谐振腔光纤陀螺光纤谐振环特性研究

对有限光源线宽情况下反射式光纤谐振环的响应特性进行了研究,得到了光纤谐振环各谐振特性参量的表示式.分析了特性参量与光源线宽和耦合器特性的关系,结合对方波调制谐振腔光纤陀螺极限灵敏度的分析,给出了设计高灵敏度谐振腔光纤陀螺光纤谐振环的要求和原则.进行了谐振腔光纤陀螺用光纤谐振环的实验研究,制作了适用于谐振腔光纤陀螺的高精细度和高谐振深度光纤谐振环.     

谐振式光纤陀螺偏振噪声分析

谐振式光纤陀螺（R～FOG）是第二代光纤陀螺,其性能受各种噪声因素的影响。为提高谐振式光纤陀螺的性能,对谐振式光纤陀螺的瑞利背向散射、克尔效应、磁光法拉第效应和偏振态耦合等各种噪声进行了分析,并提出了对偏振态耦合噪声的解决方法。在此基础上,得到保偏光纤环旋转90°对接的谐振腔优化结构。该结构可以有效减小谐振腔的偏振噪声和磁光法拉第噪声,且可改善陀螺系统的温度特性。     

Y波导调制器残余强度调制研究

为提高Y波导调制器调制性能从而提高光纤陀螺的整体性能,分析了用于光纤陀螺的Y波导相位调制器残余强度调制产生的机理,即存在波导缺陷以及基底杂散光反射;阐述了残余强度调制对光纤陀螺系统特性的影响,残余强度调制主要影响光纤陀螺的标度因素;测试了不同Y波导残余强度调制的波形特性和它的线性分量及干涉分量大小,不同Y波导残余强度调制大小差异较大,性能好的Y波导残余强度调制大小可以控制在1‰以内;测试了温度对残余强度调制波形特性的影响,残余强度调制受温度影响较大,极端温差下残余强度调制大小波动可达20%;根据残余强度调制的产生机理和线性干涉分量比的大小,提出改进Y波导制作工艺的措施,以期提高Y波导的调制性能。     

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.     

变温环境下谐振式光纤陀螺偏振误差研究

偏振噪声是谐振式光纤陀螺谐振腔中较为严重的光学噪声之一。基于琼斯矩阵的方法建立完整的光路传输模型,对谐振腔顺时针和逆时针两路光传输进行分析,得到环境温度在-40℃～80℃范围内变化时偏振噪声导致的陀螺误差。结果表明,在线起偏器消光比为30 dB时,耦合器直通端对准角度误差小于2.78°,耦合系数为0.05,双90°熔接点两侧光纤长度差容错值在0.207 m以内,使得陀螺输出误差小于0.01 （°）/h。基于此,当陀螺系统工作导致内部温度分布非均匀时,谐振腔上每相邻两段光纤间温度分布差需小于3.122℃。各影响因素的参数选择可为变温环境下由于偏振噪声导致的误差分配设计提供理论指导。     

激光器频率噪声功率谱密度测试技术及在谐振式光纤陀螺中的应用

谐振式光纤陀螺(RFOG)是基于Sagnac效应产生的顺时针光路与逆时针光路的谐振频率差来测量旋转角速率的光学传感器,中心频率连续可调的窄线宽激光器是研制RFOG的关键元件,激光器频率噪声特性直接影响此种陀螺的性能.采用基于3×3耦合器的非平衡Mach-Zehnder干涉仪系统,对不同类型的激光器及激光频率锁定前后的频...     

热敏电阻用于补偿Y波导温度漂移

铌酸锂集成光学相位调制器(Y波导)是数字闭环光纤陀螺的核心器件.温度变化引起相位调制器产生附加相位漂移,直接影响标度因数的稳定性,从而导致光纤陀螺零点漂移.因此,补偿温度引起Y波导附加相位漂移显得尤其重要.本文提出在Y波导驱动电路的运放电路中引入热敏电阻.利用热敏电阻的温度特性构建了温度补偿电路.温度变化引起运放电路放大倍数的改变,Y波导上调制电压的变化从而补偿温度引起Y波导的附加相位漂移.理论计算和实验结果证明,该方法可以简单、方便地提高光纤陀螺、光纤电流传感器等仪表的温度稳定性.     

