布里淵光纖陀螺有源腔關鍵技術研究.pdf

1、光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的慣性角速度傳感器，它在各種導航及制導系統(tǒng)中起著重要的作用。目前干涉型光纖陀螺已經發(fā)展成熟，但它在系統(tǒng)小型化等方面存在困難。與干涉型光纖陀螺相比，布里淵光纖陀螺(BFOG)采用的光纖長度要短很多，信號處理系統(tǒng)大大簡化，在實現(xiàn)光纖陀螺高精度和小型化方面的優(yōu)勢明顯。因此，開展BFOG的研究具有重要意義。布里淵光纖有源環(huán)形腔是BFOG的核心和主體，也是BFOG實現(xiàn)的難點，因此本課題主要針對布里淵光纖環(huán)形腔的若

2、干關鍵問題進行了研究。論文的主要工作如下：
　　 首先對布里淵光纖環(huán)形腔的光強進行了深入研究。采取由淺入深的方法進行光路分析，在研究了無源腔的基本特性后再進行布里淵有源腔的研究。利用泰勒級數(shù)簡化了腔特性的描述，并結合遞歸思想，推導出入射光強、腔內循環(huán)光強、各階斯托克斯光強及出射光強之間的關系。結合BFOG的要求，得出入射光強必須控制在第一窗口，腔體必須處于過耦合態(tài)的結論。設計了自由譜線寬度為19.35MH，精細度為70的環(huán)形腔，

3、驗證了關于泵浦閾值、斯托克斯光出射功率等方面的理論，并提出一種“過損耗熔接”的方法進行BFOG的腔體設計，測試表明這種腔體能夠有效抑制腔內循環(huán)光強的流出，符合BFOG的要求。
　　 然后針對試驗中遇到的諧振峰漂移以及諧振峰振動問題，研究了布里淵光纖環(huán)形腔的動態(tài)性能，并設計了穩(wěn)頻電路實現(xiàn)腔中的諧振穩(wěn)定。分析指出光纖雙折射產生的偏振波動是導致諧振峰漂移的根本原因，研究了它對于受激布里淵散射及腔內循環(huán)光強的影響，得出保持腔內偏振穩(wěn)定的

4、兩種方法，并對其中偏振主軸旋轉的方法進行了驗證。理論上證明了正弦波調制下諧振峰振動現(xiàn)象的根本原因來自于PZT的調制速率過快，并據此研究了對陀螺輸出的影響。分析了實際環(huán)境中腔長難以保持諧振穩(wěn)定的原因，提出了基于PID控制原理的透射腔直流穩(wěn)頻方案，設計了基于FPGA的穩(wěn)頻電路，使得腔內諧振頻率的穩(wěn)定度控制在9.45Hz的范圍內。
　　 之后開展了BFOG的光路建模及其它相關理論研究，完善了BFOG的理論體系。采取Jones矩陣光學的

5、原理建立了BFOG的光傳輸模型，根據該模型研究了器件理想與非理想情況下的光路輸出，結果表明光源的功率波動及偏振波動對于陀螺輸出信號的檢測靈敏度影響較大，焊點、耦合器及偏振器的參數(shù)對陀螺也有一定的影響。參照RLG頻率讀出系統(tǒng)，分析了布里淵光纖陀螺的拍頻讀出方法。探討了光源及光纖環(huán)的選取依據，得出了光源峰值輸出光功率應大于4mW，功率波動小于10μW，頻率波動小于10KHz，光纖環(huán)最佳長度為10m的結論。針對BFOG動態(tài)范圍和閾值光功率對于

6、光纖環(huán)長度要求的矛盾，提出了光纖環(huán)“雙向纏繞”法，在保證閾值光功率的前提下提高了陀螺的動態(tài)范圍。
　　 最后開展了BFOG克爾效應方面的研究?？藸栃还J為BFOG的主要誤差源，因此這一部分的研究具有重要意義。通過對光纖中非線性光學克爾效應的基礎分析，指出交叉相位調制是導致光纖中折射率差的主要原因。理論分析指出克爾效應可產生腔內光強的光學雙穩(wěn)態(tài)，實驗在輸入功率440μW時驗證了這一現(xiàn)象，并且指出該雙穩(wěn)態(tài)可通過調節(jié)耦合器的參數(shù)進