（光学工程专业论文）光纤陀螺数字开环检测理论研究及技术实现.pdf

摘要 本文从理论上分析了光纤陀螺系统的主要误差源，对比了各种开 环和闭环方案的优缺点。对构成光纤陀螺的各种光学器件进行了扼要 的阐述。 在分析了光纤陀螺信号特征的基础上，在本文第三章着重探讨了 以d s p 为核心的小型数字开环陀螺方案的可行性，并对其中一个方 案进行了详细的讨论，完成了软硬件的设计和调试工作，并做了一些 实验，实测零漂 1 5 0 h 。 本文第四章介绍了数字闭环陀螺的解调方案和陀螺测试，介绍了 我们的工作和已经取得的进展，并给出了测试结果。数字闭环陀螺于 1 9 9 8 年9 月初通过了8 6 3 专家组的验收，验收结果令人满意，验收 零漂 0 13 0 l l ，长期零漂 o 15 0 h 。 关键词：光纤陀螺、开环、闭环、解调方案 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z e t h em a i ne r r o rs o u r c e s i nt h ef i b e ro p t i c a l g y r o ( f o g ) s y s t e m t h e n ，w e d i s c u s s e dt h ed i f f e r e n t d e m o d u l a t e m e t h o d sa n dg o ts o m e u s e f u lc o n c l u s i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef o gs i g n a l ，w ep a yg r e a ta t t e n t i o n t oo f o g ( o p e n 1 0 0 pf o g ) d e m o d u l a t em e t h o d si nc h a p t e r4 w ea l s o h l 仃o d u c eo u rw o r ko nd e v e l o p i n g aa l l - d i g i t a lm i n i o f o g b a s e do nd s p i nt h i sc h a p t e r w eo f f e r e da m e t h o d ，f i n i s h e dt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r e d e s i g n a t i o n ，a n d d i ds o m ee x p e r i m e n t s ，b i a ss t a b i l i t y l 5 0 h a n d ，i nc h a p t e r4 ，w ed i s c u s s t h es e v e r a ld e m o d u l a t em e t h o d so n c f o g ( c l o s e 1 0 0 pf o g ) e s p e c i a l l y ，w em a d e ag o o dp r o g r e s si na l l d i g i t a lm i n i c f o g ，o u r c f o g s y s t e m r e a c h e st h ef o l l o w i n g p r o p e r t i e s ： b i a ss t a b i l i t y 0 1 3 0 h ，r e p e a t a b i l i t yo f b i a ss t a b i l i t y0 1 5 0 h k e y w o r d s ：f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ( f o g ) o p e n _ l o o p f o g c l o s e 1 0 0 pf o g d e m o d u l a t em e t h o d i v 本论文完成的任务 在导师和各位指导老师的精心指导下，在课题组各位同事的 帮助下，完成了下列任务： 1 完成了光纤陀螺数字开环解调方案的确定，在研究传 统的开环解调方案的基础上，提出了用以d s p 为核心的数字电 路来取代模拟电路，从而避免了模拟电路体积大、温漂严重的缺 陷，并且此方案对光源光强、调制深度等的变化不敏感。 2 完成了电路的设计、制作。 3 完成了d s p 数据采集及处理算法的汇编语言编程、p c 机数据采集处理程序的c 语言实现。 4 完成了一些实验。 5 参与了数字闭环陀螺部分硬件的调试。 致谢 作者首先要感谢导师杨国光教授的悉心指导，在课题的选择、项 目的研究和论文的写作过程中，杨老师自始至终都给予了巨大的帮助 和鼓励。作者的每一点进步和取得的每一点成绩都倾注了导师的心 血。导师渊博的知识、敏锐的洞察力、活跃的思维、严谨的治学风格、 豁达的处世态度都对作者产生了深远的影响，必将对作者以后的学习 和生活大有裨益。在此特向导师表示感谢。 