諧振式光纖陀螺輸出特性及系統(tǒng)模型的仿真與分析

1、 田桂東指導(dǎo)教師： 李緒友教授學(xué)位級別： 工學(xué)碩士學(xué)科、專業(yè)：測試計量技術(shù)及儀器學(xué)位授予單位： 哈爾濱工程大學(xué)一琇 ，郟琠， 瓻 ：篗：， 哈爾濱工程大學(xué)本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。日期：年歲月肜日哈爾濱工程大學(xué)本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱

2、工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文，可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。口在授予學(xué)位個月后餉芎由年了月肜日 、 光纖陀螺是一種基于效應(yīng)的角速率傳感器，其在航空航天以及航海的導(dǎo)航及制導(dǎo)系統(tǒng)中起著重要作用。因其動態(tài)范圍寬、無機(jī)械結(jié)構(gòu)、成本低、體積小和高可靠性、等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代了機(jī)械陀螺。目前干涉式光纖陀螺技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是其

3、在小型化方面因受光纖環(huán)長度的限制，并且在進(jìn)一步提高精度方面也遇到困難。而諧振式光纖陀螺作為第二代光纖陀螺，能很好的解決小型化和精度的問題而受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的高度重視。因此，對諧振式光纖陀螺展開研究具有重要意義。本文從理論上分析諧振式光纖陀螺的核心和主體即光纖環(huán)形諧振腔的諧振特性并且對諧振式光纖陀螺的光路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，為諧振式光纖陀螺的研制奠定基礎(chǔ)。本論文的內(nèi)容主要分為三部分：第一部分闡述了諧振式光纖陀螺的基本工作原理。首先從理論上分析了諧振式光纖陀螺中最重要的光學(xué)部件諧振腔的構(gòu)成以及其諧振特性，然后詳細(xì)推導(dǎo)了諧振腔的輸入輸出光強(qiáng)關(guān)系，得到了諧振腔的傳遞函數(shù)。第二部分對諧振腔諧

4、振特性進(jìn)行仿真分析。根據(jù)已經(jīng)推導(dǎo)出的諧振腔的輸入輸出關(guān)系傳遞函數(shù)，利用仿真分析了構(gòu)成諧振腔的各種光學(xué)器件的主要參數(shù)包括耦合器的耦合系數(shù)、耦合器的損耗系數(shù)、構(gòu)成諧振腔的光纖的單位傳輸損耗、諧振腔的光纖長度以及激光光源譜線寬度等對諧振腔諧振特性的影響，為諧振腔的制作奠定理論基礎(chǔ)。然后著重分析了上述各種參數(shù)對諧振精細(xì)度的影響。控制，采用分析了控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)性能。關(guān)鍵詞：諧振式光纖陀螺；諧振特性：瓊斯矩陣；建模：控制系統(tǒng) 琹琤琣甌，痵 琧畂 琲琾琣 琣甊；籎； 諧振式光纖陀螺輸特性及系統(tǒng)模型的仿真與分析效應(yīng)原理光路系統(tǒng)建模 哈爾濱程大學(xué)碩十學(xué)：論文 慣性導(dǎo)航技術(shù)是基于慣性原理以及其它相關(guān)原理，自主

5、測量載體運(yùn)動姿態(tài)和控制載體運(yùn)動過程的技術(shù)，是慣性導(dǎo)航、慣性測量、慣性制導(dǎo)以及慣性敏感器技術(shù)的總稱。它傳統(tǒng)的陀螺是一種利用機(jī)械轉(zhuǎn)子的定向性和進(jìn)動性而制成的敏感角速率或角位移的精密的機(jī)械裝置，包括機(jī)械陀螺、靜電陀螺和石英撓性陀螺等，它的發(fā)展代表了慣性器件的發(fā)展。光電技術(shù)是一個蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域。各種新型光電器件和裝置層出不窮，被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，發(fā)揮著越來越大的作用閉。光纖陀螺就是利用現(xiàn)代光電技術(shù)的慣性器件，以其優(yōu)異的性能成為現(xiàn)代慣性器件的代表。機(jī)械陀螺因其受外界影響大，需要預(yù)熱，耐久性差，壽命短，成本高，體積大，而且?guī)捠艿絿?yán)重制約，其應(yīng)用受到很大的限制。與機(jī)械陀螺相比

