谐振式光学陀螺噪声抑制技术研究现状(特邀)

谐振式光学陀螺仪利用光学谐振腔在时空上对光波极强的局域增强效应,有望成为兼具高精度和小体积的光学陀螺。然而,谐振式陀螺转动产生的Sagnac效应相对微弱,容易受到陀螺系统内非互易性以及互易性噪声的干扰,成为其精度提升的瓶颈。在陀螺的小型化过程中这一问题更加凸显。因此,对谐振式光学陀螺仪进行噪声抑制显得尤为重要。本文详细综述了谐振式光学陀螺中非互易性和互易性两大类噪声的原理及其抑制方法,总结了该领域近来年的研究现状及未来挑战与发展趋势,为我国谐振式光学陀螺发展提供参考。

干涉式集成光学陀螺关键技术及应用前景分析

干涉式集成光学陀螺仪利用光电子集成技术实现陀螺系统的芯片化,在实现高性能的同时,可实现批量化生产,满足低体积、重量、功耗和成本(SWa P+C)指标,在无人领域具有重要应用前景。根据干涉式集成光学陀螺的发展脉络及趋势,设计了基于氮化硅的低损耗波导环和单偏振波导谐振腔、异质波导集成耦合结构等关键部件,搭建了基于无源芯片与光纤环的干涉式集成光学陀螺实验样机,实现精度0.03°/h(Allan方差),为目前国内已有报道同类陀螺系统的最优精度。最后,给出了干涉式集成光学陀螺的应用前景分析。

谐振式硅基集成光学陀螺的偏振噪声建模与分析

偏振噪声是谐振式集成光学陀螺的主要光学噪声源,其存在大大降低了系统的精度,为了定量化研究谐振式集成光学陀螺偏振噪声的产生机理,利用琼斯矩阵和光束传播法建立了谐振式硅基集成光学陀螺偏振噪声模型,该模型综合考虑了波导传输介质中的光偏振态交叉耦合、应力双折射等的影响,有效地逼近了实际的物理系统。基于上述模型得出了谐振腔内二氧化硅波导本征偏振态交扰与陀螺极限输出之间的表达式。对波导谐振腔内与偏振相关的3个因素:输入光偏振态、温度波动和波导保偏性能进行了仿真分析。并通过在输入端插入高偏振度起偏器的实验装置,有效验证了所建偏振理论模型受输入光偏振态波动影响的正确性。

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±2×103rad/s的陀螺动态范围。

调制误差对谐振式集成光学陀螺性能的影响

采用LiNbO3相位调制器代替移频器可以明显提高调制的稳定性,但同时会引入相位调制波形失真产生的误差。分析了在采用正弦波开环相位调制技术对光路进行调制和解调时,相位调制器波形失真与陀螺输出特性的关系。通过数值仿真计算可知,调制波形的频率失真与由此引起的标度因数误差大致成线性关系;调制波形峰峰值波动引起的标度因数误差随着失真幅度的增大而急剧增大;并且当陀螺零偏为1(°)/s时,要求调制波形频率失真小于0.07%,峰峰值失真小于1.5%,波形频率失真的影响为峰峰值失真的20倍。因此在陀螺系统设计中应保证调制频率的稳定性。

谐振式集成光学陀螺噪声分析与实验研究

针对目前谐振式集成光学陀螺(IORG)输出检测精度与其理论极限灵敏度存在两个数量级差别的情况,分析了IORG系统中存在的主要噪声源;搭建了基于单光路锁频和单光路输出的IORG噪声分离系统;分别对无光情况下信号检测系统中各部分的噪声以及陀螺静态频率锁定情况下各部分的噪声影响进行了测试与分析;得到了系统的噪声分布情况。实验结果表明:光路噪声以及包括探测器热噪声和散粒噪声的电路固有噪声为系统的主要噪声源。

谐振式集成光学陀螺中电流调谐致强度噪声研究

采用半导体激光器(LD)是谐振式集成光学陀螺(RIOG)小型化发展的重要趋势,但是LD的电流调谐特性会引入强度噪声.理论分析了电流调谐致强度噪声对开环RIOG性能的影响,得到频率锁定位置与LD输出光强之间为线性关系.随后,提出了基于频率锁定位置的强度噪声抑制方案,通过频率锁定位置实时监测LD输出光强的变化,根据监测值得到补偿系数,并补偿陀螺输出.建立了抑制电流调谐致强度噪声的理论模型,并进行了实验验证,RIOG的零偏稳定性由0.768(°)/s提高到0.103(°)/s.

