集成光波导陀螺双光路三角波调相谱脉冲噪声特性

基于三角波调相谱技术的谐振式集成光波导陀螺(RIOG)信号检测,光波相位调制引入的频谱分量所带来的光学噪声成为限制陀螺性能提升的主要因素。结合光波在三角波相位调制下的频率变化特性和波导谐振腔的光传输特性,给出了三角波调制下的同步解调信息;依据三角波调制下对背向散射噪声抑制的幅度调制参数和系统最大灵敏度工作点的频率调制参数,结合多光场叠加原理,理论仿真分析了谐振谱不同谐振区的输出脉冲噪声,这种脉冲噪声将对工作于不同调制频率下顺逆时针传输光波的信号采集区带来干扰;搭建了基于二氧化硅波导环形谐振腔的陀螺实验系统,分别测试了激光扫描下谐振腔不同谐振区的脉冲噪声和激光频率锁定在谐振腔谐振点时的脉冲噪声,与理论分析一致。分析结果表明,RIOG采用的三角波调相谱信号检测技术存在无法克服的脉冲噪声,针对不同要求的RIOG,给出了相应的调制技术方案,这为RIOG的工程化和性能优化提供了技术参考。     

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.     

面向光载无线系统的混合频相调制信号产生

为提高光载无线系统传输容量,提出一种混合频相调制信号光学产生技术。利用保偏光纤布拉格光栅对不同输入偏振态响应不同的特性,将加载到信号偏振态的基带信息转换到输出波长上,并通过在接收端的外插拍频实现频率调制。同时通过光学相位调制将信息映射到拍频产生的微波信号上,最终产生混合频相调制信号。搭建基带传输式光载无线系统,验证了该信号产生方法的有效性。产生了码率为1Gbit/s、频率为12.5GHz/9.5GHz的混合频相调制信号,该信号经过5km光纤传输后由接收端解调。信号的时域波形及解调后信号眼图与星座图等结果证明了所产生的混合频相调制信号的可靠性。     

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。     

激光调制参数对光纤环型谐振腔光谱特性影响（英文）

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17cm的保偏光纤,总长2.2m。使用直流高压放大器扫描窄线宽激光器(线宽小于1kHz)的压电转化模块,扫描频率和电压分别选取20Hz和1V,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2V和4V,对应调制频率从100kHz到4 MHz变化;第二种情况为当调制频率为900kHz,调制电压从2V到10V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。     

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.     

无线激光通信音频传输实验

设计了无线激光通信音频传输实验系统.在发射端采用对90 MHz载波信号调频方式调制放大信号后,再对半导体激光器进行强度调制;在接收端光信号由光电探测器转换为电信号,电信号经中频放大器、变频器和鉴频器解调出原始信号,原始信号再经功率放大器放大后由示波器接收.测量了实验系统音频传输的幅频特性、动态特性和延迟特性.实验结果表明:由于采用二次调制,系统抗干扰能力强,接收灵敏.     

系统增益对光混沌通信系统性能影响的研究

针对强注入开环结构的外腔反馈半导体激光器混沌通信系统,数值计算得到系统增益与注入系数的定量关系曲线.对比是否使用系统增益对接收系统输出进行校正两种情况下系统的解调性能,表明使用增益校正的相减解调法获得的信息更接近原始信息.通过采用不同频率的正弦信号进行调制,表明信息频率对系统增益没有影响;用不同调制方法对0.2?Gbit/s数字信号加密,结果表明系统增益与信号类型及调制方法无关. 关键词： 光混沌通信 强注入 系统增益 同步     

基于FPGA的四频陀螺信号解调系统的设计与仿真

为了简化四频差动激光陀螺的信号读出系统,采用了一种基于FPGA实现的数字电路解调方案取代传统的合光棱镜中的1／4波片和偏振片来分离左、右旋陀螺信号。简述了四频差动激光陀螺的信号读出原理及解调电路方案,设计了主要由A／D转换器和FPGA构成的四频陀螺信号读出系统。通过Quartus Ⅱ等EDA工具在软件上对系统予以了实现,并针对其主要功能模块进行了仿真验证。仿真结果表明,将四频陀螺信号转化为数字信号后,利用FPGA实现信号解调并最终达到分离左、右旋陀螺信号的方案是可行的,该方案将有助于全数字化激光陀螺的研制。     