基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数测试

针对转台测试谐振式光纤陀螺标度因数时存在的测试精度受限于转台性能影响的问题,提出一种基于锯齿波等效输入的陀螺标度因数测试方法.通过在相位调制器上叠加锯齿波偏频信号用于模拟角速度输入,分析了实际转台输入和模拟角速度输入下谐振式光纤陀螺闭环传递函数,推导了偏频锯齿波信号参数与实际输入角速度的对应关系,理论证明了其技术可行性.搭建了基于锯齿波偏频的陀螺标度因数测试系统,对研制的陀螺样机进行了标度因数及非线性度测试,基于锯齿波偏频方法测得的陀螺标度因数与实际转台测试结果基本一致,且标度因数非线性度从0.42%优化到0.26%.研究表明基于锯齿波偏频的谐振式光纤陀螺标度因数快速标定测试方法不仅可以精确测得标度因数,还可有效抑制转台振动等环境干扰引入的测量误差.     

谐振式光纤陀螺保偏光纤谐振腔90°对接误差控制研究

保偏光纤谐振腔交叉偏振耦合引起的偏振波动是谐振式光纤陀螺的主要噪声源之一,保偏光纤偏振主轴旋转90°对接是克服偏振波动的有效方法,其对接角度误差大小对陀螺噪声抑制效果有重要影响。为此利用迈克耳孙(Michelson)白光光纤干涉仪偏振耦合测试方法,从理论上对双耦合器保偏光纤谐振腔的90°对接误差进行了分析,得到迈克耳孙光纤干涉仪输出的干涉交流项公式和干涉波形,进而计算得到双耦合器保偏光纤谐振腔的90°对接误差角度。对双耦合器的保偏光纤谐振腔90°对接角度误差控制进行了实验研究,实现了0.37°的角度对接误差。     

透过式光纤陀螺偏振特性的分析

偏振波动是谐振式光纤陀螺(R-FOG)的主要噪声之一,它对信号检测精度具有重要影响。通过矩阵法得到了透过式R-FOG中由偏振波动引起的系统零漂与偏振噪声相关参数、环形谐振腔结构参数间的关系表达式。在一定的透过式R-FOG系统结构参数下,对上述解析表达式进行了数值拟合,通过估算可满足高精度透过式R-FOG系统对偏振相关参数的要求,为偏振波动噪声的理论分析和R-FOG系统的实际搭建提供了理论基础。     

高准确度光纤陀螺中相位调制的控制研究

在相位调制器基础上,提出了围绕干涉型光纤陀螺的闭环控制方案.对高准确度光纤陀螺中Y波导集成光学器件的调制特性及系统测试方法进行了研究,对其应用及光路各环节配合的技术进行了探讨,对该器件在光纤陀螺系统中的特性和测试系统进行讨论.在高准确度光纤陀螺中取得明显效果.目前,工程样机的零偏稳定性已达到0.02°/h.     

集成光学与光纤陀螺

 物理学的两大分支--电子学与光学近几十年来发生了越来越密切的关连。有人用“正在迅速融合”来形容之。一方面是这两个学科随着科学技术的发展而飞跃发展;另一方面,由于它们之间在理论上有着深远的联系,应用上又是相似相通、相辅相成。     

