光子晶体光纤在光纤陀螺中的应用现状及其关键技术

光子晶体光纤技术发展迅速,凭借其自身材料的突出优势已经在干涉式光纤陀螺中得到了应用。从光子晶体光纤的原理出发,阐述了光子晶体光纤的国内外研究现状和应用于光纤陀螺的潜在优势。同时针对两型光子晶体光纤陀螺:干涉式光子晶体光纤陀螺和谐振式光子晶体光纤陀螺,综述了陀螺层级的国内外研究现状及目前面临的主要技术问题,最后提出了光子晶体光纤陀螺后续发展需要攻克的技术瓶颈。     

谐振式光子晶体光纤陀螺环路建模与仿真

为减小谐振式光子晶体光纤陀螺系统中相对频率噪声对随机游走系数的影响,在反馈回路中引入PI控制器构成新反馈回路。通过建立谐振式光子晶体光纤陀螺环路模型,优化反馈控制模型中PI控制器参数,仿真得到谐振式光子晶体光纤陀螺的闭环带宽可达39.1k Hz,响应时间为1.24×10~(-4)s,超调量控制在8%以内。利用上述结果对谐振式光子晶体光纤陀螺进行检测带宽的优化设计仿真,得到当系统检测带宽小于3Hz时,可控频率噪声功率谱密度小于1.3μW/Hz,对应的随机游走系数(RWC)小于0.001(°)/h~(1/2),满足导航级陀螺系统的精度要求。     

谐振式光子晶体光纤陀螺谐振腔优化技术研究

针对谐振式光子晶体光纤陀螺重要的传感部件——谐振腔的关键技术进行优化研究。首先,对谐振腔重要参数进行仿真优化,使其满足谐振腔高清晰度的要求,根据Matlab仿真结果,确定参数优化的主要原则;然后针对光子晶体光纤与普通保偏光纤熔接损耗较大的问题以及偏振噪声问题,提出一种新型光子晶体光纤耦合器,能够有效避免偏振串扰的影响。采用全矢量FDBPM对耦合器的耦合传输特性进行数值仿真,耦合特性表明,传输偏振模的耦合长度较短,在谐振式光子晶体光纤陀螺的小型化方面具有一定的优势。     

谐振式光纤陀螺用激光器性能研究

谐振式光纤陀螺是实现小型化的潜在方案,而激光器为谐振式光纤陀螺系统中的关键器件之一.为全面掌握激光器的性能,根据谐振式光纤陀螺对激光器的要求,制定了基于Lab-VIEW激光器性能自动化测试的软硬件设计方案,得到激光器分段线性化的模型,控制电流在90～120mA之间变化时,光功率、中心波长近似呈变化率为0.18mW/mA、0.11pm/mA的线性变化;控制温度在28.1～32.9℃之间变化时,激光器光功率、中心波长近似呈变化率为0.25dBm/℃、13.31pm/℃的线性变化;此外,光功率变化率为0.17％,中心波长的变化率为0.26× 10-6,具备稳定性特性.     

谐振式光纤陀螺单边信号检测方法的研究

热致偏振耦合噪声、背向散射噪声和非线性克尔噪声等因素严重制约了谐振式光纤陀螺的发展，降低噪声的影响对提高谐振式光纤陀螺的精度具有重要的研究意义。本文设计了一种双环腔谐振式光纤陀螺结构，并通过理论分析热致偏振噪声对谐振曲线的影响，提出了一种新的信号检测方法。该检测方法可以判断出谐振曲线受偏振噪声影响小的一边，并利用单边检测方法降低偏振噪声对陀螺精度的影响，双环腔结构也可以有效抑制背向散射噪声。仿真分析表明，在温度变化0.002℃时，检测的归一化幅值误差由0.2261降低到0.0327，单边检测方法可以明显地降低偏振波动噪声带来的影响。     

谐振式光纤陀螺用激光器最优工作区间探究

激光器为谐振式光纤陀螺(R-FOG)的关键器件,根据R-FOG对激光器的要求,提出了一种R-FOG用激光器最佳工作点及最优工作区间的确立方法,制定了激光器性能自动化测试方案,得到激光器光功率、中心波长与电流、温度的变化关系。由此推导出2个激光器电流与温度的最佳工作点,并利用拍频检测原理确立2个激光器电流与温度的最优工作区域。激光器最优工作区域的掌握,为其应用于R-FOG提供了详实的参数指标。     

空芯光子晶体光纤熔接技术研究

空芯光子晶体光纤(HC-PCF)因其利用纤芯的空气导光而具有高损伤阈值、低损耗、低色散、低非线性等优点。此外,HC-PCF纤芯中空气的折射率温度系数、Verdet系数、Kerr系数远小于石英,在光纤陀螺中有独特的优势。但是在向实际应用迈进的过程中,必须要解决HC-PCF与普通单模光纤以及自身简便、低损耗的熔接问题。基于热致扩芯技术和过渡光纤两种模场匹配方法,研究了HC-PCF和普通单模光纤之间的熔接问题,将两者的熔接损耗由直接熔接的1.4dB降至0.73dB。此外,研究了HC-PCF与其自身的熔接,通过两步放电熔接法,得到高强度低损耗的熔点,熔接损耗为0.52dB。     

