基于數(shù)字三角波相位調(diào)制的諧振式光纖陀螺.pdf

1、光纖陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的高精度慣性角速度傳感器，它在各種導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)中起著重要作用。目前，干涉式光纖陀螺技術(shù)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(dá)到相同的精度所需的光纖長度要短得多，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和小型化方面優(yōu)勢(shì)明顯，因此，研究R-FOG具有重要意義。R-FOG的信號(hào)檢測(cè)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(qiáng)、處理速度快和體積小

2、等優(yōu)勢(shì)，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(xué)的Hotate已經(jīng)提出了一種基于數(shù)字鋸齒波相位調(diào)制技術(shù)的R-FOG，然而，這種調(diào)制技術(shù)會(huì)給系統(tǒng)帶來復(fù)位脈沖誤差的問題。國內(nèi)雖然對(duì)R-FOG的研究已經(jīng)開展多年，但對(duì)數(shù)字R-FOG的理論和實(shí)驗(yàn)研究還不夠深入。本論文對(duì)基于數(shù)字三角波相位調(diào)制技術(shù)的R-FOG進(jìn)行了深入研究。該系統(tǒng)通過LiNbO3相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)三角波相位調(diào)制，采用以FPGA為核心的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)Sag

3、nac諧振頻率偏差的檢測(cè)。由于三角波相位調(diào)制不存在復(fù)位問題，因此，可以避免復(fù)位脈沖帶來的誤差。本論文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化，建立了R-FOG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了陀螺效應(yīng)。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(duì)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(duì)光纖環(huán)形諧振腔的輸入激光進(jìn)行頻率掃描時(shí)在時(shí)域上的動(dòng)態(tài)特性的研究，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析了R-FOG的動(dòng)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(diào)制技術(shù)的R-FOG開環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過三角波相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)雙頻率調(diào)制，根據(jù)雙頻率調(diào)制下的信號(hào)特點(diǎn)，說明了R-FOG系統(tǒng)的檢測(cè)原理。在R-FOG系統(tǒng)中，需要將其中一路的解調(diào)輸出信號(hào)反饋到激光器頻率控制端，實(shí)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(shù)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(duì)象，對(duì)系統(tǒng)的頻率跟蹤算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真表明該算法可以比較快地實(shí)現(xiàn)諧振頻率的跟蹤鎖定。基于上述理

5、論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)字檢測(cè)電路。 2、由于系統(tǒng)通過解調(diào)曲線實(shí)現(xiàn)諧振頻率偏差的檢測(cè)，因此，利用相位調(diào)制頻譜展開及光場(chǎng)疊加的方法推導(dǎo)了解調(diào)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并以載波和解調(diào)曲線特性作為研究對(duì)象，深入分析三角波波形參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。在R-FOG系統(tǒng)中，背向散射噪聲是影響檢測(cè)精度的主要光學(xué)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(shè)計(jì)了將載波抑制到0的最佳相位調(diào)制系數(shù)，并進(jìn)一步與正弦波相位調(diào)制技術(shù)比較后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三

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

7、最佳調(diào)制頻率使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍最大。解調(diào)曲線的零點(diǎn)誤差直接關(guān)系到陀螺所能達(dá)到的精度，因此，通過數(shù)字三角波和鋸齒波相位調(diào)制技術(shù)的對(duì)比，研究了解調(diào)曲線的零點(diǎn)特性，并且證明，相比于數(shù)字鋸齒波相位調(diào)制技術(shù)，數(shù)字三角波相位調(diào)制技術(shù)可以避免因?yàn)閿?shù)字臺(tái)階持續(xù)時(shí)間的變化而帶來的零點(diǎn)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(duì)它的特性進(jìn)行研究具有重要意義。以往對(duì)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(yīng)，而對(duì)時(shí)間域

8、上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)卻沒有深入研究。針對(duì)激光器頻率掃描實(shí)驗(yàn)中觀察到的諧振曲線振鈴現(xiàn)象，利用光場(chǎng)疊加原理分析了光在諧振腔中傳輸時(shí)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(shí)驗(yàn)研究得到了振鈴產(chǎn)生的條件和諧振曲線特性參數(shù)隨掃頻速度的變化關(guān)系，證明在頻率掃描的動(dòng)態(tài)條件下諧振曲線的形狀會(huì)發(fā)生變化。諧振曲線在動(dòng)態(tài)條件下的改變會(huì)對(duì)R-FOG的特性帶來影響，通過分析解調(diào)曲線零點(diǎn)特性證明，動(dòng)態(tài)條件下系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)誤差，且零點(diǎn)誤差隨系