萨格纳克型的光纤振动传感器

研制了一种探针型的萨格纳克型光纤振动传感器,利用贝塞尔函数递推公式推导了振幅的测量算法。传感器使用980nm激光通过掺饵光纤泵浦出的1550nm的宽光谱光源,利用振动源在光纤环中产生的非互易相位调制,在输出端获得干涉信号。利用传感器对频率为8.1kHz到11.3kHz的振源进行了测量,实验数据与仿真分析一致,频率测量误差不超过0.6%,振幅测量数据的离散程度较小。     

光纤陀螺

1 前言光纤陀螺是利用Sagnac效应检测旋转角速度的一种光纤传感器。由于光纤陀螺(OFG)具有表1所列的许多特征,因此各国都在积极研究开发下一代陀螺。本文主要介绍OFG的原理、结构及其应用。     

基于微结构光纤和游标效应的高灵敏度压力传感器

结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及军事工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高,传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小,导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元,并对Sagnac环的感压部分进行封装,通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0~2.4MPa内,压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa,分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器,其压力灵敏度放大了16.7倍。此外,传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点,为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。     

基于光纤电流传感器的韦尔代常数优化测量法

韦尔代常数(Verdet)是决定光纤电流传感器(FOCT)灵敏度的重要因素之一。根据萨格纳克(Sagnac)干涉原理计算得到校准信号,并测量FOCT的实际输出信号,通过比较这两组信号建立目标函数,基于单纯形算法进行参数优化,从而得到石英光纤的韦尔代常数。实验结果与经典模型计算结果基本吻合。FOCT的输出信号经过测量电路会引入相位差;另外受到调制器和外界环境的影响,干涉回路的工作点会产生漂移,导致输出信号不对称而产生直流量。考虑到以上因素,提出的这种方法还能同时测量出电路的相位差、干涉回路的工作点以及反映非线性畸变的直流量。     

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。     

谐振式光子带隙光纤陀螺一体化方案

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案,设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统,并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60 s零漂为2.45 ()/s,及1 h长期稳定性为7.11 ()/s。同时,实现了对应陀螺输出50 ()/s（积分时间10 s）及100 ()/s（积分时间10 s）的模拟转速实验,验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性,为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。     

谐振式光子带隙光纤陀螺一体化方案

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案,设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统,并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60 s零漂为2.45 ()/s,及1 h长期稳定性为7.11 ()/s。同时,实现了对应陀螺输出50 ()/s（积分时间10 s）及100 ()/s（积分时间10 s）的模拟转速实验,验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性,为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。     

基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.     

混合结构的闭环光纤陀螺研究

提出并研制了混合结构的闭环光纤陀螺系统。详细分析了该系统的结构特点、信号检测方法以及反馈信号对系统的影响。该系统具有低损耗、长期低漂移特性。实现了３００ｄｅｇ．／ｓ的动态范围及小于３００×１０－６的线性误差。     

谐振式光子带隙光纤陀螺一体化方案（英文）

实现了使用光子带隙光纤的一体化谐振式光纤陀螺方案,设计并制作了谐振腔中基于微光学结构的耦合器。实验测得制作的谐振腔清晰度为3.7。搭建了基于该谐振腔的陀螺系统,并对其主、次偏振态的谐振曲线进行了实际测量。实验结果测得该系统60s零漂为2.45(°)/s,及1h长期稳定性为7.11(°)/s。同时,实现了对应陀螺输出±50(°)/s(积分时间10s)及±100(°)/s(积分时间10s)的模拟转速实验,验证了该陀螺系统的Sagnac效应。分析得到耦合损耗是影响该陀螺系统性能的主要因素。验证了该谐振腔结构具有应用于陀螺系统的可行性,为谐振式光纤陀螺性能进一步提高提供了参考。     

干涉式光纤陀螺中的Rayleigh散射研究

从光的干涉原理出发分析了Rayleigh背向散射对干涉式光纤陀螺性能的影响,得出了散射光强与光纤位置之间的关系式,绘制了散射光强与光纤中位置之间的关系曲线,得到了距离光纤的两个端点越远Rayleigh背向散射对光纤陀螺的性能影响越小的结论。研究结果对分析光纤陀螺的光路误差有一定的参考价值。     

光纤速度干涉仪

本文提出了一种用光纤作为延迟臂的新型速度干涉仪——光纤速度干涉仪,用以测量速度随时间的变化。选取不同长度的光纤,可测不同的速度范围。它扩展了测速范围,提高了测量精度。该系统提供两个相位差为90°的信号,因而提高了分辨率,并可鉴别加速与减速。     

单光纤光纤陀螺误差分析

单光纤光纤陀螺采用的是单光纤在线制作技术。由于这种方法是把所有的光器件都放在一根光纤上制作,因此各光器件的连接处没有融接点,并且光器件的性能可在线控制。在分析其结构的基础上建立了开环FOG的光学模型,并进行了误差分析。指出了单光纤光纤陀螺方案是低成本、高可靠性、易于工程化的一种方案。     

Towards a solid-state ring laser gyroscope

In this paper, we report our recent progress towards a solid-state ring laser gyroscope (RLG), where mode competition is circumvented by active control of differential losses, and nonlinear effects are mitigated by longitudinal vibration of the gain medium. The resulting dynamics is significantly different from that of a classical helium–neon RLG, owing in particular to parametric resonances that occur when the Sagnac frequency is an integer multiple of the crystal vibration frequency. We describe the main experimental and theoretical results obtained so far, and the prospects of practical applications in the near future.     

