硅基光子集成芯片光纤陀螺

光纤陀螺用于敏感载体旋转角速率,是惯性导航系统的核心传感器之一。未来军用及民用领域对小体积、低成本的光纤陀螺需求巨大。利用光子集成芯片代替传统光纤分立器件,借助集成光学光刻工艺大规模批量生产的优势,降低生产成本,提高出货量,是光纤陀螺发展的重要方向。因此,在充分考虑目前国内微纳加工水平基础上,提出了一种工艺实现相对简单、可快速工程化的硅基光子集成芯片光纤陀螺设计方案。基于开环光纤陀螺架构,设计并加工了硅基光子芯片,实现了陀螺全部无源器件的片上集成,光子芯片尺寸约4 mm×3 mm;设计加工了四通道超细径保偏光纤阵列,实现波导与光纤多个耦合点的一次对准,大幅提高耦合封装效率;实现了光子集成芯片光纤陀螺样机25°C时零偏稳定性达到0.2°/h,性能优于相同结构的传统全光纤器件光纤陀螺。     

一种三轴光纤陀螺时分复用方案的设计与分析

目前三轴一体化已成为国内光纤陀螺一个新的研究热点。提出一种光学敏感部分共用光源与探测器,信号处理部分采用单信号处理电路分时处理的三轴光纤陀螺组合技术方案。分析了信号处理中前放滤波、三轴控制时序和反馈电路中的通道选择。测试结果表明,其指标达到了低精度光纤陀螺的性能要求,适用于小型化、低成本应用背景。     

三轴一体化光纤陀螺技术

为了实现光纤陀螺组合小型化、低成本和高精度,进行了三轴一体化光纤陀螺样机的研制。该样机包括光学表头和陀螺解算电路两部分,其中,三个安装在三维空间正交支架上的敏感线圈共用一个光源,并且和其它独立的光学器件组成光学表头。陀螺解算电路由一块FPGA芯片处理三路探测器输出信号,输出与角速度成正比的数字信号。与传统光纤陀螺组合相比,三轴一体化光纤陀螺的组合结构缩小60%,成本降低20%,功耗降低一倍,但制作工艺较复杂。经过测试,其性能和单轴陀螺相当。此项研究技术可广泛应用于对体积要求严格的战术型号上。     

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。     

基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法

由于角振动台的振动频率有限,无法实现光纤陀螺的高带宽测试。提出了基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法,采用正弦电流激励下的Faraday相位差等效Sagnac相位差,解决了激励信号输出频率有限的问题。根据光纤中的Faraday效应原理,分析了该评估方法与光纤陀螺角振动台测试方法的等效性;搭建了评估系统,使用该评估系统来模拟某型号光纤陀螺的信号处理过程,进行等效评估实验,得到了等效评估的光纤陀螺闭环带宽为9 kHz,实现了高带宽光纤陀螺的频率特性评估测试,为改善光纤陀螺的动态特性提供了有效的验证平台。     

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。     

布里渊光纤环形激光器的发展与应用

随着光纤通讯和光纤传感技术的发展,布里渊光纤环形激光器迅速发展并得到了广泛应用。本文从光纤和几个主要光学器件的发展对布里渊光纤环形激光器的影响出发,综述了布里渊光纤环形激光器的发展历史,介绍了各种布里渊环形腔的特点,并探讨了它们的优点和存在的技术问题。布里渊光纤陀螺作为布里渊光纤环形激光器的主要应用,一经提出就受到了世界各国研究机构的普遍重视。与干涉型光纤陀螺相比,布里渊光纤陀螺采用的光纤长度要短得多,信号处理系统大大简化,在实现光纤陀螺高精度和小型化方面优势明显。文中还对布里渊光纤陀螺的原理和技术特点进行了分析,最后探讨了其发展过程中存在的技术问题及其发展前景。     

光纤陀螺高速检测电路设计

缩短光纤长度是光纤陀螺降低成本、实现小型化的重要手段，中介绍了一种适用于短光纤的光纤陀螺高速检测电路，并针对高速检测电路的几项关键技术进行了讨论。测试结果表明：高速检测电路比普通检测电路具有更高的性能，其应用于短光纤陀螺的方案是可行的。     

光纤陀螺光路小型化技术

介绍了光纤陀螺基本工作原理，描述了光纤陀螺小型化的意义。分别论述了基于光学器件小型化、光学集成技术、三轴光学器件共用技术实现光纤陀螺光路小型化的技术途径及可能效果，指出了三轴共用探测器技术可能存在的问题。研究成果对促进光纤陀螺的应用、光纤陀螺的实用化具有重要意义。     

光纤陀螺环路增益高精度实时检测与闭环控制方法

传统光纤陀螺控制算法,只能保证反馈通道增益的稳定,无法实现前向通道增益的实时检测与稳定保持,而前向通道增益稳定性是影响光纤陀螺性能、反映实际条件下光纤陀螺工作状态的重要参数之一.为此,提出了一种光纤陀螺环路增益高精度实时检测与闭环控制方法,利用新引入的增益监控调制信号实现了全环路增益的实时精确检测,采用增益闭环自动控制...     

