谐振式光纤陀螺的光学噪声抑制与信号检测技术

发布时间：2018-01-05 05:00

本文关键词：谐振式光纤陀螺的光学噪声抑制与信号检测技术　出处：《深圳大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：谐振式光纤陀螺是一种基于光学Sagnac效应对角速度进行检测的角速度传感器,具有不易磨损、灵敏度高、动态范围广、无预热时间、抗冲击能力强、易于小型化、造价低等优点,有着巨大的市场应用前景,因此迅速成为研究热点。但Sagnac效应产生的光信号极其微弱,很容易被淹没在各种噪声之中,因此,降低噪声的影响,对提高谐振式光纤陀螺的精度具有重要的研究意义。针对背向散射噪声、偏振噪声的抑制,以及调制解调技术设计问题,论文的主要研究内容与成果如下:背向散射噪声包括瑞利背向散射和受激布里渊散射,其影响在于背向散射光强本身对信号检测的干扰,以及背向散射光和信号光之间的干涉光对检测的干扰。本文搭建背向散射观察光路,通过观察背向散射曲线峰值的波动情况,得出受激布里渊散射的阈值功率为5.90 mW。针对背向散射噪声,通常的抑制办法是使用不同频率的波形对两路信号光进行调制,以及对信号光的载波幅度进行抑制。通过自外差光路可以得到调制电压幅度与载波幅度的关系,对自外差光路的光波传输过程进行了推导,验证了实验的可行性,得到了理论上的调制电压与载波抑制量的关系式,最后通过实验得出了最佳载波抑制时的电压值。实验证明,在优化了调制电压后,谐振信号较不优化时平滑,并且线性区的线性度也提高了3倍。偏振噪声是由于光学器件的不理想以及外界环境变化引起偏振态耦合,谐振环内同时出现两个本征偏振态,而环境变化又使光纤中的双折射率发生变化,导致谐振环中传输的两个本征偏振态相位不稳定,造成偏振态串扰,对谐振曲线的质量有极坏的影响。对于偏振噪声,本文对其影响、特性和来源进行了分析,并得出引起偏振噪声的两个主要原因。随后介绍了针对这两个原因而被提出的偏振噪声抑制办法,并依照实验条件选择了以反射式谐振环作为结构,偏振轴旋转90°熔接的方案。接着对90°熔接对偏振波动的抑制机理进行了公式推导,得出当偏振轴旋转90°熔接时,两个本征偏振态的相位差固定为90°的结论。最后,通过实验测得谐振环的偏振度误差约为0.653%,在接入窄线宽激光器并进行扫频后,测得谐振谷的谐振深度下降50%,为0.4975,解调曲线线性度为0.001238。在到范围内,总FSR围绕3.084 MHz上下波动,标准差为0.194,两本征偏振态相对距离保持在2.72 rad到内。目前谐振式光纤陀螺常见的对于正弦波的数字调制解调技术是CORDIC算法,本文首先针对(1)FIR滤波器占用FPGA资源过多(2)FIR滤波参数设计困难(3)利用CORDIC算法得到的解调曲线进行频率锁定时易受零点漂移的影响等三个问题提出了一种新的解调方法,通过对采样相减的方式获取叠加正弦波的幅度值,得到解调曲线,并可以将该幅度值作为锁定程序的偏差值,避免了零点漂移带来的锁定误差。正弦波调制后的谐振曲线由于波动较大,难以判断激光器中心频率是否已经进入谐振谷,针对这个问题设计了一种用于获取入谷判据的算法,锁定模块通过该判据决定反馈电压增长的步长,并以采样相减法得到的幅度值作为偏差输入,实现快速锁定,最后得到了2.77 ms的锁定速度,锁定稳态误差为0.35°/s。针对激光器输出功率稳定性的问题,设计了一个自扫描模块,对入谷判据重新调整,以提高陀螺系统的稳定性。最后,经检测,优化后的陀螺标度因数为22.22,积分时间10s,半小时内的零偏为,零偏稳定性为。
[Abstract]:An angular velocity sensor for detecting angular velocity based on optical Sagnac effect has the advantages of less wear , high sensitivity , wide dynamic range , no preheating time , strong impact resistance , easy miniaturization , low cost and so on . This paper presents a new demodulation method for the digital modulation and demodulation of sine wave by using CORDIC algorithm . It is difficult to judge whether the center frequency of the laser has entered the resonance valley .

【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN253;TP212

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