课题组的刘承副教授、舒晓武副教授、牟旭东副教授和周柯江副 教授给予了作者很多指导和帮助，实验室的沈亦兵副教授、李陪勇副 教授、程上彝副教授、候西云高级工程师和左丹薇老师等给作者多方 面的帮助，特致谢意。 本课题的研究得到实验室各位师兄弟和师妹的帮助，在此也对他 们表示深深的谢意。他们是：程惠全博士后、戴旭涵博士、米风文博 士、杨李茗博士、刘玉玲博士、朱方明博士、叶志坚硕士、毛彩虹硕 士、严卫平硕士、姚伟勇硕士、吴剑硕士、从虹硕士等。 最后，作者要感谢他的家人，感谢他们多年来的养育、关心和支 持，并将此文献给他们。 丁军 2 0 0 0 年2 月于浙江大学 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光纤陀螺概论 陀螺是一种测量角速度的重要传感器，其发展过程主要经历了三个阶段：第 一阶段是早期的机电陀螺，它是根据力学的惯性定律，利用惯性元件高速转动 的机械转子具有定向性和进动性来测定飞行体相对于惯性空间的转速、加速度 和方向。由仪表指出导航所需的航向、姿态、速度和位置等参数；第二阶段是 6 0 年代激光出现后，研制出的环形激光陀螺仪，从此开始了光学陀螺的研制时 代。光学陀螺在原理上同机电陀螺是完全不同的，没有机械活动转子，而是利 用激光束在运行的光腔内所产生的干涉效应来测定航行体在航行中所需要的参 数。由于激光陀螺仪具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高等优点，受到 广泛重视并己得到实用；第三阶段是在光纤技术发展的基础上研制的光纤陀螺。 光纤陀螺是一种重要的光纤传感器。光纤传感技术是利用光纤作为载光媒 介或光信号的调制器，对传输光的某一特性根据被测量参数的变化进行调制， 然后检测出其变化的传感技术。光纤受到外界的压力等参数的变化时，光纤内 部传播的光的相位或强度将相应地发生变化，如果对光纤内传播的光的相位或 振幅变化加以测量，即可测出压力及其它参数的值。它具有光学测量与光学传 输的共同特点，即：灵敏度高，动态范围大；抗电磁干扰；具有电绝缘 性；化学性能稳定；易于长距离测量和组网；几何形状可塑；可测量 的物理、生物量广。其主要的应用领域是传统机械、电子传感器难以使用或根 本无法使用的场合，例如：高温、辐射和化学污染情况下的测量；另外光纤传 感器的高灵敏度性能可使一些高精度的测量得以方便的实现。 光纤陀螺有如下的优越性：1 随着光纤技术的发展，光纤的损耗己接近其 极限值，因而可通过加长光纤来放大相位。2 全固态器件，无转动部件。故而 可靠性高、寿命长。3 预热时间短。4 动态范围大，可达3 0 0 1 0 0 0d e g s 。5 不 受重力加速度的影响。6 成本低、尺寸小、精度高。 激光陀螺和光纤陀螺可以统称为光学陀螺，其基本原理都是基于s a g n a c 效应。 s a g n a c 效应是1 9 1 3 年发现的【1 】，图1 1 为s a g n a c 干涉仪示意图： 图1 1s a g n a c 干涉仪示意图 第一章绪论 在一个环形干涉仪中，由光源发出的光被分束器一分为二，两束光将分别 沿顺、逆时针方向运动，并回到分束器处。当该环形光路相对于惯性空间静止 时，顺、逆时针的光程是相等的。当整个干涉仪( 连同光源和观察者) 以角速 度q 相对于惯性参考系作旋转运动时，则顺、逆时针的光程不等，产生光程差 址：竺q c 其中j 为光路包围的面积，c 为光速，q 为转动角速度。只要测出一对互为反向 光束的光程差工，就可知该环路相对于惯性空间的旋转角速度q 。在环形干涉 仪内放入激光增益介质形成环形激光器，产生顺、逆时针振荡的两束光构成了 激光陀螺，如图1 2 。图中l 、2 分别表示顺、逆时针光束，其频率分别为： r 署驴詈 z ， 其中g = l 五，上为几何腔长。因此在转动的环形激光器中的光程差为： a l = l 1 一l 2 ( 1 3 ) 转化为两束光的振荡频率差为a v = v ，一v ：，由于a v v = a l l ，则： 扯( 龃= 差q a ， 这是激光陀螺的基本原理。 图1 3 干涉型光纤陀螺原理 用光纤代替环形干涉仪的环形光路可构成光纤陀螺口3 4 i ，其主要形式可以分 为干涉型( i n t e r f e r o m e t r i cf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，简称i - f o g ) 和谐振腔型( r i n g r e s o n a t o rf i b e r o p t i cg y r o s c o p e ，简称r - f o g ) 两大类。 由激光器发出的光由分束器分为两束，分别耦合进入多匝光纤环的两端， 两相反方向的光束经光纤传输后，按原路最终回至探测器处，形成干涉型光纤 陀螺，如图l3 。当光纤环以角速度q 旋转时，沿顺、逆时针方向在光纤中传 输的两束光产生的光程差为； 址：4 * n n ( 1 5 ) c 其中为光纤圈数。由式1 5 ，两束光产生的相位差为： 浙江大学硕士论文 击：丝a t , ：2 7 r 4 s n n( 1 6 ) 旯加 由于光纤的圈数的作用，灵敏度比单环路的激光陀螺高倍。 