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
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院， 北京 100191
通过在相位调制器上施加线性变化的调制信号来实现对光波频率的方波调制是目前谐振式微光学陀螺(RMOG)中普遍采用的调制方法。而实现理想的方波频率调制要求完全线性的调制波形，极大地增加了系统实现难度。研究了调制曲线非线性对谐振腔输出的影响，仿真计算了具有二阶和三阶非线性误差的调制曲线引起的谐振曲线偏移和畸变。分析了解调输出误差与调制曲线非线性度的关系。通过搭建RMOG实验系统，测试了实际产生三角波调制信号的高阶非线性系数以及陀螺输出的标度因数。实验验证了理论分析计算方法的正确性以及采用模拟三角波产生方法改善微光学陀螺中相位调制非线性的可行性。
光纤光学 谐振式微光学陀螺 频率调制 非线性 输出误差 中国激光
2011, 38(11): 1105004
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学微纳测控与低维物理教育部重点实验室, 北京 100191
分析了集成光学谐振式陀螺中克尔噪声的产生机理，利用导波光学理论建立了克尔噪声的数学模型，并基于此模型得出了克尔噪声对集成光学陀螺极限灵敏度影响的数学表达。分析了不同光源谱宽下谐振腔腔长与克尔噪声引起陀螺输出偏移之间的关系；针对集成光学陀螺中克尔噪声的主要产生原因谐振腔中顺、逆时针的光强不均衡，仿真分析了系统中集成光学调制器的Y分支波导分光比不均衡对陀螺输出的影响，给出了集成光学陀螺中克尔噪声的抑制方法，最后给出了实验装置并采用通过可变衰减器的方法调节入射到谐振腔的光强使两光路光强严格相等，有效地抑制克尔噪声，并给出了初步实验结果。
集成光学 光学噪声分析 导波光学 克尔效应 光学学报
2011, 31(10): 1013003
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100083
介绍了谐振式微光学陀螺(ROG)的基本原理与结构,对采用三角波频率调制的陀螺灵敏度进行了理论分析。以调频光谱测量原理为基础,把环形谐振腔视为具有洛伦兹型吸收谱的介质,推导出了谐振式微光学陀螺在最大灵敏度时输出的光强与谐振腔谐振特性曲线的对应关系,提出了一种谐振式微光学陀螺最佳灵敏度的调节方法,结合陀螺系统信号的调制与解调,简化了陀螺系统最佳灵敏度的调节过程,给出了实际陀螺系统的灵敏度的测试实验。实验结果表明,此调节方法能够将谐振式微光学陀螺系统调节到最佳灵敏度,适合在实际的谐振式陀螺系统调试中运用。
集成光学 谐振式微光学陀螺 最佳灵敏度 调制频率
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100083
提出了一种新颖的基于光子晶体光纤和空间光学元件的光学谐振腔结构,利用MATLAB软件进行了谐振腔谐振特性的计算与分析,并在此基础上完成了谐振腔设计.设计的分析结果表明,当谐振腔输入镜M1和输出镜M2的反射率等于0.99时,谐振清晰度可以达到43.5,谐振腔谐振深度可以达到0.998 7,陀螺极限灵敏度可以达到0.5°/h.
光子晶体 光纤陀螺 谐振腔 陀螺极限灵敏度 Fiber optical gyroscope Photonic crystal fiber Resonator
1 北京航空航天大学光电技术研究所, 北京 100191
2 精密光机电一体化教育部重点实验室, 北京 100191
阐述了硅基微光学陀螺(MORG)结构中瑞利背向散射噪声的产生机理,并创建了硅基微光学陀螺光路的静态与动态理论模型,公式化地描述了硅基二氧化硅谐振腔中的该噪声特性,并通过软件算法仿真综合分析了硅基微光学谐振式陀螺中瑞利背向散射噪声与主信号强度之间的关系,以及其与反向光信号的干涉信号对主信号的影响。分析了瑞利背向散射噪声信号对谐振腔性能的影响,定量分析了此噪声对谐振腔清晰度、陀螺极限灵敏度的影响。提出了抑制系统中该噪声的方案,并搭建实验装置,利用提出的解决方案对系统进行了优化,实验验证了理论分析的结果。
集成光学 硅基微光学陀螺 噪声分析 谐振腔 瑞利背向散射
