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。

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。

混合调制技术在光纤通信系统功耗优化中的应用研究

随着信息技术的迅猛发展,光纤通信技术已成为现代通信系统中不可或缺的一部分。然而,随着通信系统规模的不断扩大和带宽需求的增加,如何降低功耗已成为通信系统设计时的核心挑战。在这一背景下,混合调制技术因其在降低功耗方面的优良表现而备受关注。因此,文章探讨混合调制技术在光纤通信系统中的应用,详细阐述其降低功耗的原理,旨在为相关领域提供切实可行的指导,推动通信技术的持续发展与进步。

侧边抛磨光纤中传输光功率变化的实验研究

针对轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤,研究了在侧边抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤传输光功率随覆盖材料折射率变化的特性.研究表明,侧边抛磨光纤中传输光功率会随抛磨区覆盖材料折射率的变化而改变.当覆盖材料的折射率小于1.4378时,光功率损耗近似为零;而当覆盖材料的折射率逐渐增大接近1.4521时,光功率损耗迅速增大至最大值.当覆盖材料的折射率由1.4532逐渐增大时,光功率损耗由最大值逐渐减小,最终维持在某个确定的值.侧边抛磨光纤并不是抛磨深度越深,损耗就越大.侧边抛磨光纤中传输的光功率存在波长相关损耗(WDL).实验结果与理论结论符合较好.

非理想闭环光纤陀螺零偏与光功率的关系

理论分析了非理想工作状态下闭环光纤陀螺的输出与探测光功率的关系.实验研究了探测光功率发生变化时,由电路误差导致的闭环光纤陀螺附加零偏的变化特性,明确指出了两者之间的关系.探讨了光路缺陷导致的附加零偏与光功率的关系,指出在作者实验室目前的技术条件下,观察不到由光路缺陷导致的附加零偏与光功率的关系,但不能肯定光路缺陷导致的附加零偏与光功率一定无关.

宽带光源光谱不对称性对光纤陀螺性能的影响

光谱不对称性是宽带光源的非理想特性之一,这种特性对标度因数的影响在中高精度光纤陀螺中会逐渐显现出来。为了分析光谱不对称性及其对光纤陀螺的影响,结合光纤陀螺所用宽带光源的典型光谱参数,对宽带光源的光谱不对称性进行了理论计算,分析了传统量化光谱不对称性方法存在的问题和局限性,并在此基础上提出了一种更加准确合理的光谱不对称性的量化指标。研究表明,光谱不对称性会产生相对相位误差,并在调制通道中产生视在增益误差,导致陀螺第二反馈回路"错误"调整调制通道的增益,引起光纤陀螺标度因数的非线性误差。对于类矩形光谱当不对称度小于10^(-2)时,视在增益误差引起的标度因数非线性误差会达到25′10^(-6)。因此在进行光源设计时需要将光谱不对称性作为一个定量考虑的指标。

总方差方法在光纤陀螺随机误差分析中的应用

总方差方法被引入到光纤陀螺随机误差特性分析当中,有效克服了传统Allan方差法在长相关时间上计算易出现"崩溃"的问题。但用它直接分析光纤陀螺随机噪声存在算法偏差,不能真实反映角度随机游走噪声、量化噪声和指数相关噪声方差值,因此在算法上对总方差提出改进,使其适用于光纤陀螺噪声分析。对模拟的各项随机噪声进行仿真计算,验证改进后总方差方法可有效辨识噪声类型和水平。对光纤陀螺实测数据方差分析表明改进的总方差方法在平均因子较大的情况下可提高估计置信度,方差值稳定性好,比Allan方差法能更精确地分析出噪声项系数。

高精度光纤陀螺光源强度噪声的抑制

掺铒超荧光光纤光源的光源强度噪声是影响高精度光纤陀螺随机游走系数的主要因素。为了降低陀螺随机游走系数,进一步提高陀螺精度,提出了一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法。利用耦合器两个输出端输出光的相关性,将两束光转换为电信号送入FPGA中,用数字电路相减法实现光源强度噪声的抑制。通过Allan方差法对抑制前后陀螺输出数据的分析结果可以看出,采用数字相减法可以有效的抑制光纤陀螺的光源强度噪声,角随机游走系数与抑制前相比减小33%。该方法与以往的方法相比,具有工程实现简便、可靠性高、维护容易等优点。

利用信号相关性抑制光纤陀螺强度噪声

提出了一种利用陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号相关性估计光源强度噪声抑制效果的方法,并在现场可编程门阵列(FPGA)中进行了实时估计。根据估计结果,判决是否进行强度噪声相减,以提高光纤陀螺强度噪声抑制方法的可靠性。理论分析表明,强度噪声抑制效果与信号相关性直接相关。利用该方法,对某高精度干涉型光纤陀螺进行了实验。结果表明,当陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号互相关系数为0.91时,干涉信号噪声方差降低至17.16%,然而,当上述互相关系数为0.28时,噪声相减法反而使干涉信号噪声方差增大至143.18%,由此验证了理论分析结果。利用该方法可以在线检测陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号的相关性,进而避免噪声相减法中当陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号相关性较差时,光纤陀螺噪声不降反升的情况,提高了强度噪声相减法的可靠性。