1 - f o g 于1 9 7 6 年由u t a l l 大学的v a l i 和s h o 曲i 1 1 【7 】首先实现，经过1 5 年努力， 弄清了各种误差源并找到了解决办法；提出信号的解调、器件制造等实用化技 术。 第一次显示实验现象的光纤陀螺是使用单光纤环的干涉仪，但在结构上是 非互易的。在两个端口能否观察到干涉条纹依赖于环尾纤的放置位置。因为 s a g n a c 相移本身是一很小的效应( 对应于01d e g h r 约1 0 _ 7t a d 相位差) ，而且要 求在静止时两光束应完全同相位。由于这个问题的存在，极大地限制了精度的 提高。不过这个问题可以通过所谓的互易结构来解决，图1 4 所示即为最小互易 结构。 图1 4f o g 的最小互易结构 在这个干涉仪中，光能量的输入和信号的输出都通过同一个单模波导。这 可以保证环静止时，在分束器存在潜在的缺陷时，返回的两支光束总具有相同 的总相位。在普通的输入输出口上加了一个单模滤波器以高阶模与低阶模之间 发生干涉。由于普通的单模光纤实际上是双偏振模式光纤，所以单模滤波器包 含个单模空间滤波器和一个偏振滤波器。一段大约l 米长的单模光纤可认为是 完善的滤波器。在这个干涉仪中，使用保偏光纤可以提高干涉仪的精度。不过 这也同样可以用去偏的方法实现，即使用l y o t 去偏器( 在第二章中将详细讨论) 加上普通光纤环。互易结构需要第二个分束器( 也就是光源分束器) ，将返回 的光分束，并送入探测器。这样会带来6 d b 的损耗。从理论上讲单模互易结构并 非必要，但是实际上它是实现可靠性能的最简便的方式。 随着微细加工技术及集成光学的发展，今天光纤陀螺多采用集成光学器件 ( i o c ) ，使得光纤陀螺趋向小型化、轻型化、实用化。目前较多采用y 型集 成光学器件构成陀螺，结构如图1 5 所示。 第一章绪论 光纤环 图1 5y 型结构的光纤陀螺 这里取消了常用的3 d b 环分束器，直接用集成光学器件来实现各种功能， 起偏器、调制器都直接制作在上面，整个光路的损耗较小。 与任意光学干涉仪一样，i - f o g 的灵敏度受光子散粒噪声限制，信噪比正 比于接收光功率的平方根，通常认为是噪声白噪声，表示为根号单位带宽测量 的角速度( 标准偏差) ，即。h 、l l h z ，也可以导出为。舶。噪声又称随机游动， 必须将它与陀螺的长期漂移区分开来，漂移是指残存的“非互易性”，单位是 。h ，它与输入角速度无法分辩，所以漂移问题是首要的难题。 为了实现真正的互易工作条件，首先要消除光的多路径反射和散射。对于 单色光小的反射与主干涉波相干后被放大( 主波相当于本地振荡) ，所以抑制反 射波是必要的。例如集成光学波导与光纤的连接时，波导面抛成一斜角，如1 5 。，光纤尾端面抛成1 0 。，然后对接，这样可以抑制反射率在一6 0 d b 以下。同时 y 型波导两输出臂应不等长。具体形式见图16 。 图1 6 边缘处理 另问题是r a y l e i g h 背向散射，短波长单模光纤陀螺典型为一4 0 d b 量级，若 用单色光将引入1 0 。2 r a d 相位差。c u t l e r 提出使用脉冲光源，则在光纤环中只有环 中点的反射光( 在脉冲长度之内) 可以和主脉冲光干涉，更为实际的而且极为重 要的方法是b o h r n s 1 于1 9 8 1 年提出使用短时间相干性的宽谱光源，如超辐射二极 管( s l d ，s u p e r l u m i n e s c e n td i o d e ) 。所有具有不同路径的寄生信号只有与主波在 相干时间之内才会产生干涉。 4 浙江大学硕士论文 由于图1 4 中偏振器的使用，使得光纤陀螺存在偏振信号消失问题， 早期 是用偏振控制器，现在改用保偏光纤( p m f ) 加以解决，也有用在环中插入去偏 器的方法。所以i f o g 3 己可分为保偏型口m - i - f o g ) 和去偏型( d - i f o g ) 两种形 式。 实际上的偏振器是不理想的，即消光比e o 。由于光纤双折射的存在， 对单色光，s a g n a c 缓变相位误差： 。2 j g ，：2 鲁i 其中( e x ，e y ) 是入射光的振幅 x 对应于偏振的通过轴) ，g i i 是光纤环传输 矩阵。毋d 与曲s 不可分辩，若要i - f o g 漂移小t i o 一7 t a d ，就要求为1 4 0 d b 的消 光比，这显然很困难。而p m f 的使用只能降低2 0 d b 的要求。而实际上s l d 的使 用使得只要求6 0 d b 的偏振器。实际工作中可以将正比于e 项的误差降至低于e 2 项误差。 光纤传感环的质量是非常重要的，要避免强耦合的存在，白光干涉仪可以 用来检查成环质量。作用于光纤环上的时变外场，如温度梯度变化是导致漂移 的一个重要原因，四极子绕法可以降低这种误差。 f a r a d a y 效应是导致f o g 非互易另一个主要原因。由磁场b 沿路径的积分引 入相移： 中，= f a v 秀刃 ( 1 8 ) 其中v 是v e r d e t 常数，q 与光的偏振态有关，对园偏振光= 1 ：线偏振为零： 一般椭园偏振i al 介于0 l 之间。