小型化RFOG硬件電路優(yōu)化與光源強度調制噪聲抑制技術的研究.pdf

1、諧振式光纖陀螺（Resonator Fiber Optic Gyro，RFOG）是一種基于光學Sagnac效應的慣性傳感器，用于測量載體的旋轉角速度。相比于干涉式光纖陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro，IFOG)，RFOG可以用更短的光纖達到與IFOG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，雖然RFOG的性能已經得到了一定提升，但仍處于實驗室研究階段。較大的系

2、統(tǒng)體積及離散的系統(tǒng)器件制約著RFOG的實用化發(fā)展。因此，開展小型化與集成化研究對實現RFOG的最終應用具有重要意義。本論文通過對RFOG系統(tǒng)信號處理硬件電路的優(yōu)化設計，進一步實現RFOG系統(tǒng)硬件電路的小型化。小型化RFOG系統(tǒng)中所采用的半導體激光器存在強度調制噪聲，這會給陀螺檢測引入測試誤差。本論文基于二次諧波解調技術，設計并實現了一種可以有效減小強度調制噪聲的補償算法，提高了陀螺檢測精度。本文主要開展了如下研究工作:
　　(1)

3、完成小型化RFOG系統(tǒng)數字信號處理與光電轉換硬件電路的集成與優(yōu)化，從而實現了RFOG硬件電路的進一步小型化?；趯﹄娐返男枨蠓治觯ㄟ^電源、運算放大器、跟隨器等芯片的優(yōu)化選型及電路結構的優(yōu)化設計，將原先分離的數字信號處理與光電轉換模塊集成在直徑為8cm的硬件電路中。對電路進行測試，其結果表明，該電路可以滿足RFOG系統(tǒng)要求，且功耗由原來的3W降低至1.9W。
　　(2)將優(yōu)化后的硬件電路應用于小型化RFOG系統(tǒng)中，完成陀螺系統(tǒng)性能

4、測試。測試結果表明，在1s積分時間下，陀螺零偏穩(wěn)定性為58.1deg/h(1σ)。根據Allan方差分析結果，在248s積分時間下，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于5.0deg/h。陀螺在±100 deg/s的動態(tài)范圍內，標度因素非線性度為0.317％。通過擺動實驗得到陀螺在±0.01deg/s旋轉角速度下的響應。
　　(3)通過動態(tài)掃描解調曲線，并基于對解調曲線線性區(qū)斜率在調諧電壓動態(tài)范圍內波動情況的分析，測試了正弦波相位調制下的小型化RFOG光

5、源強度調制噪聲，驗證了該噪聲對陀螺性能的影響。測試結果表明，當旋轉角速度分別為0.5deg/s和5deg/s時，1V的調諧電壓波動將分別引入約0.175 deg/s和3.22deg/s的強度調制噪聲，從而實驗驗證了強度調制噪聲會給動態(tài)條件下的RFOG系統(tǒng)引入較大的誤差，且該誤差隨著旋轉角速度的增大而交大。
　　(4)基于閉環(huán)路二次頻信號的檢測，提出一種用于抑制RFOG系統(tǒng)光源強度調制噪聲的解調信號補償技術。通過理論推導，得到了利用

6、二次頻信號隨強度噪聲的線性波動來補償強度調制下陀螺輸出信號的表達式。在不添加額外器件的情況下，通過數字信號處理算法設計，實現了對陀螺輸出信號的實時補償功能。為了優(yōu)化二次頻信號在數字系統(tǒng)中的檢測精度，通過理論與實驗分析得到不同旋轉角速度下二次解調信號所需的最小量化位數，并證明該最小量化位數隨著旋轉角速度的增大而增大。采用該強度調制噪聲抑制技術，測試得到在旋轉角速度分別為0.5deg/s、1.0deg/s、2.0deg/s和5.0deg/s