一种基于硅基波导的新型谐振式集成光学陀螺(英文)

介绍了一种基于单偏振波导环形谐振腔的新型集成光学陀螺及单偏振环形波导谐振腔的实现方法。其中单偏振光波导由SiO2衬底层、锗掺杂SiO2波导芯层和SiO2上包层组成,整个结构可用硅热氧化技术和PECVD技术生长在硅衬底上。用BPM(束传播法)对设计的单偏振环形谐振腔的传输特性进行仿真分析。结果表明,当入射光波长为1550nm时,此单偏振波导谐振腔对TM模式传输光的消光比是25dB/cm,而对TE模式传输光的传输损耗是0.05dB/cm,谐振腔的精细度可达到35。单偏振波导谐振腔的这些特点适于集成光学陀螺的应用要求,由其研制的集成光学陀螺的分辨率可达到16(°)/h。

用于集成光学陀螺的波导谐振腔设计

给出了一种集成光学陀螺谐振腔的优化设计方案,在保证集成光学陀螺精度的同时更利于微型化。选用传输损耗为0.01dB/cm的硅基二氧化硅材料作基底,谐振腔内损耗仅为0.5dB,保证了谐振腔的高清晰度;采用准单模矩形波导结构,利用弯曲波导对一阶模的有效限制实现了光的基模传输,利于谐振腔的小型化;分析了波导的传输损耗、波导耦合器分光比对谐振腔性能及陀螺极限灵敏度的影响,得出波导耦合器分光比的优化参数,并仿真得到谐振腔的谐振清晰度达到70以上。在激光器线宽为30kHz,探测器响应度0.95A/W,积分时间为10s的条件下,系统的极限灵敏度为1.6°/h。

谐振式微光学陀螺偏置频率调制技术研究

谐振式微光学陀螺(RMOG)是一种基于光学Sagnac效应的新型角速度传感器。提出了基于模拟波形连续线性相位调制技术的偏置频率调制。与传统的双频率锯齿波调制以及数字调制方法相比,偏置频率调制消除了由于锯齿波回扫或数字波形中的台阶效应引入的脉冲噪声。从理论上推导了连续线性相位调制波形参数与陀螺的动态范围和灵敏度的关系,得出波形参数的选取原则。实验采用自由谱宽、谐振清晰度分别为1.6GHz和60的集成光学谐振腔陀螺构建RMOG系统,得到1h陀螺零偏稳定性1.06×10-3rad/s、±500°/s动态范围内陀螺输出非线性度小于1%。

谐振式光学陀螺数字陀螺信号的提取技术(本期优秀论文)

针对谐振式光学陀螺模拟量式陀螺信号中叠加正弦噪声的问题,提出基于NAND FLASH的数字式陀螺信号提取方式,详细阐述了型号为MT29F64G08AFAAA的FLASH操作过程。进行了样机转动和零偏稳定性测试,并对测试结果进行了Allan方差拟合,辨识出模拟量中的正弦噪声。

外腔半导体激光器在谐振式光学陀螺中的应用研究

陀螺是一种高精度的惯性传感器件,作为第二代陀螺的谐振式光纤陀螺,在理论上精度高于第一代干涉型光学陀螺。但是谐振式光学陀螺对光源有一个苛刻的要求,需要光源的调谐范围要宽,线宽要窄。一般达到要求的光源体积都很大,不利于谐振陀螺的小型化和成品化。基于谐振式陀螺的检测原理,提出了一种基于外腔半导体激光器的谐振陀螺控制方案,对光源的调制信号进行了分析,提出了温度恒定,控制电流的控制方案。并对外腔激光器电流特性和谐振陀螺入谷信号进行了分析。