除非f o g 传播是单一的偏振态，否则即使 fb d l = o ，由于在不同的路径上a 不同，所以f v e 0 。简单模型证明了这一 点，实验表明对5 0 0 米普通光纤的f o g ，由地球磁场引入的漂移1 0 。h 。高双 折射光纤使得等效v e r d e t 常数变小。高双折射率保偏光纤( p m f ) 有效地降低这种 漂移1 2 个量级，理论和实验证明用p m f 绕传感环时应避免光纤扭曲，特别是 周期与一匝相同的扭曲。即使如此，i - f o g 也应用磁屏蔽材料作外壳。 在早期的i f o g 实验中，使用的是单色激光源，由于光纤芯子很细，顺时 针c w 波和反时针c c w 波1 0 3 量级的强度不平衡会导致由于k e r r 效应引入的 1 0 。5 r a d 的非互易相位差。k e r r 效应误差来源于四波混相过程。两个相反方向传 播常数的变化a 1 ab2 为 第一章绪论 蜗1 1 十2 h a f t 2o c 2 + 2 1 1 ( 19 ) 其中1 1 、1 2 波的强度是位置与时间的函数。b e r 曲指出调制光强可以降低这 种效应。目前在i f o g 中s l d 等低相干性光源的使用消除了k e r r 效应。 1 - f o g 另一个问题是信号的解调，由于输出信号具有( 1 + m c o s 中s ) 的形式，因 此，在中s = o l i pq = o 时灵敏度最低。而且光电接收器1 f f 氐频噪声会淹没该直流 信号。为此，在光纤环一尾端加一正弦相位调制器，将光信号变为调相波 1 + m c o s ( 中s + a m c o s 。m t ) 】，将该式展开可以获得调制园频率c a ) m 的任意次谐波， 即 o o s i n s qc o s ( 2 k 一1 ) 国。t + c o s q b 。qc o s 2 k c o m t 从而可以用锁相放大器将任意次谐波解出。对于奇次谐波，在中。= o 处有 最大灵敏度。b e r g h 指, q q ：若将调制频率定为l 2t ，一是光在光纤中的渡越时间， 则由该非互相位制器产生的寄生偶次调制消失。1 2 一为“本征频率”。 r f o g f 9 ，1 0 l 就是环形谐振腔型光纤陀螺，它的最大优点是，它采用很短的光 纤来构成环形谐振腔，一般光纤长度不超过l o 米，因此，从重量、性价比来与 干涉型光纤陀螺相比要好。此外，它是通过相向传输的谐振光频由于s a g n a c 效应而产生频率差，检测的是频率差，信号处理比干涉型的位相检测要简单、 方便。与干涉型光纤陀螺相比，环形谐振腔型光纤陀螺的性能和工程化远没有 达到可广泛应用的程度，但其发展前景是很广的，特别是光纤激光器的发展， 使得被动的受激谐振变为主动的谐振腔。目前，受激布里渊散射( s t i m u l a t i n g b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 光纤陀螺( s b s - - r f o g ) 受到相当的重视，研究工作正在 进行，但未见到样机的报导。 本文将着重讨论干涉型光纤陀螺系统，若没有特别说明，f o g 均是针对干 涉型光纤陀螺i - f o g 而言。 1 2 y ：纤陀螺的信号检测技术 基本光纤陀螺系统如图1 7 所示，其中s l d 为超辐射发光二极管，c l 、 c 2 为光纤耦合器，p 为光纤起偏器，p d 为光电转换器，p m 表示由保偏光纤构 成的调制器，一般为绕上保偏光纤的压电陶瓷( p z t ) 调制器。 6 浙江大学硕士论文 p m 图1 7 基本光纤陀螺系统 f i b e rr i n g 根据s a g n a c 效应： 驴。：掣n ：艘 ( 1 1 1 ) a , c 对光纤陀螺系统光纤长度为1 0 0 0 m ，环直径d 为0 0 8 m ，波长五= 1 3 p ，当 所需检测的最小角速度为o r 加，则对应痧。为( 3 5 7 1 0 。5 ) 。，角度量十分微小。 由于s a g n a c 效应是非常微弱的效应，虽经多匝光纤环放大，其输出信号还 是很小，因此基于s a g n a c 效应的干涉型光纤陀螺其输出信号噪声含量高，除光 纤系统中常见的散粒噪声外，还有热噪声1 “、低频噪声等，信号比较微弱， 信噪比低，对于信号的提取十分不利。光纤陀螺的信号检测就是要提取被噪声 掩埋的微弱信号。基于光纤陀螺的基本原理，主要的信号检测方法有两种：开 环信号检测方法和闭环信号检测方法。 1 开环信号检测方法 由于光纤陀螺输出信号具有l + m c o s 妒。形式，在庐。= 0 即q = 0 时灵敏度最 低，使该直流信号极可能被光电接收器的低频噪声所淹没，给信号检测带来困 难。为此，必须在光纤环一尾端加一正弦相位调制器，将光信号变为调相波 1 + m c o s ( ；+ a 。c o s o ) 。t ) 【1 3 1 ，将该式展开可以获得调制圆频率国。的任意次谐 波，即【1 伽】： s i n ，gc o s ( 2 k 一1 ) c o 。t + c o s 妒，qc o s 2 k c o 。