谐振式光学陀螺的关键技术研究

发布时间：2017-12-29 20:13

本文关键词：谐振式光学陀螺的关键技术研究　出处：《北京理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：谐振式光学陀螺(Resonator Optic Gyro,ROG)是一种高精度惯性器件,其基本原理是通过检测由Sagnac效应引起的腔内相向传输光束的谐振频差来实现旋转角速率的检测。高品质因数光学微谐振腔作为ROG系统的核心敏感单元,其性能参量直接影响着陀螺的灵敏度,对实现高精度陀螺至关重要,为满足惯性测量系统小型化需求,微谐振腔的结构设计尤为关键。由于Sagnac的微弱效应,其产生的频差极其微小,且受光路中背向散射噪声、非互易性噪声、偏振噪声、Kerr效应等因素的影响,导致频差输出的信噪比较低,因此,微弱信号检测技术是陀螺信号提取的关键。本文针对上述问题,开展了谐振式光学陀螺的关键技术研究,具体研究内容如下:(1)优化设计了光纤环形谐振腔(FRR)和硅基楔形盘腔两种典型的微谐振腔结构。针对FRR,仿真分析并测试验证了特征参量之间的相互制约关系;针对硅基楔形盘腔,在理论仿真的基础上,提出了优化制备工艺及结构设计,实验验证了盘腔Q值、DQ乘积及陀螺极限灵敏度与直径D的对应关系,为芯片级、集成化的新型谐振式微光学陀螺的研究奠定了基础。(2)针对盘腔耦合单元的非互易性效应,提出了低折射率紫外胶封装技术。针对基于盘腔与锥形光纤耦合系统的非互易性产生机理,设计了非互易性测试系统,对测试结果进行分析,得到了最佳耦合位置,为保持耦合结构的稳定性、健壮性及高过载环境下的生存能力,提出了紫外胶封装技术,实现了微谐振腔耦合单元一体化结构,打破了传统微谐振腔使用高精度位置控制伺服平台的常规。(3)对背向散射噪声的二次最佳载波抑制比进行了分析和测试,提出了双路最优调制系数法。针对谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro,R-FOG),完善了FRR的主光波和背向散射光波的传输模型;通过搭建FRR的背向散射噪声测试系统,得到了背向散射谐振谱线,根据测试结果得到了系统极限灵敏度量级的FRR所需的载波抑制比为98dB;采用自外差拍频法,测试得到了三角波和正弦波相位调制下的载波分量与调制幅度的对应关系,通过分析三角波相位调制引入的脉冲噪声机理,提出了双光路最优调制系数法。(4)建立了谐振式光纤陀螺的数字开环检测系统。检测系统以FPGA为核心控制器,采用过采样多稳态均值方法实现了三角波调制的同步解调,降低了脉冲噪声对解调信号的影响;在FPGA内采用CORDIC算法实现了正弦波的相位调制/解调,优化了数字锁频技术,通过使能触发方式将锁频过程永远限制在谐振曲线的线性区域,降低了误锁的风险。(5)搭建了谐振式光纤陀螺测试系统。通过搭建R-FOG测试系统,计算得到了FRR的各项特征参量,测试了系统的锁频稳定度,并对系统进行了实际标定测试,在?240deg/s量程范围内的非线性度为4.4‰,零偏稳定性最优可达0.09 deg?s-1。
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【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96

【参考文献】