三角波调制对谐振微光学陀螺偏置稳定性的影响

谐振式微光学陀螺是一种新型的惯性传感仪器,与传统的机械陀螺与其他光学陀螺相比具有很多理论上的优势。通过分析抑制载波和提高信噪比,深入地研究了三角波调制频率和幅度对谐振式微光学陀螺偏置稳定性的影响。通过理论计算和仿真分析,考虑得到更好的载波抑制效果,调制幅度应选为15.44 V;考虑提高信噪比,调制频率应设为1 MHz。搭建了谐振式微光学陀螺系统,实验测试结果与理论分析吻合较好。此外,采用优化的调制参数,陀螺的偏置稳定性由0.39 ()/s提高到0.18 ()/s(10 s积分时间)。研究结果表明:选择优化的调制三角波参数可以将陀螺偏置稳定性提高一倍,对于其他调制方案,如正弦波相位调制方案,同样可以通过分析载波抑制和信噪比优化调制参数,改善陀螺偏置稳定性。     

Resonator fiber optic gyro using the triangle wave phase modulation technique

Based on the Sagnac effect, resonator fiber optic gyro (R-FOG) has potential as a high accuracy inertial rotation sensor. An R-FOG based on the triangle wave phase modulation technique is proposed in this paper. The slope of the demodulation curve near the resonance dip is found to affect the ultimate sensitivity of the gyro. In order to maximize the slope of the demodulation signal, the parameters of the triangle wave are analyzed. By employing Fourier series and the method of field overlapping, the relationship between the demodulation signal and the resonance frequency deviation is analyzed. The optimum values for the modulation frequency and phase modulation index are obtained. And the relationship between the carrier component and the phase modulation index under analysis in this paper shows that the triangle wave phase modulation technique is more advantageous than the traditional modulation technique in reducing the noise induced by backscattering.     

Dynamic characteristics of R-FOG based on the triangle wave phase modulation technique

A resonator fiber optic gyro (R-FOG) is a high accuracy inertial rotation sensor based on the Sagnac effect. Fiber ring resonator (FRR) is the core-sensing element in the R-FOG. Till now, the dynamic response of the FRR is studied, and it is found that the frequency of the resonance dip is shifted away from the resonance frequency when sweeping the laser frequency, and thus must affect the performance of the R-FOG. Therefore, dynamic characteristics analysis of the R-FOG, which usually works in the dynamic state, is in urgent need. This paper presents the expression for the dynamic demodulation curve of the R-FOG based on the triangle wave phase modulation technique. Through analysis and simulation, it is concluded that the frequency zero-deviation will be induced when the R-FOG is in dynamic state, and the gyro error caused by the frequency zero-deviation will increase as the product of the operating range and the bandwidth of the R-FOG.     

有限冲击响应滤波器在四频激光陀螺中的应用

针对目前四频差动激光陀螺光学解调方案可靠性和温度特性差的特点,介绍一种基于FPGA的数字拍频解调方案。分析了四频差动激光陀螺数字拍频解调对电路系统的需求,对数字拍频解调的关键部件低通滤波器进行了设计与实现。根据四频差动激光陀螺的特性参数计算滤波器的通带截止频率及阻带截止频率,使用MATLAB的滤波器设计和分析工具FDATool完成了有限冲击响应（FIR）数字滤波器的参数设计,并利用Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE实现FIR数字滤波器的片上系统设计。仿真和实验结果表明,所设计的FIR数字滤波器对四频差动激光陀螺的和频分量衰减达到-66 dB,满足四频差动激光陀螺拍频解调的需求,并有助于实现四频差动激光陀螺的小型化和数字化。     