f ( 1 1 2 ) k = lk = 0 信号检测有多种方法【1 6 ”】，一种最简单的信号检测方法是直接滤波法，如图1 8 所示。只要设计带通滤波器的中心频率为调制频率，对光纤陀螺输出信号直接 滤波，可获得信号一次基波，在理想状况下带通滤波器输出信号为： y ( t ) = as i n 庐。c o s ( 删+ 0 ( 1 1 3 ) 所需检测的陀螺信号即调制信号的幅度a s i n 。 第一章绪论 匝 型 f o g 同 t a n n 。 i _ jw o u t p u t 图1 8 直接滤波开环检测方法 采用p s d ”1 ( 相敏检测p h a s es e n s i t i v ed e t e c t o r ) 可以将任意次谐波解出m 1 。 对于奇次谐波，在。= o 处有最大灵敏度。图l _ 9 为一个采用p s d 的开环信号 检测系统： l p di - 掣 i 一 f o g 同 w 、 i _ j o u t p u t 图1 9p s d 开环信号检测方法 在图1 9 中，当n = i 时，p s d 的输出信号形式为s i n e 。，p s d 输出经滤波后的 一次基波信号和转速q 呈y = k s i n ( x 1 函数关系。 在此基础上，可以采用电路相位跟踪的检测方法 2 0 , 2 1j 。即从电路中产生相 位 对于不同的x 调整 使s i n ( x y ) j0 ，则瑁口为检测结果。 2 闭环信号检测方法 由于开环系统输出具有s i n 函数特征，即当转速增大时，输出具有周期性， 因此开环系统一般动态范围较小；在闭环系统中引入了铌酸锂( l i n b o ，) 调制 器，并以其调制信号在l i n b o ，调制器上产生的相移实时地抵消由转速产生的 s a g n a c 相移口2 j ，而接收端的输出始终在零点附近。虽然接收端的输出仍具有s i n 函数特征，但其仅表示转速的增量，和实际转速无关，转速的大小以调制信号 的参数表示。当转速发生变化时，调制信号相应的参数发生变化，如频率、幅 度等，则系统动态范围将取决予l i n b o ，的调制信号。研制适当的调制信号，使 反映输入转速大小的调制信号相应的参数能在较大范围内可调，则光纤陀螺系 统的动态范围将相应地扩大。图1 1 0 为闭环系统的原理框图： 浙江大学硕士论文 图1 1 0 闭环系统的原理框图 图1 1 0 中，由p d 输出的转速增量信号经滤波积分后，调节l i n b o ，调制信号 相应的参数，改变其产生的相移，实时地抵消s a g n a c 相移，可以使p d 输出在 零点附近，构成闭环系统。因此在闭环系统中，对于l i n b o 。调制器调制信号的 研制将是重点。 1 3 课题背景、研究内容和意义 1 课题背景及研究的意义 光纤陀螺作为一种重要的光纤传感器，在质量、成本、寿命、功耗和环境 的适应能力等方面均具有显著的优点，同时也具有优良的偏置稳定性( b i a s s t a b i l i t y ) 和低刻度因子误差( s c a l ef a c t o re r r o r ) 。因此，美国、日本、欧洲各 发达国家都投入大量经费进行研究开发，并已有产品问世。在我国广泛使用的 是机械陀螺，从事光纤陀螺研究的单位先后有十多个，其中北京航空航天大学、 航天总公司8 0 3 研究所、航天部一院1 3 所等在光纤陀螺的研究方面作出了很大的 贡献，尤其是北京航空航天大学对于光纤无源器件的研究在国内处于领先水平。 国家高技术8 6 3 e g 踪国际光纤陀螺先进技术，要求研制一种适应我国现有 技术水平的长期漂移低于o 1 。h r ( 1 盯) 的光纤陀螺。第一阶段的任务是研究一 种光纤陀螺方案，在室温条件下长期漂移优于r 加，这阶段工作已经完成， 所研制的光纤陀螺原理样机，严格控制室温在4 - 2 c 时长期漂移优于0 5 。h r ， 并于1 9 9 5 年4 月通过评审。第二阶段的任务是在北航的合作下，在保持光纤陀螺 长期漂移在0 5 。h r 的前提下，提高光纤陀螺动态范围，降低系统刻度因子误差， 并进行光纤陀螺的准工程化研究，至1 9 9 7 年3 月所完成的光纤陀螺试验样机性能 指标达到： 第一章绪论 标度因数 2 9 9 9 、h z | o f s 零偏稳定性 05 6 6 0 f h r 零偏重复性 07 6 7 0 h r 动态范围 3 0 0 0 s 刻度因子误差8 9 3 4 l p p m 刻度因子不对称性 6 55 0 p p m 光学系统重量2 0 唔 光学系统体积 毋8 0 4 5 ( r a m ) 检测系统体积 1 8 0 x 1 5 0 4 5 ( r a m ) 表1 1 1 9 9 7 年3 月所完成的光纤陀螺试验样机性能指标 此光纤陀螺试验样机于1 9 9 7 年3 月在北京通过8 6 3 专家组测试并验收。 第三阶段的任务是从9 8 年5 月后开始的全数字闭环光纤陀螺研究，于1 9 9 8 年9 月研制成功，验收零漂 01 3 ，长期零漂 01 5 0 m 。目前已完成了全数字 光纤陀螺的三轴集成组合。第一套三轴陀螺已经研制成功，并将于近日交付验 收，第二套三轴陀螺的方案已经确定，相应的电路和光学器件也已经准备完毕， 有望在四个月内完成。 