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光纤谐振腔及谐振腔光纤陀螺关键技术研究

姚琼

   光学谐振腔是一类多光束干涉器件,它对光波长和谐振腔参数的变化极为敏感。用光纤构成环形谐振腔和利用Sagnac效应,对物体相对惯性空间的转动角速度进行测量,就构成了一类新型的谐振腔光纤陀螺(R-FOG)。 用光纤谐振腔进行转动角速度测量的前提条件是要获得高性能且稳定的谐振腔,这必须解决光纤谐振腔的偏振稳定问题,同时要求有极窄线宽的可调谐高相干光源。国内长期在高相干激光光源和光纤偏振技术上的落后,阻碍了人们对光纤谐振腔实验研究的深入。本论文在已获得高相干可调谐激光器和保偏光纤器件技术突破的基础上,对光纤谐振腔进行了实验研究,建立了稳定的光纤环形谐振装置,获得了能满足中精度R-FOG研究要求的全保偏光纤谐振腔。 要利用光纤谐振腔进行高灵敏度信号检测,必须对谐振腔进行必要的信号调制和闭环频率控制。本论文对光纤谐振腔的数字相位斜波方波调制方法和光频调制、相位斜波频率偏置的闭环频率控制方法进行了深入的研究,对数字系统量化误差和各种相位调制误差的影响进行了理论分析;在建立高性能稳定的保偏光纤谐振腔的基础上,进行了光纤谐振腔方波信号调制和闭环频率控制的实验研究,通过数字相位斜波调制和光源中心频率调谐,实现了光纤谐振腔的全数字闭环信号处理和频率控制,为谐振腔光纤陀螺的实验研究奠定了基础。 在一般的光纤陀螺中,都有压电陶瓷或光波导构成的相位调制器,这些调制器与相关的电子电路连在一起,对光纤陀螺在特殊恶劣环境中的应用带来了限制。在本论文中研制的全数字信号调制和闭环控制的光纤谐振腔,在敏感环内无电子器件,可用长程光纤将谐振腔与其他部分远距离相连,将为实现基于光纤网络的远距离全光转动传感提供了一条可能的技术途径。 本论文的主要研究结果和创新如下: 1.研究了光源线宽和耦合器特性与光纤谐振腔谐振特性的关系,分析了耦合器的偏振耦合和光纤熔接点的偏振轴对准误差对光纤谐振腔偏振特性的影响,为进行高性能保偏光纤谐振腔的研制提供了重要的理论依据。 2.首次从理论上深入分析了数字相位斜波调制技术中的各种调制误差对光纤谐振腔输出特性的影响,并在实验中得到了验证。研究了数字相位斜波用于方波信号调制的性能,并根据实际输出信号波形,设计了光纤谐振腔的数字信号解调系统。 3.研究了光频调制和数字相位斜波频率偏置进行光纤谐振腔闭环频率控制的方法,并对其性能进行了分析,提出了一种基于长程光纤网络的R-FOG结构,为实现传感端无电子器件的全光转动测量提供了一种可能途径。 4.研制了全保偏光纤谐振腔,在国内首次实现了精细度为47.8、谐振深度为0.38的稳定的谐振腔,并具有良好的偏振特性,能满足中精度R-FOG的应用要求。 5.设计了光纤谐振腔方波信号调制和闭环频率控制系统,实现了光纤谐振腔的全数字闭环信号处理,获得了4.32Hz的频率控制稳定性,为谐振腔光纤陀螺的进一步实验研究奠定了基础。……   
[关键词]:光纤谐振腔;谐振腔光纤陀螺;数字相位斜波;方波信号调制;闭环频率控制
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:国防科学技术大学2006年
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