【摘要】：基于Sagnac效應(yīng)的諧振式微光學(xué)陀螺(Resonant Micro-Optic Gyroscope,RMOG)是高精度陀螺實(shí)現(xiàn)微小型化和集成化的重要途徑,在微納衛(wèi)星姿態(tài)控制、微小型無(wú)人機(jī)等有著廣泛的應(yīng)用前景。已有研究表明,和溫度有關(guān)的偏振波動(dòng)噪聲已成為制約RMOG精度提高的最主要噪聲因素。此外,由于Sagnac效應(yīng)是一種極其微弱的效應(yīng),如何在現(xiàn)有FPGA等數(shù)字信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)上設(shè)計(jì)并研制出適合腔長(zhǎng)為厘米量級(jí)的RMOG的雙路閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)技術(shù),具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。基于上述研究背景,本論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)展了雙路閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)和偏振波動(dòng)噪聲研究,旨在提高RMOG的檢測(cè)精度。主要的創(chuàng)新點(diǎn)包括:(1)在RMOG雙路閉環(huán)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)上開(kāi)展了創(chuàng)新性工作,論文提出在單個(gè)集成光學(xué)相位調(diào)制器上采用正弦波和鋸齒波組合調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和移頻,其中正弦波相位調(diào)制解調(diào)主要用于陀螺信號(hào)的檢測(cè),數(shù)字鋸齒波驅(qū)動(dòng)的相位調(diào)制器則作為移頻器實(shí)現(xiàn)第二閉環(huán),通過(guò)對(duì)上述組合調(diào)制技術(shù)的理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明,采用組合調(diào)制技術(shù)后,數(shù)字鋸齒波的臺(tái)階持續(xù)時(shí)間不再受到光在光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔(Waveguide-type Ring Resonator,WRR)內(nèi)的渡越時(shí)間的制約;結(jié)合實(shí)際數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)中所使用的DA轉(zhuǎn)換器的延時(shí)參數(shù),分析了數(shù)字鋸齒波幅度和臺(tái)階持續(xù)時(shí)間對(duì)相位調(diào)制器的移頻性能的影響,結(jié)果表明,當(dāng)數(shù)字鋸齒波相位幅度為π且臺(tái)階持續(xù)時(shí)間等于DA轉(zhuǎn)換器的上升時(shí)間時(shí),能夠獲得最大的邊帶抑制比,此時(shí)正弦解調(diào)輸出信號(hào)的誤差最小;將上述雙路閉環(huán)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于腔長(zhǎng)為厘米量級(jí)的硅基集成光學(xué)陀螺,1小時(shí)測(cè)試時(shí)間,激光器鎖定回路的零偏不穩(wěn)定性為0.1°/h,相位調(diào)制器鎖定回路的零偏不穩(wěn)定性為0.2°/h,表明研制的雙路閉環(huán)RMOG具有較高的頻率鎖定精度;對(duì)比測(cè)試了單路閉環(huán)和雙路閉環(huán)RMOG的線性動(dòng)態(tài)范圍,測(cè)試結(jié)果表明,±5000°/s范圍內(nèi),雙路閉環(huán)RMOG的線性度為99.994%,優(yōu)于單路閉環(huán)的99.892%。(2)論文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)展了 WRR偏振特性及對(duì)RMOG檢測(cè)精度影響的研究。基于瓊斯矩陣法建立了 WRR的偏振特性分析模型,以反射式WRR為例,獲得了WRR的偏振特性曲線,分析了入腔光波特性、腔內(nèi)和腔外不同位置加入的起偏器對(duì)其偏振特性的影響。結(jié)果表明,在腔外加入起偏器時(shí),WRR輸出端增加的(PolarizationExtinction Ratio,PER)總是小于加入的起偏器本身的PER,只有在腔內(nèi)加入起偏器時(shí),輸出端增加的PER才會(huì)大于加入的起偏器本身的PER;特別地,出腔端加入的起偏器有可能導(dǎo)致“諧振峰”反常現(xiàn)象的出現(xiàn),在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)予以避免;提出采用單偏振光纖(Single-Polarization Fiber,SPF)耦合反射式WRR作為入腔/出腔端起偏器,腔內(nèi)起偏器則采用45°傾斜光柵技術(shù),采用SPF耦合后,WRR的PER從保偏光纖耦合時(shí)的10.69dB提高到18.9dB;腔內(nèi)集成45°傾斜光柵后的WRR,測(cè)試PER大于26.5dB,并且具有較好的溫度穩(wěn)定性;對(duì)以SPF耦合的WRR的變溫特性進(jìn)行測(cè)試,實(shí)測(cè)偏振誤差系數(shù)結(jié)果為2.14(°/s)/℃,和理論計(jì)算的1.8(°/s)/℃吻合較好。上述研究表明,采用SPF耦合WRR,能夠降低RMOG中的偏振波動(dòng)噪聲。針對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法分析順時(shí)針光波和逆時(shí)針光波非互易特性對(duì)RMOG偏振波動(dòng)噪聲的影響,對(duì)偏振波動(dòng)噪聲理論進(jìn)行了修正;論文分析了在不同入腔光波PER、不同尾纖/光波導(dǎo)對(duì)軸角度誤差、不同定向耦合器對(duì)軸角度誤差以及不同的定向耦合器偏振相關(guān)耦合系數(shù)和損耗情況下,WRR反射端和透射端的偏振波動(dòng)噪聲情況;建立實(shí)際RMOG系統(tǒng),對(duì)上述兩個(gè)不同端口的偏振波動(dòng)噪聲進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,驗(yàn)證了建立的理論,結(jié)果表明,不論是陀螺輸出偏置本身的大小還是偏置穩(wěn)定性,透射端口的偏振波動(dòng)噪聲都要小于反射端口。在上述研究基礎(chǔ)上,在硅基SiO2光波導(dǎo)上研制出直徑為2.5cm、腔長(zhǎng)為7.9cm、、SPF耦合的WRR,測(cè)試清晰度196.7,諧振深度98%,其中測(cè)試得到的清晰度是目前硅基SiO2上公開(kāi)報(bào)道的清晰度指標(biāo)最高的諧振腔;采用正弦波和鋸齒波組合調(diào)制技術(shù)建立雙路閉環(huán)RMOG,1小時(shí)測(cè)試時(shí)間,RMOG的零偏穩(wěn)定性為0.004°/s,進(jìn)一步的陀螺擺動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果表明,研制的RMOG能夠檢測(cè)地球自轉(zhuǎn)角速度,這是國(guó)際上第一個(gè)公開(kāi)報(bào)道的能檢測(cè)到地球自轉(zhuǎn)的硅基氧化硅光波導(dǎo)集成光學(xué)陀螺。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN96
【圖文】：