第四阶段是进行陀螺的实用化和工程化，在研究小型数字开环陀螺和小型 数字闭环陀螺的同时，进行高精度陀螺的研究，目前此项工作正在进行中，并取 得了一定的进展。 2 课题研究的内容 本课题主要进行光纤陀螺信号检测理论和技术研究，具体包括 ( 1 ) 光纤陀螺方案研究： 光纤陀螺从产生至今，已有多种方案。 和实用化，因此必须在国内现有的基础上， 上，确定一种合适的方案； 由于光纤陀螺的发展方向是工程化 尤其是基于国内对光纤器件的研究 ( 2 ) 小型开环光纤陀螺检测理论研究及技术实现： 光纤陀螺开环信号检测理论是光纤陀螺信号检测的基础：开环信号检测理 论包含了对光纤陀螺信号的调制、调制信号输出及解调过程的分析，是光纤陀 螺信号检测的重要环节，也是闭环信号检测理论的重要组成部分，对于开环信 号检测理论及系统实现是本文研究的主要内容； ( 3 ) 小型闭环光纤陀螺信号检测理论研究及技术实现： 在开环信号检测理论的基础上发展的闭环信号检测理论，包含了开环信号 检测理论中的主要部分；而对于闭环信号检测理论的研究，是光纤陀螺进入实 用阶段所必须的。由于闭环信号检测系统在动态范围、刻度因子线性度等诸多 指标上具有开环信号检测系统所无法达到的优点，因此闭环信号检测理论将成 为光纤陀螺向中、高精度发展的主要研究方向。对于闭环信号检测理论及系统 实现是本文研究的重点； ( 4 ) 三轴陀螺组合系统的实现： 从1 9 9 8 年5 月开始，课题组开始了数字闭环陀螺的研究，并于1 9 9 9 年初 通过了8 6 3 专家组的验收，验收结果令人满意，验收零漂 o1 3 0 h ，长期零漂 o1 5 0 h 。在此基础上，完成了三轴陀螺组合的研究。 1 0 浙江大学硕士论文 参考文献 1 e jp o s t ，s a g n a ce f f e c t ，r e v m o d e mp h y s ，1 9 6 7 ，3 9 ，4 7 5 4 9 4 【2 se z e k i e l ，h j a r d i t t y ，f i b e r - o p t i cr o t a t i o ns e n s o r s ，f i b e r o p t i cr o t a t i o ns e n s o r s a n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，1 9 8 2 ，2 2 6 3 1 bc u l s h a w ，i pg i l e s ，f i b e ro p t i cg y r o s c o p e s ，j o u r n a lo fp h y s i c se ：s c i e n t i f i c i n s t r u m e n t s ，1 9 8 3 ，1 6 ( 1 ) ，5 1 5 4 r a l p ha b e r g h ，h c l e f e v r e ，h e r b e r tj s h a w ，a no v e r v i e wo ff i b e r o p t i c g y r o s c o p e s ，j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ，1 9 8 4 ，l t 一2 ( 2 ) ，9 1 1 0 7 5 i bc u l s h a w a n dpg i l e s ”f i b e r o p t i cg y r o s c o p e s ”，j o u r n a lo f p h y s i c s e ：s c i e n t i f i ci n s t r u m e n t sv o l1 6 ( 1 ) ，p 5 - 1 5 ，1 9 8 3 【6 1 s e z e k i e l ，h ja d i t t y ”f i b e r _ o 砸cr o t a t i o ns e n s o r s ”，f i b e ro p t i cr o t a t i o n s e n s o r sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，p 2 2 6 ，1 9 8 2 【7 i v v a l i & d n s h o r t h i l l ”f i b e rr i n g i n t e r f e r o m e t e r ”，a p p l o p t ，1 5 ，1 0 9 9 - 1 1 0 0 ( 1 9 7 6 ) 【8 1 kb o h m ，pr n s s e r ，ew e i d e l & r u l r i t h ”l o wd r i f tf i b e rg y r ou s i n gs u p e r l u m i n e s c e n td i o d e ”e l e t r o n l e t t ，1 7 ，3 5 2 - 3 5 5 ( 1 9 8 1 ) 【9 1 s e z e k i e l & s r b a l s u m o ”p a s s i v er i n gr e s o