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
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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
1/4波片是全光纤电流传感器 (AFOCT)最重要的光学器件之一，针对 SLD宽谱光源产生的时间相干性问题，借助琼斯矩阵对光束的传播全过程进行了详细分析与计算，推导出探测器关于 1/4波片参数的光强表达式。根据闭环电路工作原理得到了 1/4波片参数对传感器信噪比和标度因数的影响规律，并通过实验验证。根据传感光纤的 Verdet(维尔德 )常数的温度特性，提出了 1/4波片的优化设计。
全光纤电流传感器 1/4波片 琼斯矩阵 all fiber optical current transducer quarter-waveplate Jones Matrix Verdet Verdet
西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所,西安,710072
根据光折变多重体光栅的滤波原理,在10×10×10 mm3的LiNbO3:Fe晶体中利用循环曝光法写入了光栅波矢夹角为0.037°且衍射效率均衡的8重体光栅,实验上证实了光写入多重光折变体光栅应用于波分复用系统的可行性.利用LiNbO3:Fe晶体制作了一个原理性双通道波分复用器,成功地实现了对相同方向入射的波长分别为635 nm和650 nm的两束光的有效分离,并根据布喇格条件,将光折变体光栅应用于光波波长的测量,测量精度可达10 pm量级.
多重体光栅 波分复用器 光折变效应 Multiple volume gratings Wavelength division multiplexing Photorefractive effect
西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所,陕西 西安 710072
根据数字全息干涉术的基本原理,利用CCD分别记录物场状态变化前后的无透镜傅里叶变换全息图,通过数值再现分别得到不同状态下物场的复振幅分布,从而直接得到不同状态下物场间的干涉条纹图样。如果该物场是由板状试样的离面弯曲引起的,则通过测量干涉条纹图样中相同相位条纹的渐近线之间的夹角,即可确定出材料的泊松比。实验证明该方法简单易行,尤其适合对光学粗糙表面、小泊松比或小尺寸的试样进行全场测量,测量结果具有良好的重复性,较高的灵敏度和精度。
全息 数字全息干涉术 泊松比 无透镜傅里叶变换全息图 干涉相位差
针对无透镜傅里叶变换全息图数值再现过程的特点,提出了一套不同于以往的削弱或消除全息图0级衍射和孪生像的数字图像处理算法。该算法分为三步。首先,对所拍摄的数字全息图通过高通滤波实现衬比度增强预处理,以提高全息图的衍射效率并消除再现图像的0级衍射斑;其次,对再现图像进行带通及V型滤波,以降低背景噪声并使再现视场均匀;最后,对所得到的再现像进行平滑处理,通过小波滤噪和中值滤波进一步提高再现像的信噪比。实验结果表明,该方法只需记录一幅数字全息图,通过简单的数字图像处理,便可明显改善图像质量,尤其适用于无透镜傅里叶变换全息图的数值再现,并且更加实用化。
数字全息术 无透镜傅里叶变换全息术 衬比度增强 带通滤波 V型滤波
