激光陀螺本征模偏振态与磁敏感特性的理论研究

环境磁场的干扰是影响激光陀螺精度的重要因素之一. 为了减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性, 推导了环形腔的琼斯矩阵, 其中考虑了非共面角、增益介质、腔损耗、腔镜反射各向异性和应力双折射, 采用矩阵本征问题求解的摄动理论分析了环形腔的偏振态和磁敏感特性. 研究表明, 为了减小激光陀螺的磁敏感性, 应减小非共面角和腔损耗, 增大腔镜的反射各向异性. 腔镜应力双折射究竟会增大还是减小磁敏感性与应力作用主轴、受应力腔镜的位置有关, 此外它还会引起顺时针和逆时针模式之间的偏振非互易性. 磁敏感性与腔失谐近似成线性关系, 导致激光陀螺工作于增益峰值时磁敏感性并非最小. 这些结果对减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性具有较好的指导意义. 关键词： 激光陀螺 磁敏感性 椭圆度 琼斯矩阵     

光斑偏移对空间激光通信系统性能的影响

为了评估大气湍流、通信平台振动和校装误差等因素引起的光斑偏移现象对空间激光通信系统通信性能的影响,理论计算和实验测量了空间激光通信系统中APD光电转换后的电信号幅值随会聚信号光斑和光电探测器光敏面之间的横向位移、以及探测平面和透镜焦平面之间的离焦量的变化关系,同时给出了系统误码率、信噪比、抖动与相偏移量之间的实测曲线....     

全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿技术

针对全反射棱镜式激光陀螺标度因数随温度周期性变化的现象,根据矩阵光学方法研究了稳频状态下温度变化对环形激光面积的影响,获得了全反射棱镜式激光陀螺标度因数与稳频电压的关系,并得出光束偏移是引起标度因数随温度周期性变化的原因。根据标度因数与稳频电压的关系,建立了全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿模型,通过实验对比了补偿前后标度因数的非线性度。结果表明,根据该补偿模型对全反射棱镜式激光陀螺标度因数进行补偿,标度因数非线性度提高了一个数量级以上,对提高全反射棱镜式激光陀螺的性能具有一定的参考价值。     

全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术EI北大核心CSCD

针对全反射棱镜式激光陀螺在稳频过程中相敏信号易受噪声干扰的现象,研究了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术。理论分析了全反射棱镜式激光陀螺的稳频特性,结合自适应噪声对消原理,建立了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频系统的数学模型。通过硬件电路设计,搭建了基于递归最小二乘算法的自适应稳频控制系统。分别对原有稳频技术与自适应稳频技术进行了实验测试,实验结果表明,自适应稳频能有效消除噪声对相敏信号的干扰,稳频精度提高了近一个数量级,陀螺精度相应提高了60%以上。此分析结果为提高全反射棱镜式激光陀螺的性能提供了重要参考。     

小型集成三通道机抖激光陀螺数字式控制电路设计

针对军事和民用工程中亟待解决的捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度问题,提出了一种以单块电路板实现对3个机械抖动激光陀螺进行数字式稳频控制、抖动控制、稳流控制、信号检测及脉冲计数的全功能小型机抖激光陀螺集成控制方案,设计了以DSP和FPGA为核心控制器的陀螺电路。试验结果表明,该集成控制电路能同时实现3路陀螺的自动控制,参数调整灵活方便,控制精确稳定,在实现小型化集成化的同时,提高了激光陀螺的输出精度,为捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度奠定了基础,已在多个项目中获得工程应用,具有较高实用价值。     

全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术

针对全反射棱镜式激光陀螺在稳频过程中相敏信号易受噪声干扰的现象,研究了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术。理论分析了全反射棱镜式激光陀螺的稳频特性,结合自适应噪声对消原理,建立了全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频系统的数学模型。通过硬件电路设计,搭建了基于递归最小二乘算法的自适应稳频控制系统。分别对原有稳频技术与自适应稳频技术进行了实验测试,实验结果表明,自适应稳频能有效消除噪声对相敏信号的干扰,稳频精度提高了近一个数量级,陀螺精度相应提高了60%以上。此分析结果为提高全反射棱镜式激光陀螺的性能提供了重要参考。     

激光陀螺抖动偏频优化研究

基于频率调制理论,分析、仿真计算了正弦抖动偏频和优化后的正弦抖动偏频条件下,激光陀螺输入-输出曲线的特点.结果表明：正弦抖动偏频时激光陀螺的输入-输出曲线在抖动频率的倍频点处存在着动态锁区,其宽度与激光陀螺静态锁区、抖动角振幅有关.采用优化后的正弦抖动偏频可以很好地克服动态锁区,大大提高激光陀螺输入-输出曲线的线性度.试验对比了正弦抖动偏频和优化后的正弦抖动偏频条件下激光陀螺的输出性能.试验结果表明：采用优化后的正弦抖动偏频显著提高了陀螺准确度.     