n a t o rl a s e rg y r o s c o p e ” a p p lp h y s l e a ，3 0 ，4 7 8 - 4 7 9 ( 9 7 7 ) 【i o i r u l r i c h ”f i b e r o p t i cr o t a t i o ns e n s i n g w i t h l o w d r i f t ”0 p t i c s l e t t ，5 ，1 7 3 - 1 7 5 ( 1 9 8 0 ) 【1 1 k hw a n s e r ，t h e o r yo ft h e r m a lp h a s en o i s ei nm i c h e l s o na n ds a g n a cf i b e r i n t e r f e r o m e t e r ，1 9 9 3 ，1 0 o f s 1 2 kk r a k e n e s ，kb l o t k j a r ，t h e m a ln o i s ei no p t i cf i b e r - m a t h z e h n d e rv ss a g n a c i n t e r f e r o m e t e r ，1 9 9 3 ，1 0 o f s 【1 3 1 b yk i m ，h c l e f e v r e ，ra b e r g h e ta l ，r e s p o n s eo ff i b e rg y r o st os i g n a l s i n t r o d u c e da tt h es e c o n dh a r m o n i co ft h eb i a sm o d u l a t i o nf r e q u e n c y ，s p i e ，s i n g l e 。 m o d e o p t i c a lf i b e r s ，1 9 8 3 ，4 2 5 ，8 6 8 9 【1 4 s h i g e r uo h o ，h i s a os o n o b e ，t a k a os a s a y a m a ，s i g n a lp r o c e s s i n gs c h e m e sf o r o p e n l o o po p t i c a lf i b e rg y r o s c o p e s ，s p i e ，1 9 9 1 ，1 5 8 5 ，2 2 6 2 3 8 【15 b y k i m ，h j s h a w ，p h a s e r e a d i n g ，a l l - f i b e r - o p t i cg y r o s c o p e ，o p t i c sl e t t e r s ， 1 9 8 4 ，9 ( 8 ) ，3 7 8 3 8 0 【1 6 s t e p h a n u sj s p a m m e r ，p i e t e rls w a r t ，o p e n l o o pf i b e r - o p t i cg y r o s c o p ew i t h w i d e r a n g ea n d s o u r c ev a r i a t i o ni n s e n s i t i v i t y ，s p i e ，1 9 9 1 ，1 5 8 5 ，2 1 5 2 2 5 1 7 1 k b o e h m , k p e t e r m a n n ，s i g n a lp r o c e s s i n g s c h e m e sf o rt h e f i b e r - o p t i c g y r o s c o p e ，s p m 1 9 8 6 ，7 1 9 ，3 6 4 4 1 8 b y k i m , h j s h a w ，g a t e dp h a s e - m o d u l a t i o nf e e d b a c ka p p r o a c ht of i b e r - o p t i c g y r o s c o p e s ，o p t i c sl e t t e r s ，1 9 8 4 ，9 ( 6 ) ，2 6 3 2 6 5 1 9 a r i t a k ao h n o ，r y u j iu s u i ，k a z u oe ta 1 ，i n t e r m e d i a t ea n dm o d e r a t eg r a d ef i b e r o p t i cg y r o s c o p ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，s p i e ，f i b e ra n dl a s e rs e n s o r s ，19 9 4 ， 2 2 9 2 1 6 6 1 7 6 第一章绪论 【2 0 】r p m o e l l e r ，wk b u m s ，adk e r s e ye ta 1 t h r e ea x i sl o wc o s tf