諧振式微光學(xué)陀螺研究.pdf

1、基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)陀螺是一類非常重要的慣性角速度傳感器，在導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域占有非常重要的地位。諧振式光學(xué)陀螺的核心敏感元件是一個(gè)無源的光學(xué)諧振腔，其突出特點(diǎn)是可以采用很短的光纖環(huán)或集成光波導(dǎo)環(huán)獲得比較高的精度。利用成熟的半導(dǎo)體工藝與光電子集成技術(shù)將核心敏感元件和其它關(guān)鍵元器件集成，集成化的諧振式微光學(xué)陀螺(Resonator Micro Optic Gyro，R-MOG)具有體積小、重量輕、抗振動(dòng)和耐沖擊等特性。R-MOG是光學(xué)陀

2、螺微型化的重要技術(shù)途徑，研究R-MOG并儲備基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)，具有重要意義。
　　 光學(xué)Sagnac效應(yīng)是一種極其微弱的效應(yīng)，除選擇合適的調(diào)制/解調(diào)方式，克服光學(xué)噪聲、提高陀螺輸出信號信噪比將直接影響著R-MOG的性能。本論文圍繞信號檢測和光學(xué)噪聲抑制技術(shù)對R-MOG進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，通過對嚴(yán)重影響R-MOG性能的瑞利背向散射噪聲及閉環(huán)回路鎖定技術(shù)等的理論和實(shí)驗(yàn)的研究，全面提高了R-MOG的實(shí)際性能。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：

3、r>　　 (1)建立基于雙相位調(diào)制技術(shù)(Double Phase Modulation Technique，DPMT)的信號檢測及瑞利背散射噪聲抑制相關(guān)理論，并在實(shí)際R-MOG系統(tǒng)中得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。瑞利背散射噪聲是目前影響R-MOG精度提高的最主要噪聲源之一，利用實(shí)際測試得到的硅基二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔的背散射系數(shù)大小，對背散射噪聲的影響進(jìn)行了理論計(jì)算和評估。在沒有考慮載波抑制時(shí)，該背散射噪聲影響高達(dá)～79rad/s，完全抑制該背散射噪聲

4、(低于R-MOG理論極限靈敏度)至少需要120dB的載波抑制比，這對利用傳統(tǒng)單相位調(diào)制技術(shù)(SinglePhase Modulation Technique，SPMT)的R-MOG系統(tǒng)，對相位調(diào)制器的調(diào)制電壓、使用環(huán)境溫度穩(wěn)定性等都提出了極高的要求。利用DMPT技術(shù)，通過調(diào)制參數(shù)的優(yōu)化，在不影響陀螺輸出信號信噪比的前提下，一方面可以獲得更大的載波抑制比，同時(shí)大大降低了相位調(diào)制器控制電壓及使用環(huán)境溫度穩(wěn)定性的要求。研究表明，在LiNbO3

5、相位調(diào)制器的半波電壓為3.0V、半波電壓溫度系數(shù)為500ppm/℃的條件下，若利用SPMT，要將瑞利背散射噪聲控制在極限靈敏度之下，對應(yīng)電壓的控制精度是±1.8mv，對應(yīng)溫度的波動(dòng)范圍要求是±1.6℃；利用DPMT，可以將電壓控制精度的要求放寬到±60mV，對應(yīng)的溫度的波動(dòng)范圍要求可以放寬到±51℃。上述研究可為R-MOG后續(xù)的工程化和實(shí)用化提供技術(shù)保障。
　　 (2)采用數(shù)字比例積分(Proportional Integrat

6、ion，PI)光頻率鎖定技術(shù)，結(jié)合實(shí)際R-MOG系統(tǒng)，對閉環(huán)回路的臨界振蕩特性進(jìn)行了實(shí)際測試，得到了回路臨界增益和臨界周期的實(shí)際數(shù)值；進(jìn)一步地，利用Z-N整定法則和閉合回路仿真模型，結(jié)合實(shí)際硅基二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔芯片的溫度特性，優(yōu)化了PI參數(shù)。其中最佳比例增益為2667，積分增益的3dB截止頻率為70Hz。將上述參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際R-MOG系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光頻率的長期鎖定，頻率誤差噪聲密度為～5.9Hz/√Hz，接近由單個(gè)光電探測器引入的極

7、限噪聲密度(～4Hz/√Hz)。利用Allan方差對噪聲誤差進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，PI鎖定誤差的Allan方差相對于積分時(shí)間τ的雙對數(shù)坐標(biāo)的斜率約為-1/2，表明閉合回路中剩余噪聲主要是隨機(jī)噪聲。上述結(jié)果進(jìn)一步表明在目前的諧振腔芯片溫度特性下，研制的數(shù)字PI鎖定技術(shù)可以使得由溫度導(dǎo)致的諧振頻率漂移降低到極限噪聲量級之下，從而使得鎖定輸出誤差主要由隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)。另外，通過分析表明該閉環(huán)方案可以滿足角加速度1000°/s2范圍內(nèi)的R-MOG

8、實(shí)際應(yīng)用需求。
　　 (3)基于DPMT調(diào)制和數(shù)字PI光頻率鎖定技術(shù)，建立了R-MOG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對R-MOG的零偏穩(wěn)定性、擺動(dòng)響應(yīng)、連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)信號等進(jìn)行了實(shí)際測試。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以可小型化窄線寬光纖激光器(線寬～50KHz)為光源，腔長為7.9cm、直徑為2.5cm的保偏硅基二氧化硅光波導(dǎo)諧振腔為核心敏感元件，在鎖相放大器等儀器作為陀螺信號處理電路時(shí)，R-MOG的短期零偏穩(wěn)定性達(dá)到了38°/h(積分時(shí)間為10s)。將該陀螺安裝在高精度轉(zhuǎn)

9、臺上進(jìn)行正弦擺動(dòng)測試，得到了0.1°/s～5°/s的正弦擺動(dòng)輸出信號。進(jìn)一步地，將處理電路中的信號發(fā)生器，數(shù)字鎖相放大器，數(shù)字PI鎖定模塊等利用現(xiàn)場可編程邏輯器件(Field ProgrammableGate Array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)，代替全儀器信號處理電路，得到了從-550°/s～550°/s的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)信號，該數(shù)字R-MOG的非線性度R2-nonlinearity約0.0169％。
　　 總之，本論文實(shí)現(xiàn)的R-MOG系統(tǒng)，短