基于數(shù)字三角波相位調制的諧振式光纖陀螺.pdf

1、光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的高精度慣性角速度傳感器，它在各種導航和制導系統(tǒng)中起著重要作用。目前，干涉式光纖陀螺技術已經(jīng)成熟，但它在系統(tǒng)的小型化方面存在困難。與干涉式光纖陀螺相比，諧振式光纖陀螺(R-FOG)要達到相同的精度所需的光纖長度要短得多，在實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和小型化方面優(yōu)勢明顯，因此，研究R-FOG具有重要意義。R-FOG的信號檢測方法分為數(shù)字和模擬兩種，數(shù)字電路相比于模擬電路具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、處理速度快和體積小

2、等優(yōu)勢，因此，系統(tǒng)的數(shù)字化是R-FOG向高精度和小型化發(fā)展的必經(jīng)之路。日本東京大學的Hotate已經(jīng)提出了一種基于數(shù)字鋸齒波相位調制技術的R-FOG，然而，這種調制技術會給系統(tǒng)帶來復位脈沖誤差的問題。國內雖然對R-FOG的研究已經(jīng)開展多年，但對數(shù)字R-FOG的理論和實驗研究還不夠深入。本論文對基于數(shù)字三角波相位調制技術的R-FOG進行了深入研究。該系統(tǒng)通過LiNbO3相位調制器實現(xiàn)三角波相位調制，采用以FPGA為核心的數(shù)字電路實現(xiàn)Sag

3、nac諧振頻率偏差的檢測。由于三角波相位調制不存在復位問題，因此，可以避免復位脈沖帶來的誤差。本論文對該系統(tǒng)進行了總體方案設計及參數(shù)優(yōu)化，建立了R-FOG實驗系統(tǒng)，測試了陀螺效應。此外，由于在R-FOG中，光纖環(huán)形諧振腔是其核心敏感部件，而以往對諧振腔的分析多集中于頻域上的穩(wěn)態(tài)特性分析，因此，論文開展了對光纖環(huán)形諧振腔的輸入激光進行頻率掃描時在時域上的動態(tài)特性的研究，并以此為基礎，進一步分析了R-FOG的動態(tài)特性。具體的工作和成果如下：

4、1、建立了基于數(shù)字三角波相位調制技術的R-FOG開環(huán)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過三角波相位調制實現(xiàn)雙頻率調制，根據(jù)雙頻率調制下的信號特點，說明了R-FOG系統(tǒng)的檢測原理。在R-FOG系統(tǒng)中，需要將其中一路的解調輸出信號反饋到激光器頻率控制端，實現(xiàn)激光器頻率和諧振頻率的跟蹤鎖定，因此頻率反饋跟蹤技術將直接影響系統(tǒng)的鎖定精度。以諧振頻率偏差作為研究對象，對系統(tǒng)的頻率跟蹤算法進行了優(yōu)化設計，仿真表明該算法可以比較快地實現(xiàn)諧振頻率的跟蹤鎖定。基于上述理

5、論基礎，設計了基于FPGA的數(shù)字檢測電路。 2、由于系統(tǒng)通過解調曲線實現(xiàn)諧振頻率偏差的檢測，因此，利用相位調制頻譜展開及光場疊加的方法推導了解調曲線的數(shù)學表達式，并以載波和解調曲線特性作為研究對象，深入分析三角波波形參數(shù)對系統(tǒng)的影響。在R-FOG系統(tǒng)中，背向散射噪聲是影響檢測精度的主要光學噪聲之一，而抑制載波分量可以減小背向散射噪聲。以此為依據(jù)，設計了將載波抑制到0的最佳相位調制系數(shù)，并進一步與正弦波相位調制技術比較后發(fā)現(xiàn)，當三

6、角波與正弦波的相位調制系數(shù)與各自的最佳值偏離相同的量時，正弦波調制比三角波調制的載波增量更大，這說明三角波相位調制更有利于載波的抑制。提高解調曲線在諧振點的斜率有助于提高系統(tǒng)的檢測精度，因此，分析了三角波相位調制系數(shù)和調制頻率對解調曲線諧振點斜率的影響，并以解調曲線諧振點斜率最大化獲得了最佳調制頻率。除檢測精度外，動態(tài)范圍也是陀螺的重要指標，分析了三角波調制頻率對陀螺動態(tài)范圍的影響，并通過仿真證明，在不同標度因數(shù)非線性度數(shù)值下，有不同的

7、最佳調制頻率使系統(tǒng)動態(tài)范圍最大。解調曲線的零點誤差直接關系到陀螺所能達到的精度，因此，通過數(shù)字三角波和鋸齒波相位調制技術的對比，研究了解調曲線的零點特性，并且證明，相比于數(shù)字鋸齒波相位調制技術，數(shù)字三角波相位調制技術可以避免因為數(shù)字臺階持續(xù)時間的變化而帶來的零點誤差。 3、光纖環(huán)形諧振腔是R-FOG系統(tǒng)的核心敏感部件，因此，對它的特性進行研究具有重要意義。以往對光纖環(huán)形諧振腔諧振特性的分析主要集中在穩(wěn)態(tài)條件的頻率響應，而對時間域

8、上的動態(tài)響應卻沒有深入研究。針對激光器頻率掃描實驗中觀察到的諧振曲線振鈴現(xiàn)象，利用光場疊加原理分析了光在諧振腔中傳輸時的相位特性，揭示了最佳相消干涉條件的破壞是振鈴出現(xiàn)的直接原因。通過理論及實驗研究得到了振鈴產生的條件和諧振曲線特性參數(shù)隨掃頻速度的變化關系，證明在頻率掃描的動態(tài)條件下諧振曲線的形狀會發(fā)生變化。諧振曲線在動態(tài)條件下的改變會對R-FOG的特性帶來影響，通過分析解調曲線零點特性證明，動態(tài)條件下系統(tǒng)會產生零點誤差，且零點誤差隨系