i b e r g y r o s c o p ew i t he l e c t r o n i cc l o s e dl o o pp h a s ed e t e c t i o n ，s p i e ，f i b e ro p t i ca n dl a s e r s e n s o r s ，1 9 9 3 ，2 0 7 0 ，2 5 5 2 6 3 2 l l adk e r s e y ，r p m o e l l e r ，o p e nl o o pf i b e ro p t i cg y r o s c o p ew i t hp h a s es h i f t n u l l i n gs i g n a lp r o c e s s i n g ，e l e t r o n l e t t ，1 9 9 0 ，1 6 ，n o1 6 ，1 2 5 1 1 2 5 2 【2 2 by k i m ，h js h a w ，g a t e dp h a s e m o d u l a t i o nf e e d b a c ka p p r o a c ht of i b e r o p t i c g y r o s c o p e w i t hl i n e a r i z e ds c a l e f a c t o r , o p t i c sl e t t e r s ，1 9 8 4 ，9 ( 8 ) ，3 7 5 3 7 7 2 3 a e b b e r g ，g s c h i f f n e r ，c l o s e d - l o o pf i b e r - o p t i cg y r o s c o p e w i t has a w t o o t h p h a s e m o d u l a t e df e e d b a c k ，o p t i c sl e t t e r s ，19 8 5 ，10 ( 6 ) ，3 0 0 3 0 2 2 4 叶炜，博士论文 ，1 9 9 8 ，1 2 5 秦炜，硕士论文 ，1 9 9 8 ，1 浙江大学硕士论文 第二章光纤陀螺的相关理论 2 1 萨格奈克( s a g n a c ) 效应卜3 1 光纤陀螺的工作原理是建立在萨格奈克效应基础上的。可以说，如采没有 s a g n a c 效应的发现，就不会有今天光纤陀螺的研究和发展。 在四维空间任意曲线座标系中，j 矿+ 出”的两个相邻事件的距离为： 一凼2 = 威“出” ( 2 1 ) 其中g u v 为度规张量，式中采用爱因斯坦记号：脚标u 、v 有重复即是对其从0 到3 求和。 在惯性参考系中，选柱坐标，则： ( 8 2 = c 础一咖一，2d 目2 一c 如- 2( 2 2 ) c 是真空中的光速，对于相对于惯性系以q 角速度旋转的参考系中，作以下 座标变换： c 办= a d t 西= 毋 d = d o + o g h t t 比l - 出( 2 3 ) 则： 凼2 = 口2 c 2 硪2 一西2 一r 2 f 卯+ 棚c l t ) 2 一出2 ( 24 ) 对于在真空中以半径r 的平面园周运动的光速，r = r ，d f 0 ，d z = 0 ，时间膨胀 因子可以取为： 1 扛等，2汜， 而对于真空中运动光束，线元d s = 0 ，则： 口2 c 2 出2 一r 2 f d 口+ a s k i t ) 2 = 0 ( 2 6 ) 即： ) + = 而r d 0 ( 27 ) 考虑可变角速度和光束运动n 圈的情形，由上式得： 对于同向运动光束，因为r “d o = 2 州，则 簧f ”4 口( t o ) 坊。一f l ”+ 口( i o ) q ( f 。) 嘶。= 2 z n ( 2 8 ) 第二章光纤陀螺的基本理论 同理。对反向运动光束： 一簧r + 一口( f 。) d r 。f + 口( f 。) f 2 ( f 。) d r 。= = 2 x n ( 29 ) 上两式相加。令8t51 + ，及t5 ( 1 + + t ) 2 ，应用积分中值定理： c “a ( 7 ) 8 f * 2 r 口( f 。) q ( f 。) d t 。 ( 2l o ) 注意到r q 2 0 光谱漂移( r i m ) 05 工作电流( m a ) 1 0 0 额定功率下正向压降( 力 也 串联电阻( f 2 ) ”。 实际使用的光纤起偏器由北航提供，消光比5 0 d b ，损耗约0 3 d b 。 浙江大学硕士论文 ( 2 ) 光纤耦合器5 ，1 光纤耦合器的波导作用与光学分束器等效。当两根光纤的芯子充分接近时， 两个l p 。模将通过它们的消失场进行耦合，可使功率互易地从一根光纤耦合到 另一根光纤中去，功率转换比率取决于光纤芯子间的距离和相互作用的长度。 这种耦合器制作过程为：把两根光纤芯子的侧进行研磨，除去包层，使两根 光纤芯子靠近，并在交界面加入折射率匹配液。研磨包层的技术是把光纤固定 在石英块的弧形槽内，研磨石英块直至除去光纤一侧的包层，然后把磨好的两 块石英对合在一起，使芯子精确重合。图4 1 为耦合器的实例： 图2 3 耦合器实例 图2 3 中：r 为输入功率，p