提出一种光纤陀螺标度因数误差在线估计与自校正方法。根据两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统的水平旋转轴空间夹角关系建立观测方程,实现在线估计滤波。半实物仿真结果表明,自主导航过程中光纤陀螺标度因数误差在线估计精度优于1 ppm,利用输出校正方式在线补偿光纤陀螺标度因数误差导致的惯导定位误差,有效抑制了两套三轴旋转调制光纤陀螺航海惯导系统定位误差的增长。实际转台模拟实验中,两套三轴旋转调制光纤陀螺惯导系统300 h纯惯性导航整体定位最大误差分别减小25%和40%。算法采用地心地固坐标系,因此也适用于极区导航情况。     

光强外调制法抑制相对强度噪声

针对高精度光纤陀螺超荧光光纤光源的相对强度噪声（RIN），阐述了光强外调制法抑制RIN系统构成。系统利用集成光学强度调制器及其反馈控制回路将光纤光源的强度变化作为调制信号，通过负反馈消除光源的RIN。文中给出了反馈回路中增益非平坦型带通滤波器的实现方法。实验结果表明，在10kHz～800kHz范围内，光强外调制法使单位带宽内信噪比改善了15～5dB。     

布里渊光纤陀螺克尔效应误差消除方法

针对克尔效应对布里渊光纤陀螺输出结果的影响,建立了基于方波调制的布里渊光纤陀螺克尔效应理论模型.分析表明,由克尔效应引起的陀螺误差不仅与光纤环内两相反方向光束的光强差有关,还依赖于两路泵浦光频率调制的幅度.通过适当调节两光束的频率调制幅度,可有效实现克尔效应误差的消除.该方法实验装置简单,对调制频率要求低,是消除布里渊光纤陀螺克尔效应的有效方法.     

宽带光源光谱不对称性对光纤陀螺性能的影响

光谱不对称性是宽带光源的非理想特性之一,这种特性对标度因数的影响在中高精度光纤陀螺中会逐渐显现出来。为了分析光谱不对称性及其对光纤陀螺的影响,结合光纤陀螺所用宽带光源的典型光谱参数,对宽带光源的光谱不对称性进行了理论计算,分析了传统量化光谱不对称性方法存在的问题和局限性,并在此基础上提出了一种更加准确合理的光谱不对称性的量化指标。研究表明,光谱不对称性会产生相对相位误差,并在调制通道中产生视在增益误差,导致陀螺第二反馈回路"错误"调整调制通道的增益,引起光纤陀螺标度因数的非线性误差。对于类矩形光谱当不对称度小于10~(-2)时,视在增益误差引起的标度因数非线性误差会达到25′10~(-6)。因此在进行光源设计时需要将光谱不对称性作为一个定量考虑的指标。     

基于高斯相位调制的半导体激光器线宽展宽方法

基于激光器驱动的干涉型光纤陀螺是近年来国内外光纤陀螺研究的新热点,但半导体激光器作为一种窄线宽的高相干光源,将其用于干涉型光纤陀螺又会重新引入瑞利散射、Kerr效应和偏振交叉耦合等非理想特性进而影响陀螺的精度,因此有必要将半导体激光器的线宽加宽后再使用。为实现半导体激光器的线宽展宽,建立了基于高斯相位调制的光谱展宽卷积模型,利用OptiSystem仿真分析验证线宽展宽效果;通过搭建光路进行实验验证,实验结果证明,通过所提出的展宽方法可以将线宽10 MHz的激光器的光谱展宽成线宽11 GHz的光谱。为干涉型光纤陀螺中半导体激光器的应用提供了基础保证,具有一定的工程应用价值。     

激光线宽对干涉式光纤陀螺性能影响分析

干涉式光纤陀螺的标度因数稳定性进一步提升受限于宽谱光源平均波长扰动水平,影响了其对于旋转速率的测量精度以及在复杂环境下的长期使用。采用中心波长更稳定的激光能有效提升光纤陀螺的标度因数性能,但是激光的线宽窄,会重新引入宽谱光源已经基本消除的主要误差源。针对以激光作为干涉式光纤陀螺驱动光源的应用背景,基于光物理场方程计算得出干涉式光纤陀螺中克尔效应、偏振耦合以及背向散射误差与激光线宽的关系,并定量分析出在激光谱宽范围内的各项误差源。此外搭建了光纤陀螺实验系统,分别以窄线宽激光和通过外部相位调制进行光谱展宽后的激光为光源进行静态测试验证。实验结果表明,不同光源线宽下陀螺的角度随机游走和漂移同理论模型一致,证明了模型的正确性,且光纤陀螺在展宽激光驱动下,可满足零偏不稳定性优于0.01?°/h的导航级需求。     