6、較，光纖陀螺具有高靈敏度和高分辨率、動態(tài)范圍寬、啟動時間短、全固態(tài)器件、耐沖擊和振動、可直接用數(shù)字方式將數(shù)據(jù)輸出到計算機(jī)中進(jìn)行處理等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖陀螺在實際應(yīng)用中逐漸取代機(jī)光纖陀螺可以分為三大類，即干涉式光纖陀螺、諧振式光纖陀螺和布里淵型光纖陀螺。干涉式光纖陀螺是第一代光纖陀螺，在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，進(jìn)入實用化階段。諧振式光纖陀螺是第二代光纖陀螺，正處于實驗室研究向?qū)嵱没陌l(fā)展階段。而布里淵型光纖陀螺還處于實驗室理論研究階段嘲。光纖陀螺的應(yīng)用和其它陀螺相比，光纖陀螺具有許多優(yōu)點(diǎn)：無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，不存在磨損問題，具有較長的使用壽命；零部件少，具有較強(qiáng)的耐沖擊和抗加速運(yùn)動的能力；無需超高精度光學(xué)加

7、工和高性能氣體密封，制造成本低；根據(jù)使用對象的要求，具有高、中、低不同精度的產(chǎn)品；具有較寬的動態(tài)范圍；重量輕，體積小。由于光纖陀螺具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，其在武器裝備上的應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿?，光纖陀螺已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域慣性器件的發(fā)展方向。自上世紀(jì)九十年代中期以來，以美國為首的西方國家，在光纖陀螺的研究開發(fā)應(yīng)用中投入了大量的人力和物資，已經(jīng)開發(fā)出能夠在核潛艇上應(yīng)用的慣導(dǎo)級光纖陀螺。同時，光纖陀螺在民用領(lǐng)域也得到了很好的應(yīng)用。美國道格拉斯公司研制出一種民用光纖陀螺，能夠承受很寬的溫度變化范圍和強(qiáng)沖擊，是世界上第一臺應(yīng)用于鉆井設(shè)備的光纖陀螺，能精確的測定重力和油井的方向。 為提高火箭炮的射擊精度，在初始段加

8、控制。與魚雷的應(yīng)用相似，光纖陀螺也是最佳選的項目包括：地空彈；空空彈；近中程地地彈；陀螺羅徑；油井測斜；高速列車軌檢車。例如，俄羅斯的的被認(rèn)為是與美國的舢并列的第四代中距空空導(dǎo)彈，盡管在機(jī)動性和射程上占有優(yōu)勢，但由于它采用傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺而不是光纖陀螺，使得其作戰(zhàn)準(zhǔn)備時間相對較長，載機(jī)在空中作戰(zhàn)時容易陷人被動地位。目前，俄羅斯已將新近開發(fā)的光纖陀螺技術(shù)用于其最新主動雷達(dá)導(dǎo)引頭的研制，以加快戰(zhàn)術(shù)導(dǎo) 圖是干涉式光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)副。圖干涉式光纖陀螺基本結(jié)構(gòu)圖位信息。干涉信號經(jīng)由探測器轉(zhuǎn)換成電信號，對其進(jìn)行調(diào)制解調(diào)得到載體的旋轉(zhuǎn)角速率。血提出的。諧振式光纖陀螺相比于激光陀螺和干涉式光纖陀螺來說，所需光

9、纖或波導(dǎo)長度很短，能夠?qū)崿F(xiàn)陀螺小型化，以及其潛在的高靈敏度，受到各國的高度重視。當(dāng)陀螺以一定角速度發(fā)生轉(zhuǎn)動時，光纖環(huán)形腔的諧振頻率因效應(yīng)而發(fā)生變化，其中順時針和逆時針的諧振頻率變化是相反的，分別鎖定這兩個諧振頻率，并測量這一頻率差即可獲得轉(zhuǎn)動角速度。諧振頻差與轉(zhuǎn)動角速度的對應(yīng)關(guān)系劇刪： 只要檢測出緲，就可以確定光纖陀螺的轉(zhuǎn)動角速度。里淵型光纖陀螺同樣采用光纖環(huán)形諧振腔來敏感效應(yīng)。當(dāng)泵浦光功率達(dá)到受激布里淵散射閥值時，光線中就激發(fā)出后向反向受激布里淵散射光。當(dāng)諧振腔中發(fā)生諧振時，諧振腔中的光得到加強(qiáng)，它超過受激布里淵散射閾值時會產(chǎn)生斯托克斯光，斯托克 斯光的頻率因為受效應(yīng)影響而隨光纖線圈的旋轉(zhuǎn)角

