谐振式光纤陀螺谐振腔传输模型仿真方法

谐振式光纤陀螺(RFOG)是一种以光纤环形谐振腔为核心敏感器件的惯性传感器。为提高仿真效率和适用性,提出了一种谐振式光纤陀螺快速运算仿真方法,搭建了谐振式光纤陀螺信号处理和闭环控制模型,其中模拟谐振腔多圈干涉耦合采用多核并行运算,包含光场叠加和传递函数两种形式。仿真结果表明所提方法仿真效率较高,平均在16s左右完成仿真,相比于原始模型的锁频程序运行效率提升了57.6%。同时两种仿真形式均适用于精度范围0.0001~1(°)/√h的谐振光纤陀螺仿真,有效适应不同仿真参数的测试要求。其中传递函数形式相较于光场叠加形式仿真效率提升了5.4倍,在±600(°)/s动态范围内标度因数非线性度降低了17%,而光场叠加形式的零偏不稳定性减小到0.652(°)/h,易于观察偏振波动误差特性。

宽谱光源谐振式光纤陀螺谐振特性分析

为优化宽谱光源谐振式光纤陀螺(RFOG)谐振腔设计,进行了RFOG谐振特性分析。首先,根据光场传输理论完成了宽谱RFOG光场传输特性分析,建立了宽谱RFOG谐振频差曲线模型,给出了谐振特性参数表达式。理论证明了宽谱RFOG的陀螺精细度和半高全宽约为谐振腔光谱曲线的1/2和2倍。其次,基于宽谱RFOG光场理论模型,分析了耦合器交叉耦合系数、附加损耗和谐振腔腔长等谐振腔关键光学参数对陀螺精细度和极限灵敏度的影响。最后,实验验证了谐振特性理论分析的正确性,并通过优化谐振腔参数实现陀螺零偏不稳定性0.059°/h,对谐振式光纤陀螺工程设计具有理论指导意义。

谐振式光纤陀螺系统建模及其应用研究

谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器,以其集成化高、成本低以及抗干扰性强等独有优势,逐渐成为下一代光学陀螺研究发展的热点。通过对谐振式光纤陀螺工作原理的分析,建立了陀螺数字信号处理系统可视化模型,并对系统谐振曲线和同步解调曲线等开环输出以及锁频反馈下闭环输出进行了模拟仿真。利用仿真模型分析了正弦波调制下谐振谱分裂现象,并搭建实验装置对其进行了验证。结果表明,实验中正弦信号调制频率高于系统谐振输出半高全宽一半,即对应2 MHz时,谐振谱分裂会导致同步解调输出线性区域出现明显失真,严重恶化了标度因数线性度。因此,搭建的谐振式光纤陀螺仿真模型能够准确而有效地模拟系统的工作状态,在系统噪声抑制和精度提升方面具有指导性意义。

Y波导温致半波电压特性对谐振式光纤陀螺的影响

针对基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺(resonant fiber optic gyroscope, RFOG)中Y波导调制器半波电压的温度影响,开展了Y波导温致半波电压特性对谐振式光纤陀螺影响的研究。建立了Y波导温致半波电压特性对基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统标度因素的影响规律模型,模型表明:Y波导调制器的温致半波电压特性会导致基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统的标度因素发生变化。搭建了用于宽谱光源的Y波导调制器半波电压测试系统,系统测试精度达1 mV。实验测试了全温范围内Y波导的温致半波电压特性在基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统中的影响,测试结果表明:Y波导调制器的半波电压与温度呈线性负相关;Y波导调制器的温致半波电压特性导致基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统的标度因素的最大相对变化误差为1 266.01×10^(-6)。

宽谱光源驱动的高精度谐振式光纤陀螺

针对高精度惯性导航系统对高精度小型化光纤陀螺的发展需求,开展了宽谱光源驱动的谐振式光纤陀螺(RFOG)技术研究。首先介绍了宽谱谐振式光纤陀螺的工作原理,对比分析了该种陀螺在角度随机游走上相对于发展较为成熟的干涉式光纤陀螺的优势;讨论了受散粒噪声制约的理论角度随机游走的影响因素,并结合光纤耦合器的损耗系数和谐振腔内的光纤传输损耗,对耦合器的耦合系数进行了优化设计,获得了宽谱RFOG系统的最佳角度随机游走理论值;利用优化后的耦合系数,设计并研制了总长为1020 m、内径为15 cm的透射式光纤环形谐振腔,并完成了宽谱RFOG系统的研制和测试。测试结果表明,陀螺角度随机游走为2.1×10^(-4)(°)/h^(1/2),零偏不稳定性为4.6×10^(-4)(°)/h,达到了战略级陀螺的精度范围。