波段外激光辐照PC型探测器的反常响应机制

 提出了PC型半导体探测器对波段外激光辐照的热电子光电导响应机制。响应波段外激光辐照PC型半导体探测器时，探测器有响应且输出电压信号迅速增大，与波段内激光辐照时的响应规律截然不同，这是由光激发能带内热电子而引起的光电导现象。当较强功率的激光辐照时还应考虑热效应。依据该机制进行了模拟计算，计算结果表明当PC型HgCdTe探测器被波段外激光辐照时，热电子的产生使得电导率减小，进而导致探测器的电阻增大。     

全反射棱镜式环形激光器耦合输出的理论分析

对采用棱镜耦合器的全反射棱镜式环形激光器的耦合输出特性进行了理论研究, 导出了有“楔形”间隙的棱镜耦合器的反射系数和透射系数表达式, 给出了反射率和透过率随“楔形”间隙高度变化的理论计算曲线, 进而研究了有关材料选取、腔内振荡分量的选取及减小棱镜耦合器对环形激光腔内模式的影响等问题. 这些研究对于全反射棱镜式环形激光器在激光陀螺、激光角速度传感器等实际应用中有重要意义.     

异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频

为了解决光强差稳频系统易受光电元件参量影响的问题,设计了一套用于异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频系统。采用高频放大和幅度检波电路检出四频差动激光陀螺顺时针(或逆时针)输出光束的拍频幅度,然后用模数转换器采集到数字信号处理器(DSP)内。四频差动激光陀螺正常工作时拍频幅度取极大值,因此可通过对腔长进行小抖动调制实现稳频。利用DSP设计了一套数字式稳频系统,1 s取样的稳频精度为2×10-9,更重要的是稳频点不受光电元件参量变化的影响。设计的小抖动稳频电路精度高、通用性好,对提高四频差动激光陀螺适应恶劣环境的能力有一定的价值。     

Polarization properties in a prism laser gyro with mechanical dither bias

<正>Theoretical analysis and experimental research on the polarization properties of output light in gyro are carried out to investigate the phenomenon that the amplitude of an output voltage signal is modulated by dither bias in laser gyros consisting of totally reflecting prisms.Taking the effect of prism stress birefringence into account,an analytical formula of the output light intensity in the gyro and the relationship between the polarization parameter and the amplitude modulation of the output signal are obtained and discussed.For the first time,the polarized power value of the output light is adopted as a basis to estimate the output signal amplitude fading extent of laser gyros.Experimental results demonstrate that when the value of polarized power of output light is below 25.5%of that in ideal static case,the standard error is over 0.0337 dBm,and the displacement extent of the prism is higher than 53%of the radius of the beam waist in the gyro cavity,the amplitude modulation extent of gyro output signal can reach up to 16%,which badly influences the measurement accuracy of the laser gyro.Using this polarized power detecting measurement method can repair the gyro immediately during its fabrication process,improve the testing and production efficiency and shorten the product development cycle.     

激光陀螺中的光学抖动及其对锁区的影响分析

为了提高激光陀螺的性能,提出利用光学抖动改善陀螺锁区的方法.研究了环形光路中背向散射对锁区的影响,理想状态下可以消除陀螺的零阶锁区.在微扰条件下对光学抖动下陀螺腔内的光路变化进行了分析计算,得到了使陀螺锁区达到最佳改善的理论光学抖动量并进行了实验研究.实验结果表明:光学抖动可以起到类似机械抖动加噪的效果,改善陀螺的零偏稳定性.     

激光陀螺克服高、低温冲击的技术研究

分析了激光陀螺在经历外部环境温度变化时光强和性能发生变化的原因,提出了利用新型腔长角度控制镜(光路程长控制镜)的角度控制元件作为驱动器件,应用类似小抖动稳频的原理对激光陀螺环形光路进行闭环控制,并通过对各光路控制单元采取分时控制的办法解决了光路稳定过程中的调制信号的冲突,使激光陀螺在环境变化时始终保持其光程长和光路相对位置的稳定从而保证其性能的稳定。实验结果表明,对原来在全使用温区(-40℃~ 60℃)光强变化达30%甚至只要有光的,通过光路稳定措施可将光强稳定在±3%以内,对于有些在高低温时不能出光的,也可以达到可使用的光强稳定水平。较好地解决了许多激光陀螺难以克服的耐高、低温冲击问题。     