一种新型的再入式集成光学光纤陀螺研究

给出了一种改进型的再入式集成光学光纤陀螺方案,在保持再入式集成光学光纤陀螺低成本、高温度稳定性、小型化特点的条件下,通过偏振转换集成光学多功能器件(TMIOC)的使用,有望消除光纤环多次再入的本征损耗,减小总光损耗,提高信噪比,并可实现无光放大器(SOA)的高灵敏度光纤陀螺系统。TMIOC器件的位相调制器部分(PM)采用退火质子交换波导(APE),实现天然的高偏振特性;PS是采用双模耦合方式实现的偏振模分离器,分离比达到20dB;PT是声光模转换器,实现TE和TM偏振模的相互转换,转换效率达到99%以上,声波功率小于20mW。目前的器件指标适合较长的光纤长度和较少的再入次数,满足高灵敏度光纤陀螺系统的要求;通过提高器件指标,如进一步提高响应速度,降低插入损耗,可实现较短的光纤长度和较多的再入次数的小型化、高灵敏度、低成本的第二代光纤陀螺系统的制作。

谐振式光学陀螺光源小型化驱动器的设计

提出并设计了基于升压型DC/DC转换器的激光器压电陶瓷驱动器,分析了DC/DC转换器的开关电源噪声对ROG系统的影响,通过优化设计实现了电源噪声的消除,满足了ROG系统检测需求,为小型化、高精度压电陶瓷驱动电源的设计提供了参考。

谐振式光学陀螺的快速锁频技术

通过搭建谐振式光学陀螺(R-MOG)测试系统,对光纤环形谐振腔(FRR)的谐振特性及其一次谐波特性进行分析,提出一种数字比例(PI)闭环反馈控制的方法,将光源的输出频率精确锁定在环路的谐振频率点处。采用数字锁频方式应用于R-MOG中,优化锁频技术,实现谐振频率在4 000 s的锁定,稳定度优于9×10^(-12)。测试表明,该数字锁频技术提高了陀螺的灵敏度和输出稳定度,具有快速、准确及适用范围广等优点,为R-MOG提供了新的检测方法,具有较高的工程应用价值。

谐振式光学陀螺小型化光源频率跟踪锁定研究

谐振式光学陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度新型角速度传感器,通过检测谐振腔顺逆时针两路光路的谐振频差得到角速度。谐振式光学陀螺的小型化关键是实现光源的小型化。基于半导体窄线宽小型化光源调制方式的特点,分析了谐振谷的频率跟踪锁定问题,实现了陀螺的频率跟踪控制。

谐振式光学陀螺中的偏振波动及其影响

谐振式光学陀螺(ROG)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。根据矩阵法,得到ROG中偏振波动引起的系统零漂的解析表达式。利用该解析表达式,估算达到谐振式集成微光学陀螺系统中等精度要求所需的偏振匹配参数。通过实验,验证偏振控制器对抑制偏振噪声的效果。

谐振式光学陀螺自适应逼近式频率锁定技术

提出并设计了基于FPGA的自适应逼近式锁频伺服控制器,详细阐述了自适应逼近式锁频技术的算法流程,简化了闭环锁频控制系统参数整定的过程。搭建了单路静态模拟转动系统,测试了锁频控制系统对阶跃信号的响应能力;提出了设置分段阈值和步进的优化方法,解决了锁频精度与锁频跟踪速度的矛盾;在谐振式光学陀螺的实际转动测试中,得到了8.34 k Hz的锁频精度和优于25 k Hz/us的锁频跟踪速度。实验表明所设计的自适应伺服控制器,满足了谐振式光学陀螺检测系统对谐振频率高精度锁定及快速跟踪的要求。

谐振式光学陀螺的两种相位调制波形比较

调相谱技术在谐振式光学陀螺信号检测过程非常重要,其中调相波形的选择在抑制光电噪声、实现高精度锁频尤为关键。理论分析了正弦波与三角波信号的调制及光电检测机理。设计并搭建光学平台,对双路谐振式光学陀螺分别采用这两种信号进行调制,得到了两路信号的锁频精度及输出精度。最后分析对比了采用正弦波与三角波信号调制的实验结果:采用正弦波调制的效果优于三角波一倍以上,可以有效解决三角波调制过程存在的瞬态响应噪声;为谐振式光学陀螺进一步调相集成提供理论及实验支撑。

谐振式光学陀螺环路的建模与仿真

介绍了谐振式光学陀螺整个系统的环路结构,根据谐振式光学陀螺工作原理,建立了谐振式光学陀螺的环路模型,通过分析模型锁频前后的仿真曲线,表明该模型输出结果符合理论要求。该模型可用于系统的优化设计,为其提供理论和数据支撑。