小型化RFOG硬件電路優(yōu)化與光源強(qiáng)度調(diào)制噪聲抑制技術(shù)的研究.pdf

1、諧振式光纖陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro，RFOG）是一種基于光學(xué)Sagnac效應(yīng)的慣性傳感器，用于測(cè)量載體的旋轉(zhuǎn)角速度。相比于干涉式光纖陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro，IFOG)，RFOG可以用更短的光纖達(dá)到與IFOG相同的理論精度，因而在光纖陀螺的小型化和集成化方面具有一定優(yōu)勢(shì)。
　　目前，雖然RFOG的性能已經(jīng)得到了一定提升，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。較大的系

2、統(tǒng)體積及離散的系統(tǒng)器件制約著RFOG的實(shí)用化發(fā)展。因此，開展小型化與集成化研究對(duì)實(shí)現(xiàn)RFOG的最終應(yīng)用具有重要意義。本論文通過對(duì)RFOG系統(tǒng)信號(hào)處理硬件電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)RFOG系統(tǒng)硬件電路的小型化。小型化RFOG系統(tǒng)中所采用的半導(dǎo)體激光器存在強(qiáng)度調(diào)制噪聲，這會(huì)給陀螺檢測(cè)引入測(cè)試誤差。本論文基于二次諧波解調(diào)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可以有效減小強(qiáng)度調(diào)制噪聲的補(bǔ)償算法，提高了陀螺檢測(cè)精度。本文主要開展了如下研究工作:
　　(1)

3、完成小型化RFOG系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理與光電轉(zhuǎn)換硬件電路的集成與優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了RFOG硬件電路的進(jìn)一步小型化?；趯?duì)電路的需求分析，通過電源、運(yùn)算放大器、跟隨器等芯片的優(yōu)化選型及電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原先分離的數(shù)字信號(hào)處理與光電轉(zhuǎn)換模塊集成在直徑為8cm的硬件電路中。對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果表明，該電路可以滿足RFOG系統(tǒng)要求，且功耗由原來的3W降低至1.9W。
　　(2)將優(yōu)化后的硬件電路應(yīng)用于小型化RFOG系統(tǒng)中，完成陀螺系統(tǒng)性能

4、測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在1s積分時(shí)間下，陀螺零偏穩(wěn)定性為58.1deg/h(1σ)。根據(jù)Allan方差分析結(jié)果，在248s積分時(shí)間下，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于5.0deg/h。陀螺在±100 deg/s的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，標(biāo)度因素非線性度為0.317％。通過擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)得到陀螺在±0.01deg/s旋轉(zhuǎn)角速度下的響應(yīng)。
　　(3)通過動(dòng)態(tài)掃描解調(diào)曲線，并基于對(duì)解調(diào)曲線線性區(qū)斜率在調(diào)諧電壓動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)波動(dòng)情況的分析，測(cè)試了正弦波相位調(diào)制下的小型化RFOG光

5、源強(qiáng)度調(diào)制噪聲，驗(yàn)證了該噪聲對(duì)陀螺性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角速度分別為0.5deg/s和5deg/s時(shí)，1V的調(diào)諧電壓波動(dòng)將分別引入約0.175 deg/s和3.22deg/s的強(qiáng)度調(diào)制噪聲，從而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)度調(diào)制噪聲會(huì)給動(dòng)態(tài)條件下的RFOG系統(tǒng)引入較大的誤差，且該誤差隨著旋轉(zhuǎn)角速度的增大而交大。
　　(4)基于閉環(huán)路二次頻信號(hào)的檢測(cè)，提出一種用于抑制RFOG系統(tǒng)光源強(qiáng)度調(diào)制噪聲的解調(diào)信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)。通過理論推導(dǎo)，得到了利用

6、二次頻信號(hào)隨強(qiáng)度噪聲的線性波動(dòng)來補(bǔ)償強(qiáng)度調(diào)制下陀螺輸出信號(hào)的表達(dá)式。在不添加額外器件的情況下，通過數(shù)字信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陀螺輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償功能。為了優(yōu)化二次頻信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的檢測(cè)精度，通過理論與實(shí)驗(yàn)分析得到不同旋轉(zhuǎn)角速度下二次解調(diào)信號(hào)所需的最小量化位數(shù)，并證明該最小量化位數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角速度的增大而增大。采用該強(qiáng)度調(diào)制噪聲抑制技術(shù)，測(cè)試得到在旋轉(zhuǎn)角速度分別為0.5deg/s、1.0deg/s、2.0deg/s和5.0deg/s