【摘 要】
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干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber optic Gyroscope,IFOG)作为一种角速率光纤传感器件,在航空、航天、航海、兵器和能源等领域广泛应用。目前高精度光纤陀螺普遍采用放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)光源,但是ASE光源高的输出光功率使得整个系统中由于光源引起的相对强度噪声(Relative Intensity
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干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber optic Gyroscope,IFOG)作为一种角速率光纤传感器件,在航空、航天、航海、兵器和能源等领域广泛应用。目前高精度光纤陀螺普遍采用放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)光源,但是ASE光源高的输出光功率使得整个系统中由于光源引起的相对强度噪声(Relative Intensity Noise,RIN)在所有噪声中占比增大,导致总体噪声增大,IFOG角度随机游走系数(Random Walk Coefficient,RWC)增大,IFOG精度降低。因此,如何抑制IFOG的RIN成为了本领域的关键技术问题。本课题“干涉式光纤陀螺相对强度噪声抑制方法研究”旨在从源头和本质上抑制RIN,降低IFOG的RWC,提高IFOG精度。首先,从原理层面详细分析了RIN的产生机理及与RWC的关系,建立RIN功率谱密度模型,并提出了一种全光路RIN抑制方法;其次,分析调制深度、光强误差及RIN的数学关系,并优化调制深度,在FPGA中完成调制深度补偿方法的实现;最后,通过实验验证RIN抑制效果。主要研究内容包括以下几个方面:(1)对IFOG主要噪声展开分析,从噪声产生机理出发,对RIN、散粒噪声、热噪声进行分析与仿真,仿真结果表明RIN为IFOG的主要噪声,进一步分析出RIN主要影响IFOG的RWC和零偏稳定性;从闭环IFOG四状态调制解调原理出发,分析过调制技术降低陀螺RWC原理,论证调整调制深度降低RWC可行性。(2)建立RIN的功率谱密度模型,主要分析时间差、光强比和偏振度对RIN的影响;结合RIN功率谱密度模型提出一种全光路RIN抑制方法,该方法首先利用偏振分束器使两束正交的偏振光分离,利用光路结构实现两束正交光之间的最优时间差,选取适当的2×1耦合器分光比来实现最优光强比,并提出在光电探测器前使用Lyot消偏器降低探测光偏振度实现对RIN的进一步抑制。(3)分析调制深度、光强误差、RIN以及系统响应的关系,优化系统传递函数;结合第三章全光路RIN抑制方法,设计调整调制深度来补偿由光强误差导致的RIN抑制效果的降低,进而提高IFOG精度;最终使用FPGA对光电探测器输出进行处理,获得新的调制深度,进行下一周期的调制解调,以此补偿光强误差导致的系统输出误差。(4)搭建实验平台,展开全光路RIN抑制方法的实验验证。对第三章设计的全光路RIN抑制方法进行系统测试,完成RIN抑制前后的实验对比,对频谱分析仪测得的RIN幅度谱密度转换为功率谱密度,并与ASE光源的RIN功率谱密度进行比较;对使用RIN抑制光路和最小互易性光路的IFOG进行整机测试,测试其零偏稳定性及RWC,验证全光路RIN抑制方法的抑制效果。
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