布里渊光纤陀螺环形腔设计与拍频分析

论文摘要

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的新型角速度传感器,与传统的机械陀螺相比,具有动态范围宽、成本低、重量轻、寿命长、可靠性高等优点,在军事以及民用领域均有广泛的应用。布里渊光纤陀螺（B-FOG）作为第三代的光纤陀螺,代表了光纤陀螺高精度和小型化的发展方向,目前在国际上只处于理论研究阶段。本文首先针对B-FOG存在的几个基本问题,提出了一种改进的B-FOG试验系统;然后对B-FOG的光纤环内光强进行了深入研究,在此基础上设计了B-FOG的光纤环形谐振腔,并在实验中进行了验证;最后分析了影响拍频的因素,并对闭锁效应进行了研究。具体研究内容如下:首先,对布里渊光纤陀螺的原理进行了深入分析,结合近年光电器件的最新发展,提出了一种改进的B-FOG实现方案,该方案和国际方案相比,能够很好的克服光源频率波动、光偏振态变化、锁定现象等的影响,对布里渊光纤陀螺样机的研制具有指导意义。其次,对布里渊光纤环形腔的光强进行了研究。利用泰勒级数简化方法和递归思想,分析了泵浦光强、腔内循环光强、各阶斯托克斯光强、出射光强之间的关系,得出了产生各阶斯托克斯光的泵浦光阈值,并根据输出光强大小设置合理的B-FOG工作点,在此理论指导下,设计了布里渊光纤环形腔的实验装置,测试表明一阶受激布里渊散射阈值为0.787mW,设计的环形腔FSR为6.737MHz,精细度达到100以上。最后,分析了影响B-FOG拍频稳定的因素。从理论和实验上证明温度对对布里渊频移的影响为1.36MHz/℃,温度变化超过9.1℃时会引起斯托克斯光的模式跳变。对克尔效应导致陀螺标度因数非线性的产生机理进行了分析,推导出综合克尔效应后的拍频公式。针对B-FOG的拍频闭锁效应,研究了一种基于偏频的全光纤抑制闭锁效应方案,即避免了机抖的大体积和高成本,又不需要采用推拉相位调制那样繁琐的运算,并给出了这种方案的实现方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 光纤陀螺的特点
• 1.1.2 光纤陀螺应用前景
• 1.2 光纤陀螺分类
• 1.2.1 干涉型光纤陀螺
• 1.2.2 谐振式光纤陀螺
• 1.2.3 布里渊型光纤陀螺
• 1.3 布里渊光纤陀螺研究现状
• 1.3.1 研究历史和现状
• 1.3.2 国际方案的可改进之处
• 1.3.3 目前B-FOG存在的关键技术问题
• 1.4 课题研究内容分析
• 1.5 本章小结
• 第2章 布里渊型光纤陀螺原理
• 2.1 引言
• 2.2 受激布里渊散射效应
• 2.2.1 受激布里渊散射物理过程
• 2.2.2 受激布里渊散射波的频移
• 2.2.3 受激布里渊增益系数
• 2.2.4 受激布里渊散射阈值
• 2.3 萨格奈克效应
• 2.4 布里渊光纤陀螺系统实现方案
• 2.4.1 方案构思
• 2.4.2 方案的优点
• 2.5 本章小结
• 第3章 布里渊光纤环形腔的光强研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤环形谐振腔
• 3.2.1 光纤环形谐振腔基本结构
• 3.2.2 光纤环形谐振腔原理分析
• 3.2.3 谐振腔品质参数
• 3.2.4 谐振腔特性的简化分析
• 3.3 布里渊光纤环形腔内光强分析
• 3.3.1 介绍
• 3.3.2 光纤环内的光强耦合方程
• 3.3.3 归一化处理
• 3.3.4 光强分析总结
• 3.4 本章小结
• 第4章 布里渊光纤环形腔的设计与测试
• 4.1 布里渊光纤环形腔介绍
• 4.2 布里渊光纤陀螺环形腔的设计
• 4.2.1 环形腔出射光强分析
• 4.2.2 设计原理
• 4.3 测试及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 B-FOG拍频分析
• 5.1 引言
• 5.2 温度效应
• 5.2.1 温度对布里渊频移的影响
• 5.2.2 温度对光纤环型腔FSR的影响
• 5.2.3 温度对泵浦源阈值的影响
• 5.3 克尔效应
• 5.3.1 布里渊光纤陀螺中的克尔效应分析
• 5.3.2 克尔效应对拍频影响分析
• 5.4 闭锁效应
• 5.4.1 闭锁效应原理分析
• 5.4.2 闭锁效应抑制方法研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