光源光功率和偏振度对闭环光纤陀螺的影响

在建立闭环光纤陀螺光路数学模型的基础上,结合检测电路的闭环算法,分析了光源光功率、偏振度对闭环光纤陀螺的影响,推导出闭环光纤陀螺固有的标度因数误差,并进行了计算机仿真和实验验证,结果表明在实际闭环光纤陀螺中电路增益已经足够大使得光功率波动对其没有影响;通过减小和稳定光源出射光的偏振度有利于降低陀螺噪声,提高零偏长期稳定性和减小闭环光纤陀螺固有标度因数误差。

光源调制全光纤电流互感器的研究

介绍了全光纤电流互感器的结构,分析了系统输出信号的特点,指出工频干扰及线性双折射效应是影响系统稳定性的主要问题.提出并实现了基于光源调制的抑制工频干扰方法.该方法利用2000 Hz的方波光源作为互感器的光驱动,系统的输出信息由原来的一路变成了两路,通过两路信息的融合有效地抑制了电路工频干扰.理论分析及实验结果表明,在不增加系统复杂性和硬件投入的条件下,该方法不仅抑制了电路中的低频干扰,还有效地抑制了工频干扰,提高了系统的信噪比,为提高全光纤电流互感器系统的稳定性和可靠性提供了新的方法.

单模光纤耦合器的偏振温度特性研究

理论分析并研究了温度变化对单模光纤耦合器的偏振特性的影响.推导了单模光纤耦合器输出消光比与输入消光比、模式耦合率的关系表达式.利用多个偏振特性不同的光源,进行了在快速温度变化条件下单模耦合器输出消光比随温度变化的测试实验,证明了采用低偏振的光源有利于降低单模耦合器中因温度变化引起的模式耦合效应.最后仿真计算了在光源输出消光比不同的情况下模式耦合引起的光纤陀螺输出误差的大小,为不同环境应用的光纤陀螺选取合适的光源提供了参考.

光纤陀螺SLD光源的驱动控制研究

光纤陀螺(FOG)作为一种新型角速度传感器正在飞速发展。SLD(超辐射二极管)光源的稳定性对光纤陀螺的性能有极其重要的影响。从分析SLD的特性及FOG对其驱动控制的要求出发,提出了几种驱动控制实现方案,并对其可行性进行验证。

光纤出射光强分布研究

对多模光纤出射光束的光强分布用横向位移法进行了理论分析和实验研究,并用数值计算的方法分析实验测量数据.结果表明,高斯光束可以很好地描述光纤出射光强的分布,光纤出射光束光强分布参数主要与光纤芯径和出纤光功率等有关,为强度调制型光纤传感器的优化研制提供了必要的实验依据.

超辐射发光二极管参数建模及其补偿技术

为了获得理想的光纤陀螺性能,分析了驱动电流和温度对超辐射发光二极管(SLD)特性的影响,利用多项式回归的方法对其出射光功率、偏振度、中心波长建立了理论模型,并检验了模型的显著性;在对应电路中利用一个温度传感器和一个探测器去实时计算模型参数。在此基础上,根据光功率、偏振度和中心波长对光纤陀螺的影响机理,提出了补偿方案,最后进行了实验验证。结果表明,该方法能够较好地补偿各种因素导致的光功率变化,及其在补偿光功率过程中所带来的偏振度和中心波长变化对光纤陀螺的影响,从而提高了光纤陀螺的性能。

光纤陀螺低温快速启动技术

光纤陀螺的启动时间与超辐射发光二极管(SLD)的输出性能密切相关。论文建立了SLD的ArcTan模型,并利用该模型分析光功率的温度敏感度和驱动电流敏感度。结果显示低温启动时,改变驱动电流可更快实现光功率稳定(与变温控制相比)。以此为指导设计了新型驱动电路,实现光功率自动控制,有效缩短光纤陀螺低温启动时间。论文描述了SLD的新型数学模型,设计出SLD的新型驱动电路。以低温(的40℃)启动时间较长(～8.5s)的陀螺仪表为应用对象,改进驱动电路后,该仪表可在2.5s内完成启动。

一种光纤传感器光源驱动电路的设计

半导体激光器作为光纤传感器的光源,其输出功率的稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。根据光源的工作原理和输出特性,设计了一种应用于低温环境下的光源驱动电路。该电路基于自动功率控制(APC)原理,并引入了慢启动电路,有效防止了电源电压带来的干扰,延长了激光器的使用寿命。通过实验验证,该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题,其稳定度优于0.5%,达到了较好的稳流效果。

超荧光光源中掺铒光子晶体光纤辐射效应

研究伽马辐射对基于掺铒光子晶体光纤超荧光光源输出特性的影响.对比基于掺铒光子晶体光纤和传统掺铒光纤超荧光光纤光源.分别将这两套光源的掺铒光纤部分置于伽马辐射环境中,研究不同辐射剂量对光源输出功率和平均波长的影响,测试辐射结束后光源的恢复情况.结果表明,两种掺铒光纤的辐射效应所引起的超荧光光纤光源性能退化基本相近,但相比传统掺铒光纤,掺铒光子晶体光纤具有更好的恢复特性,在空间领域应用具有潜在优势.

光纤陀螺光源驱动电路设计

结合光纤陀螺光源驱动的特点,设计了高精度恒流源及精密温控、光控电路,用于驱动光纤陀螺光源。测试结果表明,在环境温度-20℃～+60℃内,恒流精度优于0.01%,温控精度达到0.01℃,输出光功率的变化在0.04%以内,较通用的光源驱动电路提高了一个数量级。