基于自适应时频峰值滤波的光纤陀螺去噪算法

为减小光纤陀螺输出信号噪声、提高惯导系统精度,提出了光纤陀螺信号自适应时频峰值滤波算法。对光纤陀螺信号进行初始变换并调制,采用伪Wigner-Ville分布对调制信号进行时频分析,给出了一种自适应的伪Wigner-Ville分布最优窗长获取准则,通过局部峰值搜索实现编码信号的瞬时频率估计进而还原出有用信号,实现了光纤陀螺噪声的去除。详细对比了小波方法与自适应时频峰值滤波算法并分析了两者的去噪效果。仿真结果和实际数据验证表明:自适应时频峰值滤波算法能有效减小光纤陀螺输出噪声,信噪比比小波滤波改善1³ dB;特别对于高动态信号,该算法滤波后的信号能够有效地跟踪原始信号。     

小型化光纤陀螺的轴向磁场误差特性建模方法探讨

小型化光纤陀螺的主要特点是光纤环径向尺寸逐步缩小,而轴向尺寸逐步增大,由此导致轴向磁场误差成为影响小型化光纤陀螺精度的重要因素之一。以小型化光纤陀螺轴向磁场误差特性为研究对象,依据光纤环中光纤的四极对称排列结构,提出轴向螺旋角展开分析法,利用Jones矩阵分别构建保偏型光纤陀螺及消偏型光纤陀螺的传输矩阵及轴向磁场误差模型,探讨光纤扭曲应力寄生圆双折射、轴向尺寸等因素与非互易性Faraday磁场相位误差的关系,得出光纤陀螺轴向磁场漂移误差的数学描述,以此为理论依据,探讨小型化光纤陀螺的轴向磁场误差因素,并提出相应的措施。     

消除消偏光纤陀螺克尔效应的一种方法

研究了非线性克尔效应对光纤陀螺噪声的贡献,得到了可以通过采用宽谱光源和调制光路中的光功率来减小甚至消除克尔效应引起的非互易相位差的结果。采用调制光功率的方法消除克尔效应。为了避免因调制光功率降低探测器信噪比,通过分析探测器的噪声原理得到了保证足够信噪比的最小功率输入。设计了光纤放大器光源来实现这种光功率的调制。分别分析了泵浦光功率和泵浦方式对光源的影响,进一步协调了光纤放大器光源的输出功率和放大增益,首次证明了光纤放大器光源的优越性。在实验中,采用了光纤放大器光源的光纤陀螺的随机游走系数被减小到了原来的0.8。     

小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路

数字闭环光纤陀螺信号处理电路通常由分立的器件构成,其体积较大,限制了光纤陀螺的体积。为了缩小光纤陀螺的体积。设计了一种通用型小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路,该电路采用一体化陶瓷外壳,不需要使用基板,通过系统级封装(SIP)的方式,把国产的前级放大器、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、后级放大器以及串口收发器的裸芯片封装在外壳里,电路体积仅为14.6mm?14.6mm?2.5 mm,与采用分立的器件相比,光纤陀螺体积缩小了四分之一。电路可以实现光纤陀螺信号的采集以及调制波形的输出,实验结果表明,电路可以实现0.01(°)/h的光纤陀螺精度。     

循环干涉型光纤陀螺及其光源

介绍了一种新型光纤陀螺及其关键器件。包括：（1）循环干涉型光纤陀螺的系统方案；（2）大功率超辐射发光二极管；（3）多功能光学发收模块，它们是国内光纤陀螺研制中急待解决的关键技术。采用模块化结构和微光电机系统（MOEMS）是国外光纤陀螺的发展方向。     

舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术及未来发展

光纤陀螺在随机误差方面表现出极佳的性能优势,并不断向超高精度方向发展。结合所在研发团队近几年的最新研究成果,分析了高精度光纤陀螺及惯导系统的发展现状。重点突破了超高精度光纤陀螺的结构设计与仿真、超长细径大直径精密环圈设计、误差抑制与标度提升以及陀螺极限精度测试等关键技术,研制的高精度光纤陀螺Allan方差探底值测试精度达到0.000005°/h。同时,介绍了平台旋转调制与载体角运动隔离、热/磁引起的航向效应误差抑制及残差补偿、高精度重力场误差模型构建与补偿等系统技术。首次开展了水下长航时自主导航试验,验证了舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术的可行性和优势。最后对高精度光纤陀螺及惯导系统未来发展进行了展望。