10、速度發(fā)生變化，其中沿順時針和逆時針的斯托克斯光頻率變化大小相等而符號相反，二者的頻率差鈉和光纖可以得到光纖線圈的旋轉(zhuǎn)角速度。同樣和干涉型光纖陀螺相比，布里淵型光纖陀螺所使用的光纖也要短的多，信號處理系統(tǒng)簡單，完全可以避免目前干涉型光纖陀螺在小型化以及因干涉型信號分辨率致使其停留在中等精度水平的問題。再者，它不需要使用低相干光源，光源穩(wěn)定性較差的問題可以大大緩解。布里淵型光纖陀螺在光纖線圈長度、信號處理結(jié)構(gòu)、光源穩(wěn)定性方面的要求均低于干涉型光纖陀螺，這也降低了布里淵型光纖陀螺的成本。螺的最小結(jié)構(gòu)幾乎少了一半。同時，布里淵型光纖陀螺能夠直接產(chǎn)生陀螺拍頻，無需像在以上三種光纖陀螺中，目前以干涉型的光

11、纖陀螺技術(shù)最為成熟，其主要光器件也已經(jīng)達(dá)到了實用化的程度，而另兩種光纖陀螺還主要處于理論研究階段，其主要部件還沒有達(dá)到實用化的程度。因此我們研究的光纖陀螺仍然以干涉型光纖陀螺為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。光纖陀螺在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀陀螺是導(dǎo)彈制導(dǎo)、平臺導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)穩(wěn)定等必不可少的關(guān)鍵部件，在慣性測量起到不可替代的作用。早在年，付科首先將高速旋轉(zhuǎn)的剛體視為陀螺，并根據(jù)其定軸性出了結(jié)構(gòu)不同但原理相同的陀螺羅盤。此后，為了滿足火炮控制和航空業(yè)的需求，航向陀螺儀、陀螺垂直儀等產(chǎn)品相繼問世。以機(jī)械陀螺為代表的慣性裝置發(fā)展到上世紀(jì)年代，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能滿足大多數(shù)軍用航空器、軍用艦船、核潛艇以及地面車輛等的導(dǎo)航、制

12、導(dǎo)的要求。但是，由于轉(zhuǎn)子的存在，無論是早期的滾珠軸承陀螺，還是后來發(fā)展起來的液浮陀螺和靜電陀螺，它們的不利因素因其原理和結(jié)構(gòu)的原因而不能發(fā)生根本改變。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對精確制導(dǎo)武器的要求越來越高，對各種武器系統(tǒng)中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的慣性測量裝置提出了更高的要求，即減小慣性測量裝置的體積和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和維修費(fèi)用、降低功耗、增加系統(tǒng)可靠性。這些新的要求對和低損耗光纖的出現(xiàn)，非“轉(zhuǎn)子”陀螺的發(fā)展進(jìn)入實質(zhì)階段。光纖陀螺的概念是在 美國的研究現(xiàn)狀成系統(tǒng)、意大利、加拿大等七家公司合并而成。其光纖陀螺技術(shù)在低中精度應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成熟，并已經(jīng)產(chǎn)品化，主要客戶是美國陸軍、空軍、海軍和波音、空客等主要

13、的航空公司。年，該公司研制出實驗慣性裝置，所用到的慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計。年，研制并論證了系統(tǒng)飛行試驗裝置。年、年，研制出用于導(dǎo)彈和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的慣性測量系統(tǒng)。年，研制出全球定位系統(tǒng)等系列，分為導(dǎo)航類、戰(zhàn)術(shù)類、民用航空類和太空類，應(yīng)用在陸地、海洋、太空等領(lǐng)域， 只光纖陀螺的能力，在光纖陀螺的商業(yè)領(lǐng)域占據(jù)一定的市場份額。另外，該公司在一些高級凌志轎車上安裝了基于光纖陀螺的導(dǎo)航系統(tǒng)。主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，如，火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)。目前，其生產(chǎn)的干涉型光纖陀螺在商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，例如：應(yīng)用于遙控直升機(jī)、足球場割草機(jī)、火車定位檢測系統(tǒng)和超市清潔機(jī)器人。年，在以后的近年中，主要從