谐振式光纤陀螺系统建模及其应用研究

谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器,以其集成化高、成本低以及抗干扰性强等独有优势,逐渐成为下一代光学陀螺研究发展的热点。通过对谐振式光纤陀螺工作原理的分析,建立了陀螺数字信号处理系统可视化模型,并对系统谐振曲线和同步解调曲线等开环输出以及锁频反馈下闭环输出进行了模拟仿真。利用仿真模型分析了正弦波调制下谐振谱分裂现象,并搭建实验装置对其进行了验证。结果表明,实验中正弦信号调制频率高于系统谐振输出半高全宽一半,即对应2 MHz时,谐振谱分裂会导致同步解调输出线性区域出现明显失真,严重恶化了标度因数线性度。因此,搭建的谐振式光纤陀螺仿真模型能够准确而有效地模拟系统的工作状态,在系统噪声抑制和精度提升方面具有指导性意义。     

基于应力强度干涉理论和薄弱环节分析的光子晶体光纤陀螺寿命评估

在空间飞行环境中,航天器承受着各种环境的作用,而每种环境因素都在一定程度上影响着航天器的工作寿命。光子晶体光纤是一种新型光纤,其比传统保偏光纤更耐辐照,是长寿命光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)的首选,可以满足长寿命卫星的应用需要。将光纤陀螺特征寿命定义为强度,将热、辐照和振动等环境因素定义为应力,运用应力强度分析理论,采用最坏情况分析方法,分析了在常见应力联合作用下光纤陀螺的薄弱环节,评估了光纤陀螺的在轨工作寿命,验证了光子晶体光纤陀螺在某长寿命通信卫星上的适应性。分析结果表明,热和辐照是影响光子晶体光纤陀螺的重要因素。研究结论可用于有针对性地进行改进设计,为长寿命高可靠卫星提供技术支撑,具有显著意义。     

激光器驱动干涉型光纤陀螺光源相位调制技术研究

激光器驱动干涉型光纤陀螺的优点是潜在精度高、标度因数稳定性好等,在飞机、舰船惯性导航以及其他高性能领域具有广泛的应用前景。当然,干涉型光纤陀螺采用高相干光源面临诸多技术挑战,如相干瑞利散射、Kerr效应、偏振交叉耦合、Faraday效应等引起的漂移和噪声。采用宽线宽激光器可以抑制这些误差。针对激光器驱动干涉型光纤陀螺中加宽激光器线宽、降低激光器相干性的几种相位调制技术以及线宽加宽抑制噪声的效果进行了理论分析和评估。     

光子晶体光纤陀螺仪关键技术研究及进展

光子晶体光纤具有辐照不敏感、热敏感度低等特点,可以显著增强光纤陀螺仪的空间环境适应性,并有利于减小光纤陀螺重量、尺寸和功耗。本文分析了光子带隙型光子晶体光纤和折射率导引型光子晶体光纤的特点,详细阐述了光子晶体光纤陀螺仪的原理、关键技术及国内外进展。     

光纤陀螺的温度实验与仿真分析

热致非互易相移的存在影响了光纤陀螺的工作精度.通过对热致非互易相移的分析,把握了该相移与光纤陀螺温度特性的关系.在此基础上,进行了光纤陀螺的温度实验与仿真分析.结果表明,仿真分析光纤陀螺的整体温度分布是可行的;温度实验与仿真分析相结合的办法有助于光纤陀螺温度特性的把握.     

基于高灵敏超导探测器的新型脉冲光高精度光纤陀螺技术研究

高精度光纤陀螺的精度主要由光纤陀螺检测噪声决定,一般可用角随机游走系数来表征,光纤陀螺的角随机游走主要由光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声决定。提出了基于高灵敏超导探测器的脉冲光高精度光纤陀螺技术方案和精度提升方法,实现了陀螺光信号的高灵敏检测,显著降低了光纤陀螺的热噪声,降低了相对强度噪声,并避免了连续光因调制切换引入的尖峰脉冲误差的影响,有效提升了光纤陀螺的精度水平。通过仿真分析,可将光纤陀螺的随机游走系数检测极限从3.53×10-5(°)/h1/2降低至1.6×10-5(°)/h1/2,减小了约54.7%。     

光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。     

光收发组件驱动电路集成化技术研究

本文对干涉式光纤陀螺用光收发组件的驱动电路集成化技术进行了研究.分析了光源输出光功率稳定性对光纤陀螺精度的影响.建立了光源驱动电路的理论模型.设计了相对简单、集成化程度高的光源驱动电路.对所研制的电路进行了全温测试.实现了光源驱动电路的高精度、集成化和小型化.     

基于等效角振动的光纤陀螺带宽测试方法

光纤陀螺的数字闭环调制解调原理决定了其带宽可以达到几百甚至几千赫 兹,当光纤陀螺带宽大于角振动台最高频率时,采用传统的角振动方法无法准确测试其 带宽。分析了光纤陀螺带宽测试的原理,提出了一种基于等效角振动的光纤陀螺带宽测试 方法,该方法能够满足大带宽光纤陀螺的带宽测试。对同一只光纤陀螺进行了带宽测试的 对比试验,证明所提出的方法与角振动方法的测试结果一致。将该陀螺带宽增大到原带宽 的4 倍后,采用此方法进行带宽测试,测试结果与理论计算值一致。