一种基于光纤激光水听器的PGC改进解调算法

基于分布反馈式（DFB）光纤激光水听器，针对传统相位生成载波（PGC）解调方案中的不足，提出了一种新型的单路微分相除（PGC-SDD）解调算法。与传统的微分交叉相乘（PGC-DCM）和反正切（PGC-Arctan）解调算法相比，该方法仅需要双通道的1路信号作微分处理，以较少的运算步骤和计算量达到解调信号的目的。PGC-SDD算法能够更有效地应对环境引起的光强扰动和调制深度引起的谐波畸变，使解调结果更接近待测信号。对3种解调算法进行仿真和实验验证，结果表明:采用PGC-DCM解调其信噪比约12.4 dB，PGC-Arctan算法的信噪比约13.9 dB，PGC-SDD算法的信噪比达到了17.5 dB。     

基于同步载波提取的光纤传感器相位生成载波解调方法

利用3×3耦合器和法拉第旋转镜等光学元件,构造了一个基于迈克尔逊干涉系统的光纤振动传感器.使用外调制的方法对传输光进行相位生成载波调制,并将该光纤振动传感器应用于长距离的安全监测中.通过对该传感器的干涉输出信号进行贝塞尔展开分析,发现干涉输出信号中含有与外调制所使用的载波频率相同的信号成分.因此,使用一个中心频率为载波频率且通带很窄的带通滤波器,可以同步地提取载波信号.同步提取的载波信号用于干涉输出信号的相位生成载波被动零差解调,可以得到作用于光纤振动传感器上的外界振动信号.本文提出了从输出信号中同步提取载波的方法,通过理论推导得出了该方法的可行性,并且通过软件仿真和实验验证了该理论的正确性.文中还对提取的载波受低频信号干扰,造成其幅度不稳定的现象进行分析并提出了解决方法.研究表明,同步载波提取法适用于相位调制器与干涉信号输出端距离较远,相位生成载波解调需要的同源载波获取较困难的情况.     

谐振式集成光学陀螺噪声分析与实验研究

针对目前谐振式集成光学陀螺(IORG)输出检测精度与其理论极限灵敏度存在两个数量级差别的情况,分析了IORG系统中存在的主要噪声源;搭建了基于单光路锁频和单光路输出的IORG噪声分离系统;分别对无光情况下信号检测系统中各部分的噪声以及陀螺静态频率锁定情况下各部分的噪声影响进行了测试与分析;得到了系统的噪声分布情况。实验结果表明:光路噪声以及包括探测器热噪声和散粒噪声的电路固有噪声为系统的主要噪声源。     

混合干涉型分布式光纤传感器PGC信号解调设计与实验分析

对一种基于马赫-曾德尔和萨格纳克混合干涉仪原理的分布式光纤泄漏检测系统调制解调技术进行研究,对PGC解调技术进行理论分析。针对所选泄漏分布式光纤传感特点设计了PGC解调硬件电路,并对PGC解调电路进行了测试。实验中待测信号为0~50 kHz,载波频率为300 kHz,截止频率为50 kHz, 移相后与待测信号的相关系数达到0.95,谐波失真小于3%,泄漏源位置为7.865 km,泄漏检测定位系统绝对定位误差为235 m,相对定位误差为2.35%。本解调定位系统具有稳定性和抗干扰性。     

大气光学湍流光纤测量技术中的解调算法研究

介绍了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的原理,并对其中的载频调制和解调的过程进行了深入的研究.通过计算机对光学湍流随机相位起伏、载频调制与解调过程的模拟证明了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的可行性,提出大气光学湍流光纤测量技术中的一种新的信号处理方法.     

光纤陀螺的噪声及其实验分析

通过对FOG-110-I全光纤陀螺仪样机的研制,分析了光纤陀螺的噪声源,并对信号光背向反馈进入激光器引起的强度噪声和由光纤PZT位相调制器引起的幅度调制对光纤陀螺系统的影响作了重点分析。最后,给出了FOG-110-I全光纤陀螺样机的测试结果和实验分析。