Construction and characterization of interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) with erbium doped fiber amplifier (EDFA)

Gyroscopes, which sense changes on absolute angular rate and are classified into Interferometric Fiber Optic Gyroscopes (IFOG), Ring Laser Gyroscopes (RLG) and Micro- Electro-Mechanical Systems (MEMS) Gyroscopes, are critical components of the navigation systems together with accelerometers. Being dominant over other types of gyroscopes in terms of performance and cost, IFOGs have widely been used in metrology and in particular defense/aerospace industry. This paper covers the design details of both optical and electronic components of IFOG prototype, the sensing mechanism of which is based on Sagnac Phase Shift, constructed in Optics Laboratory of National Metrology Institute of TURKEY as absolute angular rate sensor. In the prototype IFOG, open-loop configuration was applied, a single mode telecommunication optical fiber and an EDFA pumped by DFB laser emitting at 1549.0 nm were used as sensing coil and broadband source, respectively. The voltage data carrying Sagnac Phase Shift was extracted by a phase tracking circuit consisting of an active RC band pass filter, an amplifier with adjustable gain and an AD630 balanced modulator chip which was operated as lock-in. For the prototype IFOG, peak to peak noise of 8 (°/h) and bias stability of 1.57 (°/h) were attained respectively. Moreover the scale factor of 13.83 (°/h)/mV was derived with deviation of 0.73%.     

Proposal of a semiconductor ring laser gyroscope

We proposed a novel optical inertial rotation sensor using a semiconductor ring laser (SRL). The frequency difference between the two counter propagating oscillation frequencies was automatically generated in a mechanically rotated SRL, which consisted of a pig-tailed laser diode amplifier module. And the Sagnac frequency shift could be detected at the first time as a beat note by the terminal voltage change of the SRL without branching the circulating optical power. These experimental results verify that an SRL operates as an optical inertial rotation sensor based on the Sagnac effect.     

光纤激光陀螺系统的优化设计

分析研究了光纤激光陀螺系统的工作原理和基本构成,根据系统中各器件的性能指标对光纤激光陀螺的基本结构、性能参数进行了计算机模拟优化设计。采用双向激射双向输出结构保证光路的互易性。利用光纤环形器、掺铒光纤和光纤Bragg光栅实现滤模、选模和压缩线宽功能。针对其输出信号特点,提出利用偏振分束的方式判断陀螺工作转动方向,并最终计算陀螺转动角速度的信号处理方案。     

Single-mode fiber gyroscope with three depolarizers

In this letter we present a single-mode fiber gyroscope (FOG) with low long-term drift. Only single-mode fiber components except for three fiber depolarizers were used. A simplified mathematic model has been proposed to explain the bias stability of the gyro. Several open-loop and closed-loop FOGs with 0.1–0.5°/h drift have been demonstrated.     

光纤陀螺惯导系统航位推算误差补偿方法研究

 针对惯导系统定位误差随时间积累而增大的缺点,提出利用航位推算方法进行误差补偿。在航位推算中根据引起误差的主要因素推导出位置误差方程,以此方程为依据,建立相应的卡尔曼滤波器。将惯导系统速度与航位推算速度之差作为滤波器的输入,估计系统的姿态、速度、位置及里程计刻度系数误差值,并通过闭环反馈进行实时误差补偿修正。任选2条非闭合路径进行跑车实验,第一条路径定位误差补偿修正前是3.49‰,补偿修正后定位误差是2.3‰,第二条路径补偿修正前定位误差是2.4‰,补偿修正后定位误差是2‰。实验结果表明：采用航位推算误差补偿方法可以有效降低系统定位误差。     

光纤陀螺用掺铒超荧光光纤光源输出特性研究

介绍了掺铒超荧光光纤光源(SFS)的基本原理和SFS各种基本结构的特点。结合实际应用选择了单程后向(SPB) SFS作为光纤陀螺用光源。理论分析了影响单程后向掺铒超荧光光纤光源输出特性的各种因素。通过实验分析了铒纤长度对单程后向掺铒光纤光源泵浦效率和输出光谱的影响,特别是对中心波长稳定性的影响,对于单程后向结构掺铒光纤光源来说,铒纤长度有一个最佳值。演示了铒纤在选择最佳长度的情况下,泵浦功率对输出谱型的影响。通过实验分析了-40℃～60℃之间光源输出光谱和输出光功率的温度稳定性。最终得到了适用于惯导级光纤陀螺的光源。