Direct dither control without external feedback for ring laser gyro

To avoid the lock-in effect, a body dither is introduced for the ring laser gyro (RLG). A dither feedback signal is necessary to control the dither drive signal. In the current dither control method, a piezoelectric or electromagnetic transducer is often used to obtain the dither feedback. The read-out signal of the RLG contains all dither-related information; hence, dither feedback can be obtained from the read-out signal, and external feedback can be reduced. A novel dither controlling method without external feedback is introduced in the present paper. How to control the dither amplitude and track the resonant frequency of the dither motor is described in detail. A comparative experiment is conducted between the old dither control method and the new one. Results show that the output of RLG using the new method has the same accuracy as that using the old method, aside from having more compact circuit dimensions.     

谐振式集成光学陀螺解调特性分析

基于激光器频率谱检测技术,沿着光的传输方向分析了光波在谐振式集成光学陀螺系统中的传播,结合输入信号特征,建立频域内的数学模型,通过数值仿真和实验得到了调频检测系统下的解调曲线。按照光的传输方向：激光器、声光晶体移频器、光波导环形谐振器、探测器,利用贝塞尔函数展开和光场耦合模理论分析了谐振式集成光学陀螺解调特性,及其调频调制检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系。通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在激光器压电陶瓷驱动器上调制波形的最佳调制系数。在实验上搭建了激光器频率调制解调技术系统,得到了解调曲线。数值仿真和实验结果表明,当调制系数M=2时,线性工作区间斜率最大,解调曲线最好。实测形状与理论分析结果相符,从解调信号得到±2×10³ rad/s的陀螺动态范围。     

激光陀螺抖动控制电路高精度数字化设计

随着激光陀螺电路系统数字化,小型化的不断发展。传统的机抖激光陀螺模拟偏频系统由于存在体积大,难以进行精确控制的缺点而在使用中受到极大限制。本文设计了一种基于DSP的数字机抖偏频控制系统,提出了数字机抖偏频控制系统原理,实现了一种周期性锯齿波噪声的注入。实验结果表明,数字机抖控制系统工作稳定,激光陀螺测量精度高。     

机械抖动激光陀螺的高分辨率信号处理

 机械抖动激光陀螺（MDRLG）信号是两路相位差为π/2的正弦拍频信号,一般采用4倍频鉴相输出计数脉冲,利用FIR滤波和抖动剥除等方法解调抖动信号,从而得到外界输入的角速度信息。高速采集MDRLG信号,并细分为相位依次相差π/16的16路信号,实现MDRLG的8倍频、16倍频和32倍频鉴相输出。输出角速率的均方差随着倍频数的提高而减小,信号处理的分辨率得到提高。实验测试和Allan方差分析表明：32倍频时的量化误差Q从4倍频鉴相时的0.327″减小到0.170″,增加MDRLG信号鉴相的倍频数可以减小量化误差。在对MDRLG信号进行抖动剥除解调时,由于量化误差是主要误差源之一,高分辨率信号处理能够有效提高MDRLG角速度测量的精度。     

All-optical noise-subtraction scheme for a fiber-optic gyroscope

A new intensity-noise-subtraction scheme for an interferometric fiber-optic gyroscope is demonstrated. Together with the light circulating through the gyro coil, an appropriately attenuated light beam from the source coupler dead end of the gyro is directed to the gyro photodetector. When the gyro is unmodulated, or modulated with a square wave at the proper frequency, the intensity noises of the two beams bear opposite phases and interfere destructively on the detector. For an unmodulated gyro, we demonstrate an intensity noise-reduction factor of ~35, and for the same gyro modulated with a square wave at the proper frequency, we demonstrate a reduction factor of ~15.     

Reduced minimum configuration fiber optic gyro for land navigation applications

Further cost reduction of the fiber optic gyroscope is necessary in order to meet the economic requirements of land navigation systems. We have previously concentrated on the reduction of the number of splices and component improvements in the open-loop, minimum configuration. Now we eliminate nonessential components and splices. The source-detector coupler is not part of the Sagnac interferometer and serves solely to provide isolation between the broadband optical source and the photodetector. Many commercial laser diodes incorporate a back-facet photodetector to monitor laser intensity. The signal returned from the Sagnac interferometer traverses the laser, is received at this photodetector, and can be distinguished from the laser signal by the bias modulation. Configuring a gyro in this manner eliminates a directional coupler and the separate photodetector as well as up to three fiber splices in an all-fiber gyroscope. A production, open-loop, fiber optic gyroscope has been modified to demonstrate this principal. The gyroscope can be constructed with only two fiber splices and exhibits performance comparable to the conventional minimum configuration.