14、事光纖陀螺的研發(fā)，其重大突破是“全數(shù)字信號處理”概念的提出，也即將數(shù)字解調(diào)與數(shù)字相位斜波結(jié)合起來弘。世紀(jì)年代中期，軍光纖陀螺羅盤。年，光纖陀螺羅盤被安裝在法國核潛艇上。公司專門針對海洋和水下的定位應(yīng)用研制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)稱為光子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如圖網(wǎng)。它的水下系列已經(jīng)被很多軍用和非軍用的無人水下運(yùn)載器廠商選定。在此基礎(chǔ)上陸續(xù)推出了船用、陸用、航空應(yīng)用的系列光型導(dǎo)航系統(tǒng)、虯取輳居滯瞥雋碩喙芎墜叩枷低砅圖，更適合于自主式水下運(yùn)載器陀欣率揭？卦嗽仄的需要，可連接多種傳感器支持，如：郵棧任何類型，單一天線歡嗥綻賬偌瞥桃針對海底交通凰幌低澈蛻疃卻釁韉取蘭甏錚琁公司在法 圖鏡腛臼騃、標(biāo)準(zhǔn)玳蚉 蓋太空、空中、陸地

15、和水中和軍用、民用范圍。從年到年，該公司將向德國所示；動態(tài)范圍達(dá)到痵；零偏穩(wěn)定性可達(dá)蛔钚亓拷。 螺的研究工作，并取得了一定的成績。到目前為止，我國已完成了多種光纖陀螺試驗樣機(jī)的研制，正在向工程實用化發(fā)展。螺相比，諧振式光纖陀螺具有以下優(yōu)點(diǎn)陋纖諧振腔達(dá)到的精度就可以滿足飛機(jī)導(dǎo)航的需求，而干涉式光纖陀螺則至少需要米的光纖，不僅降低了成本而且光纖越短，溫度波動對系統(tǒng)精度的影響越小，且降低了溫度分布不均引起的漂移；庠床捎酶呦喔曬庠矗榷愿擼檢測精度高，動態(tài)范圍大。下面介紹諧振式光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀。瓻和甂于年首次提出了諧振式光纖陀螺的概念，并且利用四個反射鏡搭建了環(huán)形諧振腔，通過測量由于旋轉(zhuǎn)引入的沿順時針

16、和逆時針方向傳播的光的諧振頻率偏差，獲取陀螺系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)加速度。由于這種陀螺的腔體是無源的，加上需要的環(huán)長度只需要幾米甚至更短，因此可以克服有源腔體和長環(huán)的許多缺點(diǎn)，許多學(xué)者將注意力轉(zhuǎn)移到了諧振式光纖陀螺上，提出了各種光路結(jié)構(gòu)，其中最有代表的是美國和美國科學(xué)家從年開始研究諧振式光纖陀螺，并得到了美國軍方的大力支持年提出了減小背向散射和偏振誤差的新型系統(tǒng)；年，搭建了單偏振光纖諧振腔的陀螺系統(tǒng)，該系統(tǒng)有更小的偏振誤差州。隨后提出了度偏振軸旋轉(zhuǎn)的保偏光纖組成的環(huán)形諧振腔，從而更好的避免了偏振波動造成的陀螺輸出漂移。美國的的諧振式光纖陀螺，該系統(tǒng)首次采用保偏光纖，并通過鋸齒波相位調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)移頻。由于諧

17、振式光纖陀螺需要窄線寬光源，光源的長相干性也引入了一些額外的噪聲，包括瑞利背向散射、光克爾效應(yīng)、偏振噪聲等等，因此對于噪聲的研究是研制諧振式光諧振式光纖陀螺中各種噪聲的研究與克服工作，取得了一定的研究成果。年，從而降低了光克爾效應(yīng)給系統(tǒng)引入的誤差。年，該小組提出了采用雙頻率組合的階梯波驅(qū)動相位調(diào)制器，實現(xiàn)激光的組合移頻，設(shè)計了全數(shù)字閉環(huán)檢測的諧振式光纖陀螺，能夠精確檢測到地球自轉(zhuǎn)角速度。在我國，諧振式光纖陀螺的研究工作開始的比較晚。目前，清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、北方交通大學(xué)、浙江大學(xué)等高校和研究所已經(jīng)開始了諧振式光纖陀螺的研究。 以及諧振式光纖陀螺的分類以及在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。 第：章諧振式光