基于暂态过程优化的谐振式光纤陀螺背向散射噪声抑制方法研究

针对谐振式光纤陀螺受背向散射噪声影响严重的问题,在优化三角波调制解调参数的基础上,提出了一种基于暂态过程优化的噪声抑制方法。该方法通过部分采样和均值滤波,在不改变陀螺光、电硬件配置的前提下,优化了三角波调制时存在的暂态过程现象,提高背向散射噪声的抑制比,改善解调曲线工作区的线性度。搭建样机并进行实验后,结果表明,基于暂态过程优化的噪声抑制方法能将暂态过程的占空比由64.3%降低至12.1%,解调后背向散射噪声的抑制比达到46.8%,且解调曲线工作区线性度达99.6%。可见,基于暂态过程优化的方法能有效提高谐振式光纤陀螺背向散射噪声的抑制能力,并改善解调曲线工作区的线性度。

基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺

针对谐振式光纤陀螺易受背向散射噪声影响,且温度适应性较差的问题,提出了一种基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺方案。该方案利用双闭环反馈结构,综合使用三角波相位调制和声光移频器的大频差调制,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检测精度。同时,通过在声光移频器产生的大频差中引入补偿项进行温度补偿,改善了温度适应性。在搭建样机进行对比测试实验后,实验结果表明,四态调制方案可以将陀螺室温环境下的零偏稳定性提升51.5%;变温环境下的零偏稳定性提升69.6%。可见,基于频差四态调制的方案能有效提高谐振式光纤陀螺抑制背向散射噪声的能力,并能改善陀螺的温度适应性。

谐振式光纤陀螺双光路调相谱最优参数确定方法

调相谱检测技术是谐振式光纤陀螺(R-FOG)角速率信号提取的关键技术,通过选取合适的调制参数,可大大提升陀螺的综合性能。利用相位调制频谱展开式,依据调相谱载波分量和调制信号的幅度关系,提出了双光路调相谱最优参数的确定方法,该方法在保证陀螺最佳灵敏度工作点的同时,有效地抑制了背向散射噪声的影响;在正弦波调相谱下,采用自外差法实测了相位调制器的半波电压,得到了调相谱载波分量与调制电压幅度的关系曲线,与理论分析相符;以长度为12 m的保偏光纤熔接环为敏感谐振腔,直径为0.15 m,耦合系数为50%,进行了不同角速率的转动测试,得到了动态范围为±480(°)/s、非线性度为3%的转动结果。

T型反馈网络在谐振式光纤陀螺频率锁定中的应用

谐振式光纤陀螺(R-FOG)的频率锁定是陀螺信号检测的关键技术,尤其在长时间的测试中,谐振频率的锁定稳定度决定了陀螺的输出性能。根据光纤环形谐振腔的传输理论,分析了其谐振特性及其一次谐波特性;搭建了R-FOG测试系统,采用正弦波相位调制解调技术实现谐振谱线一次谐波的输出;在分析由运算放大器构成的传统模拟比例积分(PI)电路的漂移误差源的基础上,给出了可以有效抑制漂移误差的T型反馈网络,应用到谐振式光纤陀螺的谐振频率锁定中,得到了较好的锁定效果,经Allan方差分析,谐振频率长时间(4000s)的锁定稳定度优于9×10-12。

谐振式光纤陀螺环路锁频技术研究

谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro,R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器.对基于调相谱检测技术R-FOG系统中的环路频率锁定技术进行了研究.通过对系统光学回路和处理电路部分分别进行建模,利用反馈控制系统理论,分析了整个环路的传递函数,得到了整个环路起主导作用的简化模型.利用该简化模型,在一定的光学回路参数条件下,得到了处理电路的最佳锁定参数,并进一步在实验中得到验证.

一种应用于谐振式光纤陀螺的数字双相位锁相放大器的设计

针对谐振式陀螺输出频率差信号微弱的特点,设计了一种应用于谐振式光纤陀螺的数字化双相位的锁相放大器,用于检测谐振式光纤陀螺Sagnac效应引起的角速度信号。该锁相放大器无需对参考信号进行相位调整即可实现对待测信号的鉴幅功能,改善系统检测系统的信噪比,实现微弱信号检测。采用数字电路实现该锁相放大器,并将其集成到FPGA上,有利于陀螺小型化和集成化。

调相谱检测技术下谐振式光纤陀螺实验研究

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是新一代光学传感器的代表。提出一种基于调相谱检测技术的R-FOG开环系统。作为核心敏感部件的谐振腔是由长度为5.5m的保偏光纤和耦合系数为20%的保偏耦合器组成。谐振腔直径为0.1m。根据测试其谐振曲线,得到该谐振腔的自由谱宽、半高全宽、清晰度以及谐振深度分别为35.7MHz、2.21MHz、16.2和0.95。由上述谐振腔参数计算得到该系统的极限灵敏度为4×10-7rad/s。利用声光调制器在R-FOG顺时针和逆时针光路中引入不同的频率差,用于等效陀螺转动引起的Sagnac频差,得到了陀螺的模拟开环响应曲线。根据得到的等效输出响应曲线,计算出该系统的动态范围可达+13.5rad/s到-13.5rad/s。由开环响应曲线中得到系统的检测灵敏度为0.03rad/s;采取措施克服系统中的噪声源,可以进一步提高系统的检测灵敏度。

