北京自动化控制设备研究所 惯性技术国防科技重点实验室, 北京 100074
无人机、机器人以及自动驾驶等领域对光纤陀螺尺寸、重量、成本综合性能提升有着迫切的需求, 具有小体积、高性能、低成本等技术优势的集成化光纤陀螺成为目前的研究热点。文章梳理了美国、俄罗斯等在集成化光纤陀螺方面的最新研究成果和产品技术动态, 从集成光学芯片设计加工、微小型高对称光纤环圈绕制、集成光学芯片与微小型光纤环圈直接耦合三个方面, 阐述了集成化光纤陀螺面临的技术和工艺难题, 分析了解决方案。最后, 展望了集成化光纤陀螺的未来发展趋势和应用前景。
集成化光纤陀螺 集成光学芯片 微小型光纤环圈 直接耦合 integrated fiber optic gyroscope integrated optical chip miniature fiber coil direct coupling
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China
This study proposes a novel interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) based on an integrated optical chip, application-specific integrated circuit, and small-diameter sensing coil. The overall size and weight of the prototype are and 68 g, respectively, making it the smallest closed-loop IFOG, to the best of our knowledge. A static experiment shows that the bias stability of the integrated IFOG is very close to the theoretical accuracy limit determined by the fiber coil and can satisfy the requirements of near-navigation-grade compact inertial navigation systems.
gyroscopes fiber optics fiber optics sensors integrated optics Chinese Optics Letters
2022, 20(4): 040601
北京自动化控制设备研究所惯性技术国家重点实验室，北京 100074
本文针对谐振式光纤陀螺应用需求，提出一种基于激光器温度和 PZT协同控制的频率跟踪锁定控制方案，综合利用激光器温度调谐所具有的大范围、PZT电压调谐的高精度高动态技术优势，实现光纤激光器中心频率对谐振腔谐振频率的跟踪锁定。进行了透射式谐振信号的数学仿真，对温度和 PZT协同控制方案进行了硬件设计和算法仿真，重点分析了频率跟踪锁定方案中控制参数对锁定稳定性的影响情况。完成了激光器频率锁定系统的研制，实现了激光器中心频率对谐振腔谐振频率的高精度、长时间跟踪锁定，常温条件下 1 h频率跟踪锁定精度为 4.8×10-9，变温条件下 5.5 h频率跟踪锁定精度低至 9.74×10-8。上述研究工作为谐振式光纤陀螺长期性能提升奠定了重要的技术基础。
谐振式光纤陀螺 频率锁定 温度调谐 PZT控制 resonator fiber optic gyroscope frequency locking temperature tuning PZT control
Author Affiliations
Abstract
1 School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 State Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China
We present a near-navigation-grade interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) based on an integrated optical chip. The chip comprises a light source, a photodiode, and a 3 dB coupler within an area of 48 mm2. By interrogating with an integrated optical modulator and a small-diameter sensing coil, the IFOG is realized. This allows for a significant reduction in size, weight, power consumption, and cost. Preliminary performance data of a gyro prototype exhibits 0.018 deg/h bias instability.
gyroscopes fiber optics fiber optics sensors integrated optics Chinese Optics Letters
2020, 18(12): 120601
北京自动化控制设备研究所惯性技术国家重点实验室, 北京 100074
针对激光器频率调谐系数测试应用的需求,提出了基于空心光子晶体光纤的激光器频率调谐系数测试装置的方案。首先,对测试装置的总体方案、光子晶体光纤谐振腔的基本结构进行设计,重点完成了激光器频率调谐系数测试方法的数值计算和机理分析;之后,完成了光子晶体光纤谐振腔的设计和加工,并搭建了激光器频率调谐系数测试装置;最后,对目前常用的窄线宽光纤激光器和半导体激光器进行频率调谐系数测试。光纤激光器的电压-频率调谐系数为17.6 MHz/V,与激光器出厂指标基本吻合,而且光纤激光器的频率调谐系数在调谐范围内具有良好的一致性。半导体激光器在调谐范围内的调谐系数不均匀,容易受环境的影响,测得电流-频率调谐系数的平均值为30.9 MHz/mA。研究结果表明,测试装置的精度远高于商用波长计,并且具有良好的长期稳定性,充分体现出了空心光子晶体光纤谐振腔作为频率基准进行频率检测所具有的测频精度高、温度漂移小的技术优势。
光纤光学 光纤光学传感器 空心光子晶体光纤 频率调谐系数 光纤激光器 半导体激光器
北京自动化控制设备研究所惯性技术国家重点实验室, 北京 100074
针对目前谐振式光纤陀螺中存在的跟踪失锁问题开展研究,分析了频率跟踪失锁原因及机理,研究表明频率跟踪同步过程中的电流变化以及背向散射、偏振耦合等非互易性噪声引起的谐振峰对称性改变是导致尖峰脉冲和零偏变化的主要原因;随后,提出了基于半导体激光器温度闭环反馈的失锁控制方案,通过温度闭环实现激光器中心频率对光纤谐振腔单个谐振频率的长期跟踪同步,消除频率跟踪失锁引入的陀螺输出误差;对失锁控制总体技术方案、信号处理流程及实现方法进行了详细叙述;最后,成功搭建陀螺原理样机,对采用频率跟踪失锁方案前后的陀螺静态性能进行实验测试,测试表明频率跟踪失锁控制方案将陀螺输出脉冲幅值突变量从3000 (°)/h降低到200 (°)/h,陀螺输出零偏变化从600 (°)/h降低到0,完全消除了频率二次锁定过程中的零位变化,陀螺精度大幅降低到4.9 (°)/h(100 s平滑积分时间)。
光纤光学 光纤光学传感器 谐振式光纤陀螺 跟踪同步 频率失锁 温度闭环
北京长城计量测试技术研究所光纤传感技术中心, 北京 100095
扫频光源是光纤传感解调的关键部件，高质量的扫频光源可提高光纤传感系统的信噪比和解调精度。研制了一种基于傅里叶域模式锁定（FDML）的扫频光源。光源采用环形腔结构，由半导体光放大器（SOA）、光纤法布里-珀罗(FP)可调谐滤波器、隔离器、光纤耦合器和光纤延迟线组成。同时设计了基于FP 腔的滤波器，对输出光谱进行平坦滤波。得到扫频范围为60 nm(1506~1566 nm)，扫频速度为250 Hz，平坦度优于0.3 dB，线宽小于0.16 nm，平均输出光功率为4.53 mW 的扫频光源。研制出的扫频光源结构简单、成本低廉、平坦度好，在光纤传感解调系统中作为光源有一定的实用价值。
激光器 扫频光源 傅里叶域模式锁定 半导体光放大器 FP 腔滤波器 光纤传感解调 激光与光电子学进展
2015, 52(2): 020601
1 Ultra fast Laser Laboratory, College of Precision Instruments and Optoelectronics Engineering, Tianjin University,Optoelectronic Information Science and Technology Lab., MOE, Tianjin 300072, China
2 Institute of Laser Life Science, South China Normal University,Guangzhou 510631, China
Chinese Journal of Lasers B
2000, 9(5): 390
