基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺

论文摘要

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度惯性角速度传感器,它在各种导航和制导系统中起着重要作用。目前,干涉式光纤陀螺技术已经成熟,但它在系统的小型化方面存在困难。与干涉式光纤陀螺相比,谐振式光纤陀螺（R-FOG）要达到相同的精度所需的光纤长度要短得多,在实现系统的高精度和小型化方面优势明显,因此,研究R-FOG具有重要意义。R-FOG的信号检测方法分为数字和模拟两种,数字电路相比于模拟电路具有稳定性好、抗干扰能力强、处理速度快和体积小等优势,因此,系统的数字化是R-FOG向高精度和小型化发展的必经之路。日本东京大学的Hotate已经提出了一种基于数字锯齿波相位调制技术的R-FOG,然而,这种调制技术会给系统带来复位脉冲误差的问题。国内虽然对R-FOG的研究已经开展多年,但对数字R-FOG的理论和实验研究还不够深入。本论文对基于数字三角波相位调制技术的R-FOG进行了深入研究。该系统通过LiNbO3相位调制器实现三角波相位调制,采用以FPGA为核心的数字电路实现Sagnac谐振频率偏差的检测。由于三角波相位调制不存在复位问题,因此,可以避免复位脉冲带来的误差。本论文对该系统进行了总体方案设计及参数优化,建立了R-FOG实验系统,测试了陀螺效应。此外,由于在R-FOG中,光纤环形谐振腔是其核心敏感部件,而以往对谐振腔的分析多集中于频域上的稳态特性分析,因此,论文开展了对光纤环形谐振腔的输入激光进行频率扫描时在时域上的动态特性的研究,并以此为基础,进一步分析了R-FOG的动态特性。具体的工作和成果如下:1、建立了基于数字三角波相位调制技术的R-FOG开环检测系统。系统通过三角波相位调制实现双频率调制,根据双频率调制下的信号特点,说明了R-FOG系统的检测原理。在R-FOG系统中,需要将其中一路的解调输出信号反馈到激光器频率控制端,实现激光器频率和谐振频率的跟踪锁定,因此频率反馈跟踪技术将直接影响系统的锁定精度。以谐振频率偏差作为研究对象,对系统的频率跟踪算法进行了优化设计,仿真表明该算法可以比较快地实现谐振频率的跟踪锁定。基于上述理论基础,设计了基于FPGA的数字检测电路。2、由于系统通过解调曲线实现谐振频率偏差的检测,因此,利用相位调制频谱展开及光场叠加的方法推导了解调曲线的数学表达式,并以载波和解调曲线特性作为研究对象,深入分析三角波波形参数对系统的影响。在R-FOG系统中,背向散射噪声是影响检测精度的主要光学噪声之一,而抑制载波分量可以减小背向散射噪声。以此为依据,设计了将载波抑制到0的最佳相位调制系数,并进一步与正弦波相位调制技术比较后发现,当三角波与正弦波的相位调制系数与各自的最佳值偏离相同的量时,正弦波调制比三角波调制的载波增量更大,这说明三角波相位调制更有利于载波的抑制。提高解调曲线在谐振点的斜率有助于提高系统的检测精度,因此,分析了三角波相位调制系数和调制频率对解调曲线谐振点斜率的影响,并以解调曲线谐振点斜率最大化获得了最佳调制频率。除检测精度外,动态范围也是陀螺的重要指标,分析了三角波调制频率对陀螺动态范围的影响,并通过仿真证明,在不同标度因数非线性度数值下,有不同的最佳调制频率使系统动态范围最大。解调曲线的零点误差直接关系到陀螺所能达到的精度,因此,通过数字三角波和锯齿波相位调制技术的对比,研究了解调曲线的零点特性,并且证明,相比于数字锯齿波相位调制技术,数字三角波相位调制技术可以避免因为数字台阶持续时间的变化而带来的零点误差。3、光纤环形谐振腔是R-FOG系统的核心敏感部件,因此,对它的特性进行研究具有重要意义。以往对光纤环形谐振腔谐振特性的分析主要集中在稳态条件的频率响应,而对时间域上的动态响应却没有深入研究。针对激光器频率扫描实验中观察到的谐振曲线振铃现象,利用光场叠加原理分析了光在谐振腔中传输时的相位特性,揭示了最佳相消干涉条件的破坏是振铃出现的直接原因。通过理论及实验研究得到了振铃产生的条件和谐振曲线特性参数随扫频速度的变化关系,证明在频率扫描的动态条件下谐振曲线的形状会发生变化。谐振曲线在动态条件下的改变会对R-FOG的特性带来影响,通过分析解调曲线零点特性证明,动态条件下系统会产生零点误差,且零点误差随系统动态范围和带宽乘积的增大而增大,这为动态系统的参数优化提供了理论依据。4、建立了R-FOG的实验系统。测试了谐振曲线,得到谐振曲线特性参数。测试了三角波相位调制的实际效果,证明这种调制方法可以实现双频率调制。测试了解调曲线及系统锁定时间,证明闭环系统能够实现对谐振频率的跟踪。测试了陀螺的实际转动信号和零漂,得到1°/s的陀螺响应和0.27°/s的系统零漂峰峰值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 谐振式光纤陀螺的研究进展
• 1.3 本论文的意义及主要工作
• 2 数字谐振式光纤陀螺工作原理及系统设计
• 2.1 Sagnac效应介绍
• 2.2 谐振式光纤陀螺工作原理
• 2.3 数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺系统设计
• 2.3.1 信号检测原理
• 2.3.2 系统设计
• 2.4 小结
• 3 三角波相位调制技术分析
• 3.1 解调曲线理论推导及相位调制载波特性分析
• 3.2 三角波波形参数优化设计
• 3.3 解调曲线零点特性分析
• 3.4 小结
• 4 光纤环形谐振腔谐振曲线振铃现象及陀螺系统动态特性分析
• 4.1 光纤环形谐振腔时域特性分析
• 4.2 动态谐振曲线参数特性分析
• 4.3 系统动态特性分析
• 4.4 小结
• 5 数字谐振式光纤陀螺的实验结果
• 5.1 实验系统介绍
• 5.2 实验结果及分析
• 5.2.1 谐振曲线的测试
• 5.2.2 解调曲线的测试
• 5.2.3 闭环锁定实验
• 5.2.4 转动信号的测试
• 5.3 小结
• 6 论文总结和展望
• 6.1 本论文主要研究成果的总结
• 6.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果和荣誉