諧振式光纖陀螺偏振噪聲研究.pdf

1、陀螺儀是用于測(cè)量載體旋轉(zhuǎn)角速度的一種慣性傳感器?；?Sagnac效應(yīng)的光纖陀螺具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)，抗震動(dòng)沖擊、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。諧振式光纖陀螺（Resonantor Fiber Optic Gyroscope, RFOG）以光纖諧振腔為核心敏感元件，利用光在諧振腔內(nèi)多次傳輸增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)，和成熟的干涉式光纖陀螺相比，RFOG利用較短的敏感光纖就能實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度，在小型化和集成化上具有明顯優(yōu)勢(shì)。針對(duì)長(zhǎng)期制約RFOG穩(wěn)定性

2、提高的偏振波動(dòng)噪聲，采用特殊光纖包括單偏振光纖（Single-Polarization Fiber，SPF）和保偏空芯光子晶體帶隙光纖（Hollow-Core Photonic Bandgap Fiber，HC-PBF）研制諧振腔，利用瓊斯矩陣方法建立了SPF混合諧振腔偏振特性分析模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了混合諧振腔結(jié)構(gòu)，提高了偏振波動(dòng)噪聲抑制效果；在保偏HC-PBF混合諧振腔中，則著重分析了諧振腔內(nèi)兩種不同光纖端面強(qiáng)反射特性對(duì)RFOG輸出波動(dòng)的

3、影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴正弦相位調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于 RFOG，論文著重對(duì)施加在相位調(diào)制器上的正弦信號(hào)調(diào)制頻率進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的光纖諧振腔（反射式和透射式），利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了諧振點(diǎn)處解調(diào)曲線斜率的解析表達(dá)式；繪制了解調(diào)斜率和調(diào)制頻率之間的關(guān)系曲線，得到了最大解調(diào)斜率所對(duì)應(yīng)的最佳調(diào)制頻率，相比于原有采用洛倫茲近似得到的最佳調(diào)制頻率，優(yōu)化后的調(diào)制頻率能夠?qū)⒔庹{(diào)曲線斜率提高近1倍；搭建了實(shí)際RFOG系統(tǒng)，對(duì)上述仿

4、真結(jié)果進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。⑴為了在更大溫度范圍內(nèi)減小偏振波動(dòng)對(duì)RFOG檢測(cè)精度的影響，論文提出了一種基于普通保偏光纖耦合器和SPF構(gòu)成的混合諧振腔技術(shù)?；诃偹咕仃嚨姆椒?，計(jì)算分析了各種不同諧振腔中的偏振波動(dòng)噪聲，研究發(fā)現(xiàn)，2次90°偏振軸旋轉(zhuǎn)熔接的全對(duì)稱混合諧振腔，在相同器件參數(shù)條件下，偏振波動(dòng)影響最?。患骖櫱逦群椭C振峰值兩個(gè)指標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，諧振腔測(cè)試清晰度為14.7，1.3mW入腔功率下，RFOG理論靈敏度為0.

5、32?/h；仿真結(jié)果顯示，100℃的溫度波動(dòng)，帶來(lái)的偏振噪聲約0.29°/h，相比于課題組前期提出的2次90°偏振軸旋轉(zhuǎn)熔接的起偏腔，偏振波動(dòng)噪聲降低了29倍；將上述全對(duì)稱SPF混合諧振腔應(yīng)用于實(shí)際RFOG系統(tǒng)，測(cè)試到的陀螺最小擺動(dòng)信號(hào)為±0.001°/s，1200s測(cè)試時(shí)間，零偏穩(wěn)定性為0.3°/h，隨機(jī)游走系數(shù)為0.08°/√h；進(jìn)一步的溫度特性測(cè)試表明，20分鐘時(shí)間，當(dāng)諧振腔溫度從15℃變化到27℃時(shí)，RFOG輸出偏置保持穩(wěn)定。⑶

6、為了從誤差產(chǎn)生根源上減小三大光學(xué)噪聲影響，采用一個(gè)普通保偏光纖耦合器和一段長(zhǎng)約10米的保偏HC-PBF直接熔接，構(gòu)成了一個(gè)反射式HC-PBF混合諧振腔。兼顧清晰度和諧振深度兩個(gè)指標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了HC-PBF混合諧振腔，測(cè)試清晰度和諧振深度分別為6.67和0.3246；利用傳遞函數(shù)的方法，對(duì)混合諧振腔內(nèi)的兩種不同光纖熔接點(diǎn)處的端面反射特性進(jìn)行了建模分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，混合諧振腔內(nèi)奇數(shù)次背向反射噪聲和普通保偏光纖諧振腔中的瑞利背散射噪聲