谐振式光纤陀螺的温度特性

光纤环温度效应引起光纤双折射率变化,导致谐振式光纤陀螺中产生偏振波动噪声,影响陀螺零偏及标度因数。理论分析了光纤环温度变化对标度因数和零偏特性的影响;搭建了基于单路闭环谐振式光纤陀螺的静态模拟测试系统,测得动态检测范围为±169°/s,标度因数非线性度为0.235%;对谐振式光纤陀螺进行宽温度范围内全速率试验,测试标度因数及零偏温度特性曲线。结果表明:标度因数及零偏存在温度周期性;标度因数在一个周期内存在最低谷点,对应的零偏较大或达到最大值。

谐振式光纤陀螺闭环锁频系统

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来检测旋转角速率的一种新型光学传感器。利用闭环锁频系统可以减小光纤环形谐振腔受温度、应力等外界环境变化的影响,提高陀螺性能。提出了数字与模拟相结合的闭环锁频系统方案设计,克服了模拟锁频电路带来的电路温漂,采用模拟解调技术来降低了对系统A/D转换器的转换速度的要求,同时无需对复杂数字解调算法的研究。闭环锁频系统应用于陀螺测试系统中,实验测得10 s时间内的锁频精度为2.15(°)/s。

模拟环路实现谐振式光纤陀螺的频率锁定

在分析R-FOG工作原理的基础上,采用T型反馈网络作为运放的反馈回路,构建了PI控制器,以减小运放误差对PI输出的影响,将其应用到R-FOG闭环环路中,控制激光器的输出光波频率,实现了R-FOG谐振频率的长时间(4000s)的锁定,锁定稳定度优于9×10-12,10s积分时间输出下的频率锁定精度为0.24°/s。

谐振式光纤陀螺中偏振波动的影响

谐振式光纤陀螺是基于光学Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速率的一种新型光学传感器。通过对其噪声源的大量研究表明 ,偏振波动是谐振式光纤陀螺中的主要噪声因素之一。我们主要就偏振波动的产生机理及相应的补偿措施进行了详细分析。

谐振式光纤陀螺偏振波动噪声的温度特性

光纤环形谐振腔环境温度变化带来的偏振波动噪声是影响谐振式光纤陀螺检测精度的主要光学噪声源之一,通过控制谐振腔温度,可以使偏振波动噪声得到有效抑制。为了抑制偏振波动噪声,减小R-FOG精度受FRR温度变化的影响,从理论上分析了谐振腔温度变化对谐振曲线、解调曲线的影响;针对不同温度下光纤环的谐振特性、解调曲线特性、陀螺零偏及零偏稳定性开展了实验,并对实验结果进行了分析。结果表明,谐振腔的工作温度为27.00℃时,两本征偏振态相距最远,总谐振曲线关于谐振频率点对称,谐振频率点检测误差可以忽略;陀螺零偏稳定性近似等于谐振腔温度为25.50℃时的1/100,在150 s的采样时间内达到0.07°/s,陀螺检测精度得到很大提高。

谐振式光纤陀螺数字锁相放大器设计

介绍了基于双频率锯齿波组合调制的谐振式光纤陀螺(R-FOG)的检测原理,分析了数字系统信号相关检测的理论.通过分析陀螺输出信号的特点,利用可编程逻辑器件(FPGA)产生的同步方波进行解调,优化设计了一种用于R-FOG检测系统的数字锁相放大器,并分析了其相关检测的信噪比改善.应用于陀螺系统,实现了谐振频率快速、稳定的跟踪锁定.实验结果表明,设计的检测电路满足闭环反馈的精度要求,锁定时间为1.1 ms.

谐振式光纤陀螺的研究进展

谐振式光纤陀螺作为新一代惯性旋转传感器的代表 ,被广泛研究 .文章通过大量的文献调查和深入研究 ,对谐振式光纤陀螺的发展历史、基本工作原理、主要噪声因素及相应的补偿措施等进行了详细分析 ,并对谐振式光纤陀螺未来的发展趋势作了展望 .

数字调制的谐振式光纤陀螺

谐振式光纤陀螺是利用正反方向传播光波的谐振频差来检测旋转角速率的惯性传感器。由于模拟调制的方法无法达到较高的系统性能,提出了一种数字调制方法,此方法采用两种频率组合的阶梯波作为LiNbO3调制器的控制信号,对其进行数字调制。通过理论的研究和仿真,证明此种方法是切实可行的。