谐振式光纤陀螺小型化技术研究

发布时间：2017-09-07 00:17

  本文关键词：谐振式光纤陀螺小型化技术研究

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【摘要】：谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro, R-FOG)是一种基于光学Sagnac效应的高精度的惯性角速度传感器。相比于干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro, I-FOG), R-FOG可以用更短的光纤达到与I-FOG相同的理论精度,因而在光纤陀螺的小型化和集成化方面具有一定优势。目前R-FOG还处于实验研究阶段,系统中的光电器件还处于分立状态,且体积较大,不利于系统的封装集成。本论文通过对R-FOG系统中光学及电学器件的小型化设计及研究,建立了小型化集成封装的R-FOG原型样机。本文主要开展了如下研究工作：(1)完成FPGA数字信号处理板的小型化设计。该电路板的硬件部分包括2路并行高速14位AD、FPGA处理芯片、PROM存储芯片、40MHz固定输出有源晶振、6路高速14位DA,4路可放大至±12V运算放大电路以及电源管理模块。设计完成光电探测器的驱动电路,实现光电探测模块的小型化。(2)建立了相位调制器残余强度调制(Residual Intensity Modulation, RIM)作用下R-FOG系统输出的基本数学模型,并通过仿真分析RIM系数和调制频率对系统的影响。在RIM效应的作用下,R-FOG系统的解调曲线会产生零点偏移,并且该零点偏移的大小会随RIM系数和调制频率的改变而改变,同时RIM效应产生的误差与正弦信号的调制频率有关,当RIM系数确定时,通过数值仿真可知,存在一组最佳的调制频率,能够使RIM效应引入的系统理论误差降低至0。(3)通过理论推导和数值仿真分析了激光器频率调谐时光强度调制给R-FOG系统引入的误差。在激光器伴随强度调制的作用下,陀螺解调曲线会出现非中心对称现象,且线性度会随着伴随强度调制系数的变大而变差；对于环境因素引起的谐振腔谐振频率漂移,系统的标度因数会随着漂移量的变大而增大,从而在测量中引入误差,仿真结果表明该误差会随谐振频率漂移量的变大而变大,在输入角速度为2°/s、谐振频率漂移达到5FSR(Free Spectrum Range, FSR)时,测量误差达到了0.29°/s。(4)基于光学器件、硬件电路以及封装结构件的小型化选型及设计,建立了小型化集成封装的R-FOG原型样机,并对样机的标度因数非线性度、动态范围、零偏稳定性等性能进行了测试。在1s积分时间下,谐振频率伺服回路等效锁定精度为2.65°/h(1σ),陀螺输出的零偏稳定性为89.10/h；在163s积分时间下,陀螺输出的零偏稳定性优于13.6°/h(1σ)；陀螺系统的动态范围为±840/s,标度因数非线性度为0.354%。以上研究成果为R-FOG小型化及强度调制噪声的研究提供了参考依据。
【关键词】：谐振式光纤陀螺 小型化 强度调制噪声 数字信号检测系统 封装
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 引言12-13
• 1.2 谐振式光纤陀螺的研究进展13-18
• 1.3 本论文的意义及主要工作18-20
• 2 小型化R-FOG数字信号检测系统设计20-34
• 2.1 谐振式光纤陀螺基本原理20-26
• 2.1.1 光学Sagnac效应20-21
• 2.1.2 基于正弦相位调制的R-FOG系统结构21-23
• 2.1.3 正弦相位调制解调技术23-25
• 2.1.4 谐振频率伺服回路技术25-26
• 2.2 数字信号检测系统设计26-30
• 2.2.1 正弦相位调制解调技术设计27-28
• 2.2.2 谐振频率伺服回路设计28-30
• 2.3 光电器件小型化设计30-33
• 2.4 小结33-34
• 3 R-FOG小型化硬件电路设计与实现34-49
• 3.1 FPGA数字信号处理板的小型化34-39
• 3.2 基于FPGA的R-FOG数字检测系统实现39-47
• 3.2.1 正弦相位调制信号发生器40-42
• 3.2.2 锁相放大模块42-44
• 3.2.3 PI频率伺服模块44-46
• 3.2.4 串口通信模块46-47
• 3.3 光电探测器电路的设计和实现47-48
• 3.4 小结48-49
• 4 R-FOG强度噪声分析49-63
• 4.1 相位调制器残余强度调制特性分析49-56
• 4.1.1 理论推导50-52
• 4.1.2 仿真分析52-55
• 4.1.3 结论55-56
• 4.2 半导体激光器伴随强度调制特性分析56-62
• 4.2.1 理论推导56-57
• 4.2.2 仿真分析57-61
• 4.2.3 结论61-62
• 4.3 小结62-63
• 5 实验结果与分析63-71
• 5.1 谐振曲线测试63-64
• 5.2 载波抑制测试64-65
• 5.3 解调曲线测试65
• 5.4 谐振频率伺服回路性能测试65-67
• 5.5 陀螺输出特性测试67-70
• 5.5.1 动态范围及标度因数非线性度测试67-68
• 5.5.2 未封装前零偏稳定性测试68-69
• 5.5.3 封装后零偏稳定性测试69-70
• 5.6 小结70-71
• 6 总结与展望71-73
• 6.1 论文的主要研究成果71-72
• 6.2 进一步研究工作展望72-73
• 参考文献73-78
• 作者简历及攻读硕士学位期间所取得的科研成果和荣誉78

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4 王s，

本文编号：806289