论文摘要
基于Sagnac效应的光纤陀螺是一种高精度的惯性角速度传感器,在导航和制导领域有着重要的地位。谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope, RFOG)以光纤谐振腔为核心敏感元件,短光纤的环长就能实现高的精度,它是实现高精度和小型化光纤陀螺的重要途径。为了提高RFOG的检测精度和线性动态范围,本论文对RFOG的激光器频率噪声、光纤谐振腔的偏振噪声以及闭环检测进行了深入而细致的研究,主要的创新点包括：(1)高相干性光源是研制RFOG非常重要的关键元件,论文首次对可小型化半导体激光器用于RFOG的可行性开展理论和实验研究。研究了激光器频率噪声对RFOG检测精度的影响,研究发现,低频处的激光频率噪声被搬移到了调制频率上,并极大地影响了RFOG的检测精度；采用激光稳频回路减小激光频率噪声影响,建立激光稳频回路分析模型,分析了环路参数包括环路(直流)增益、延时和低通滤波器等对激光器频率噪声的抑制作用；利用高清晰度光纤谐振腔,建立一种在线测试激光器频率噪声的方法,并进一步优化了环路参数,最终把剩余激光器频率噪声减小到0.021Hz(1σ,10s的积分时间),它等效于0.07°/h的转动速度,接近散粒噪声决定的极限灵敏度。以上工作为解决RFOG光源小型化问题提供了理论和实验依据。(2)针对长期制约着RFOG稳定性提高的偏振噪声问题,论文提出了2次90°偏振轴旋转熔接的起偏谐振腔结构,理论和实验表明,该起偏谐振腔能够有效克服长期制约着RFOG稳定性提高的偏振噪声问题,大幅提高该陀螺的温度特性。基于琼斯矩阵,论文建立了起偏谐振腔谐振特性的分析模型；分析并实际测试了不同温度下起偏谐振腔的谐振特性；将总长为14米的起偏谐振腔应用于实际RFOG系统,样机角度随机游走达0.083°/√h,零偏1小时稳定性优于10/h；进一步的温度特性测试表明,当光纤谐振腔温度从36.2°C降低至33°C时(8分钟时间),RFOG仍保持着稳定的开环输出。以上研究表明,2次90°偏振轴旋转熔接的起偏谐振腔有效抑制了偏振波动噪声,极大地提高了RFOG的长期稳定性,这是国际上首次在变温条件下测得的最好结果。(3)通过改进数字锯齿波调制技术,设计并实现了一种基于相位调制器的高精度的等效移频器,频率分辨率为0.01Hz/LSB,移频范围为±1.25MHz；将上述等效移频器应用于RFOG,从而实现了闭环检测的RFOG系统,零偏1小时稳定性为2.1°/h,接近于开环检测系统;和开环检测相比,闭环RFOG具有更大的线性范围和更低的标度因素非线性度,测试结果表明,线性检测范围从开环检测的±215°/s扩展到±1076°/s,动态范围扩大了5倍,标度因数非线性度从开环检测的1.2%降低到0.02%(200ppm),标度因数非线性度改善了60倍。总之,通过抑制激光器频率噪声和偏振波动噪声,提高了RFOG的短期和长期稳定性,零偏1小时稳定性优于1°/h,通过闭环检测提高了陀螺输出的线性动态范围,并极大地改善了标度因数非线性度。以上工作使得RFOG的实际应用成为可能。