向高精度发展的干涉型光纤陀螺仪技术

光纤陀螺仪是惯性系统中目前发展较快的全固态惯性敏感器.在光纤陀螺仪的发展过程中,先有开环式光纤陀螺仪用于战术级和大量民用,而后又发展成为全数字闭环干涉式光纤陀螺仪,逐渐用于导航级惯性系统.到20世纪90年代中期,人们看到了干涉型光纤陀螺仪的高精度发展潜力,开始了精密级光纤陀螺仪及其系统技术的研究工作.从发展角度看,高精度光纤陀螺仪将成为21世纪前期的发展重点.     

冲击作用下快响应光纤探针研究

为满足在特殊的环境条件下对冲击波速度、飞片速度等冲击波物理参数的精密测量要求 ,开发了一种快响应光纤探针技术。该光纤探针由一根一端镀膜的梯度石英光纤和一根金属套管构成。在测量爆轰波、飞片和冲击波到达时间的实验中 ,可达到纳秒甚至亚纳秒的时间响应。实验证明该技术是一种可靠的、高时间分辨率的测试手段。     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

光纤陀螺的热分析与热设计方法

光纤陀螺随温度变化产生的热噪声及热致非互易性相移误差直接影响其使用精度。为解决温度问题,分析了光纤陀螺工作的热环境,根据光纤陀螺的体积功率密度选择了自然冷却方法,包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或组合。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性及温度变化产生误差的机理,指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的温度场分布及最高温度,并对光纤陀螺的热设计方法进行研究,包括光纤线圈的热设计、光电器件的安装方式、控制电路的热设计等。由最后热仿真与测试结果可知,热设计方法合理可行。     

集成光芯片的电光性能测试方法

为了提高中低精度光纤陀螺工程化批产过程中的一致性和合格率,降低筛选成本,初步定量研究了铌酸锂集成光芯片的附加损耗、光克尔效应、分光比和偏振效应等重要参数对陀螺性能的影响和优化方法,并提出了电光性能的具体测试方法。通过输入特定方波、锯齿波、方波加阶梯波,可从输出波形上进行直观的判断,并可进一步给出性能优劣的量化指标,能够较为准确地进行芯片筛选,提高工艺水平。此项研究成果对铌酸锂集成光芯片的相关标准进行了补充,不仅可以帮助光纤陀螺的制作单位进行更合理可行的器件筛选,还可以帮助芯片的生产单位完善相应的参数测试工作,提高合格率。     

用于改善光纤陀螺全温标度因数变化的环圈制作工艺

全温标度因数变化大小直接影响光纤陀螺的应用效果。随着中高精度光纤陀螺在复杂工况下的广泛应用,对陀螺标度因数变化的要求也在不断提高。光纤长度和光纤环平均直径在全温范围内的变化量是全温标度因数变化最大的影响因素。本文介绍了控制该变化量的常规方式,并提出通过不同排纤方式和不同光纤环窗口比的方法来进一步减小这种变化量的方法。通过仿真和试验证实:某型中等精度光纤环在不同制作工艺条件下全温标度因数变化量有将近300×10~(-6)的差值。     

光谱带宽对单偏振光纤消光比的影响

消光比是表征单偏振光纤偏振性能好坏的特征参数之一,影响它的因素有很多,如光谱带宽。结合熊猫型单偏振光纤的测量,搭建了双轴光谱带宽测量系统,通过对单偏振光纤的光谱带宽、消光比参数的大量测量和分析,找到了光谱带宽对消光比参数影响的原因。结论是单偏振光纤的工作波长要远离光谱带宽的下限位置,即HE_(11y)模式的截止损耗峰,另外,要求HE_(11y)模式的截止损耗要陡峭,这样才能保证单偏振光纤具有高消光比特性。     

消除光纤陀螺死区的方法研究

光纤陀螺的工作原理和检测方法使得它从理论上将不存在死区，光纤陀螺的死区是因为电路的交叉耦合以及输出方式造成的。文中阐述了光纤陀螺死区的测量方法，分析和推导了死区产生的机理，提出了通过引入正弦信号减小或消除死区的具体措施，并进行了试验验证。结果表明，该措施可以大大减小或消除光纤陀螺死区，同时对陀螺的静态精度不产生影响。     

FRP混凝土结构力学性能的实验研究

本文首次引入基于马赫—曾德(Mech—Zehnder)原理的全光纤应变传感器系统到FRP混凝土结构的力学性能研究中，通过四点弯曲试验来测量试件内部的应力应变状态，并结合电测结果进行综合分析，为进一步的理论分析和计算奠定了实验基础．     

多次循环干涉型光纤陀螺仪的实验研究

详细介绍了循环干涉型光纤陀螺仪的实验装置及测试结果，给出了无源和有源补偿的两种敏感环结构下陀蛇分辨率公式。在实验装置中采用了大功率光源和低耦合比输入耦合器，以提高光波在敏感环中的循环次数。实验结果表明：光束在敏感环中循环了2－3次，并达到了较好的零偏稳定性。