本文關(guān)鍵詞：諧振式光纖陀螺小型化技術(shù)研究

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【摘要】：諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyro, R-FOG)是一種基于光學Sagnac效應的高精度的慣性角速度傳感器。相比于干涉式光纖陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro, I-FOG), R-FOG可以用更短的光纖達到與I-FOG相同的理論精度,因而在光纖陀螺的小型化和集成化方面具有一定優(yōu)勢。目前R-FOG還處于實驗研究階段,系統(tǒng)中的光電器件還處于分立狀態(tài),且體積較大,不利于系統(tǒng)的封裝集成。本論文通過對R-FOG系統(tǒng)中光學及電學器件的小型化設計及研究,建立了小型化集成封裝的R-FOG原型樣機。本文主要開展了如下研究工作：(1)完成FPGA數(shù)字信號處理板的小型化設計。該電路板的硬件部分包括2路并行高速14位AD、FPGA處理芯片、PROM存儲芯片、40MHz固定輸出有源晶振、6路高速14位DA,4路可放大至±12V運算放大電路以及電源管理模塊。設計完成光電探測器的驅(qū)動電路,實現(xiàn)光電探測模塊的小型化。(2)建立了相位調(diào)制器殘余強度調(diào)制(Residual Intensity Modulation, RIM)作用下R-FOG系統(tǒng)輸出的基本數(shù)學模型,并通過仿真分析RIM系數(shù)和調(diào)制頻率對系統(tǒng)的影響。在RIM效應的作用下,R-FOG系統(tǒng)的解調(diào)曲線會產(chǎn)生零點偏移,并且該零點偏移的大小會隨RIM系數(shù)和調(diào)制頻率的改變而改變,同時RIM效應產(chǎn)生的誤差與正弦信號的調(diào)制頻率有關(guān),當RIM系數(shù)確定時,通過數(shù)值仿真可知,存在一組最佳的調(diào)制頻率,能夠使RIM效應引入的系統(tǒng)理論誤差降低至0。(3)通過理論推導和數(shù)值仿真分析了激光器頻率調(diào)諧時光強度調(diào)制給R-FOG系統(tǒng)引入的誤差。在激光器伴隨強度調(diào)制的作用下,陀螺解調(diào)曲線會出現(xiàn)非中心對稱現(xiàn)象,且線性度會隨著伴隨強度調(diào)制系數(shù)的變大而變差；對于環(huán)境因素引起的諧振腔諧振頻率漂移,系統(tǒng)的標度因數(shù)會隨著漂移量的變大而增大,從而在測量中引入誤差,仿真結(jié)果表明該誤差會隨諧振頻率漂移量的變大而變大,在輸入角速度為2°/s、諧振頻率漂移達到5FSR(Free Spectrum Range, FSR)時,測量誤差達到了0.29°/s。(4)基于光學器件、硬件電路以及封裝結(jié)構(gòu)件的小型化選型及設計,建立了小型化集成封裝的R-FOG原型樣機,并對樣機的標度因數(shù)非線性度、動態(tài)范圍、零偏穩(wěn)定性等性能進行了測試。在1s積分時間下,諧振頻率伺服回路等效鎖定精度為2.65°/h(1σ),陀螺輸出的零偏穩(wěn)定性為89.10/h；在163s積分時間下,陀螺輸出的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于13.6°/h(1σ)；陀螺系統(tǒng)的動態(tài)范圍為±840/s,標度因數(shù)非線性度為0.354%。以上研究成果為R-FOG小型化及強度調(diào)制噪聲的研究提供了參考依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：諧振式光纖陀螺 小型化 強度調(diào)制噪聲 數(shù)字信號檢測系統(tǒng) 封裝
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 緒論12-20
• 1.1 引言12-13
• 1.2 諧振式光纖陀螺的研究進展13-18
• 1.3 本論文的意義及主要工作18-20
• 2 小型化R-FOG數(shù)字信號檢測系統(tǒng)設計20-34
• 2.1 諧振式光纖陀螺基本原理20-26
• 2.1.1 光學Sagnac效應20-21
• 2.1.2 基于正弦相位調(diào)制的R-FOG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)21-23
• 2.1.3 正弦相位調(diào)制解調(diào)技術(shù)23-25
• 2.1.4 諧振頻率伺服回路技術(shù)25-26
• 2.2 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)設計26-30
• 2.2.1 正弦相位調(diào)制解調(diào)技術(shù)設計27-28
• 2.2.2 諧振頻率伺服回路設計28-30
• 2.3 光電器件小型化設計30-33
• 2.4 小結(jié)33-34
• 3 R-FOG小型化硬件電路設計與實現(xiàn)34-49
• 3.1 FPGA數(shù)字信號處理板的小型化34-39
• 3.2 基于FPGA的R-FOG數(shù)字檢測系統(tǒng)實現(xiàn)39-47
• 3.2.1 正弦相位調(diào)制信號發(fā)生器40-42
• 3.2.2 鎖相放大模塊42-44
• 3.2.3 PI頻率伺服模塊44-46
• 3.2.4 串口通信模塊46-47
• 3.3 光電探測器電路的設計和實現(xiàn)47-48
• 3.4 小結(jié)48-49
• 4 R-FOG強度噪聲分析49-63
• 4.1 相位調(diào)制器殘余強度調(diào)制特性分析49-56
• 4.1.1 理論推導50-52
• 4.1.2 仿真分析52-55
• 4.1.3 結(jié)論55-56
• 4.2 半導體激光器伴隨強度調(diào)制特性分析56-62
• 4.2.1 理論推導56-57
• 4.2.2 仿真分析57-61
• 4.2.3 結(jié)論61-62
• 4.3 小結(jié)62-63
• 5 實驗結(jié)果與分析63-71
• 5.1 諧振曲線測試63-64
• 5.2 載波抑制測試64-65
• 5.3 解調(diào)曲線測試65
• 5.4 諧振頻率伺服回路性能測試65-67
• 5.5 陀螺輸出特性測試67-70
• 5.5.1 動態(tài)范圍及標度因數(shù)非線性度測試67-68
• 5.5.2 未封裝前零偏穩(wěn)定性測試68-69
• 5.5.3 封裝后零偏穩(wěn)定性測試69-70
• 5.6 小結(jié)70-71
• 6 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 論文的主要研究成果71-72
• 6.2 進一步研究工作展望72-73
• 參考文獻73-78
• 作者簡歷及攻讀碩士學位期間所取得的科研成果和榮譽78

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本文編號：806289