光纤弯曲对干涉式光纤陀螺性能的影响

为研究光纤弯曲对干涉式光纤陀螺性能的影响,选取常用的单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤及保偏光子晶体光纤为研究对象,建立了光纤弯曲与光纤陀螺性能的相关理论模型。以高精度光纤陀螺应用为背景,选取掺铒超荧光光纤光源,改变光纤弯曲半径,测出了经过光纤样品后的光功率、平均波长、光谱宽度的变化和平均波长波动,在此基础上分析了弯曲半径对光纤陀螺标度因数和随机游走系数的影响。理论分析和实验结果表明,采用光子晶体光纤时,光纤弯曲对光纤陀螺性能几乎没有影响,采用其他光纤时,需要严格控制光路中的光纤弯曲半径。     

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。     

干涉式光纤陀螺光路偏振特性的理论分析

首次采用琼斯矩阵建立了消偏型干涉式光纤陀螺完整光路传输系统的数学模型。在此基础上进行了光路偏振特性的理论分析,讨论了各器件的性能对陀螺偏振噪声的影响,分析了光纤消偏器的消偏作用。通过分析计算,得到了消偏型干涉式光纤陀螺的最大偏振误差表达式。在不同精度级别的消偏型光纤陀螺中,计算出了光纤消偏器应该达到的精度要求,为今后减小零漂打下了理论基础。     

光纤陀螺电路对陀螺温度性能影响的实验研究

针对干涉式光纤陀螺的电路在环境温度变化时影响陀螺输出的问题,设计了电路部分相关的温度实验,得到陀螺输出与电路温度变化之间的关系.根据陀螺输出和温度变化对陀螺输出进行补偿.结果显示,经补偿的陀螺零偏漂移减小为未补偿时的23%,零偏稳定性提高了7.32倍.     

光纤陀螺电路对陀螺温度性能影响的实验研究

针对干涉式光纤陀螺的电路在环境温度变化时影响陀螺输出的问题,设计了电路部分相关的温度实验,得到陀螺输出与电路温度变化之间的关系.根据陀螺输出和温度变化对陀螺输出进行补偿.结果显示,经补偿的陀螺零偏漂移减小为未补偿时的23%,零偏稳定性提高了7.32倍.     

温度对光纤电压传感器测量精度影响的研究

研究了光纤电压传感器的敏感元件－－石英晶体的物理性能对传感器输出的影响，理论分析及实验结果表明：环境温度的起伏，造成敏感晶体材料的特性及其承受的庆力发生变化，致使电压传感器的长期稳定性不能满足１％的测量精度要求。     

基于MIM型表面等离子体光波导的Y形分束器的传输特性研究

采用二维时域有限差分(FDTD)法,分析并对比了弯曲分叉部分的形状分别为正弦形和圆弧形的基于金属-绝缘体-金属(MIM)型表面等离子体光波导的Y形分束器的反射率、传输率以及能量分束比随几何结构参数的变化关系。数值计算表明,波导宽度对这两种Y形分束器传输特性的影响较为明显,两个输出分支的偏移量和弯曲分叉部分的长度对这两种Y形分束器传输特性的影响比较微弱。在600～1500nm波长范围内,弯曲分叉部分为圆弧形的Y形分束器的传输特性比弯曲分叉部分为正弦形的好。对于非对称型Y形分束器,当弯曲分叉部分为正弦形时,偏移量对反射率、传输率和能量分束比的调节作用较为明显,能量分束比最大可达到2∶1。当弯曲分叉部分为圆弧形时,偏移量对反射率、传输率和能量分束比的调节作用较为微弱。     

高精度光纤陀螺零位误差的磁温特性研究

介绍了高精度光纤陀螺零位误差的形成原理,并就温度和磁场对高精度光纤陀螺零位误差的影响进行了详细的理论分析。仿真结果表明:由于温度引起的零偏峰值漂移为0.06°/h。最后,对交变温度场和径向静磁场交联作用下的情况建立了理论模型并进行了实验研究,实验结果表明:在径向磁场和不同温度作用下,光纤陀螺由于交联耦合效应产生的径向磁场灵敏度变化,即交联耦合度<1%,这和理论模型具有较高的一致性。