與ＩＦＯＧ不同的是，諧振式光學(xué)陀螺不宜采用全開(kāi)環(huán)的調(diào)制解調(diào)方式，必須逡逑至少鎖定諧振腔其中一個(gè)方向的光波，使其始終處于諧振狀態(tài)�；趩温烽]環(huán)的逡逑ＲＭＯＧ的系統(tǒng)框圖如圖１．５所示。激光器（Ｌａｓｅｒ）出射的激光經(jīng)過(guò)５０％耦合器逡逑Ｃ功率均分后，分別經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器（ＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｏｒ，邋ＰＭ）邋ＰＭ１和ＰＭ２處的逡逑相位調(diào)制后，進(jìn)入ＷＲＲ繞腔多次傳輸，其中ＣＷ方向的光波經(jīng)環(huán)形器（Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）逡逑ＣＩＲ１耦合出到達(dá)光電探測(cè)器（Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ，邋ＰＤ）邋ＰＤ１，完成光電轉(zhuǎn)換后由鎖相逡逑放大器（Ｌｏｃｋ－ｉｎ邋Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，邋ＬＩＡ）邋ＬＩＡ１對(duì)其進(jìn)行一次頻同步解調(diào)（頻率為力），逡逑解調(diào)輸出電壓信號(hào)經(jīng)比例積分控制器（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｌｎｔｅｇｒａｌ，邋ＰＩ）邋ＰＩ１后到達(dá)激光逡逑器激光頻率調(diào)諧端，使得激光中心頻率始終跟蹤鎖定在ＷＲＪＲ的ＣＷ光波的諧振逡逑頻率上。ＣＣＷ方向光波信號(hào)則由光電探測(cè)器ＰＤ２光電轉(zhuǎn)換后由ＬＩＡ２對(duì)其進(jìn)行逡逑５逡逑

與ＩＦＯＧ不同的是，諧振式光學(xué)陀螺不宜采用全開(kāi)環(huán)的調(diào)制解調(diào)方式，必須逡逑至少鎖定諧振腔其中一個(gè)方向的光波，使其始終處于諧振狀態(tài)。基于單路閉環(huán)的逡逑ＲＭＯＧ的系統(tǒng)框圖如圖１．５所示。激光器（Ｌａｓｅｒ）出射的激光經(jīng)過(guò)５０％耦合器逡逑Ｃ功率均分后，分別經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器（ＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｏｒ，邋ＰＭ）邋ＰＭ１和ＰＭ２處的逡逑相位調(diào)制后，進(jìn)入ＷＲＲ繞腔多次傳輸，其中ＣＷ方向的光波經(jīng)環(huán)形器（Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）逡逑ＣＩＲ１耦合出到達(dá)光電探測(cè)器（Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ，邋ＰＤ）邋ＰＤ１，完成光電轉(zhuǎn)換后由鎖相逡逑放大器（Ｌｏｃｋ－ｉｎ邋Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，邋ＬＩＡ）邋ＬＩＡ１對(duì)其進(jìn)行一次頻同步解調(diào)（頻率為力），逡逑解調(diào)輸出電壓信號(hào)經(jīng)比例積分控制器（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｌｎｔｅｇｒａｌ，邋ＰＩ）邋ＰＩ１后到達(dá)激光逡逑器激光頻率調(diào)諧端，使得激光中心頻率始終跟蹤鎖定在ＷＲＪＲ的ＣＷ光波的諧振逡逑頻率上。ＣＣＷ方向光波信號(hào)則由光電探測(cè)器ＰＤ２光電轉(zhuǎn)換后由ＬＩＡ２對(duì)其進(jìn)行逡逑５逡逑

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本文編號(hào)：2722264