18、纖陀螺的原理諧振式光纖陀螺作為第二代光纖陀螺和干涉式光纖陀螺一樣，都是基于效應(yīng)。干涉式光纖陀螺是通過檢測光纖環(huán)中沿相反方向傳播的兩束光的相位差來確定載體轉(zhuǎn)動角速度的，諧振式光纖陀螺是通過檢測諧振腔中沿相反方向傳播的兩束光的諧振頻率差來確定載體轉(zhuǎn)動角速度的。效應(yīng)是光纖陀螺的基本原理，其基本表述：當(dāng)光束在一個環(huán)形的通道中前進(jìn)時，如果環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進(jìn)所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進(jìn)所需要的時間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變相反方向傳播的光。當(dāng)陀螺載體旋轉(zhuǎn)時，一個在慣性參考系

19、中靜止的觀察點(diǎn)，看到光從點(diǎn)，但是當(dāng)光纖環(huán)以角速度廝呈閉胱6保繽所示，兩束光在光纖環(huán)中傳嘍雜詮咝鑰占溲廝呈閉胄#蠐曬塘諢沸喂飴飛系墓鄄獾鉓發(fā)出的兩束光分別沿順時針和逆時針較蚪寫墓餼恢芎蠡氐組點(diǎn)，這兩束光因 。匆粃。式中：口環(huán)形光路轉(zhuǎn)動的角速度，痵墨!：匆籷，氣。掣掣業(yè)：堡口；絲口頻率將隨程長的微小變化而變化，其變化量為： 第二章諧振式光纖陀螺的原理一一，一鰲輳疉圖諧振腔結(jié)構(gòu)簡圖和是光纖環(huán)與耦合器的耦合端口。輸入光由進(jìn)入，一部分耦合進(jìn)入，另一部分進(jìn)入，從而形成閉合回路。在諧振腔中，當(dāng)傳輸?shù)墓膺_(dá)到一個動態(tài)平衡時，傳輸?shù)墓馓幱谥C振狀態(tài)。同樣從進(jìn)入的光也具有同樣對稱的特性，因此，諧振腔中同時激勵產(chǎn)生了順

20、時針和逆時針方向的兩個諧振狀態(tài)，這兩束諧振光的諧振峰值因載體的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生簡并分裂。通過對順時針和逆時針兩路行波中心頻帶分裂量進(jìn)行檢測，得到載 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文圖諧振腔結(jié)構(gòu)簡圖妒】一七豢赾口。妒】籧 第二章諧振式光纖陀螺的原理單位長度光纖的傳輸損耗誥詈掀魍環(huán)殖閃講糠鄭徊糠滯詈掀韉鬧蓖芻氐絇耍俏狤，表示為：損耗，然后經(jīng)過耦合器本分成兩部分，經(jīng)過耦合器的耦合臂耦合到端口的光場疊加點(diǎn)，一一跲俊口 丁黃一口弧一七豢赾將記為騂的推導(dǎo)過程如下：日一一謊棚一【她幻且渾】卜橫行表示時間平均，。號表示取復(fù)數(shù)共軛。整理得：饋”缸”麗麗遡齋毋鵒驢一舸以一令上式中”婀，則公式簡化為：同理令”一腑猣形一妒。一盯

21、第二章諧振式光纖陀螺的原理從上式中可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)和拇笮叵擔(dān)琒，可以分為三部分進(jìn)行計算，即：令上式中籺一胍，則公式可改寫為：磊鮞“脅沙訓(xùn)卜叫；芝”“趾“砌猳跏怒蒩黔整理后得到： 一。!坐提出進(jìn)行化簡，過程如下：將公式得到：石三矛，定義為諧振深度，則諧振腔的傳遞函數(shù)可表示為：令籢，則公式可轉(zhuǎn)換為： 第二章諧振式光纖陀螺的原理雜善卓鞦 癡窬付菷癡襠疃萈式中：彳；猀籕督】一口！【甗俊猒猼】籧在前面已經(jīng)定義過、蚏，它們都是大于零而小于氖訦是一個減函數(shù)。即當(dāng)時，锏階畬螅盋?，H達(dá)到最小值，所以有：則諧振腔諧振特性曲線中諧振谷的半高值是： 第二章諧振式光纖陀螺的原理乙本章 、結(jié)諧振式光纖陀螺的理論基礎(chǔ)是效應(yīng)，本

22、章首先介紹了這個光學(xué)現(xiàn)象的原理，并分析了諧振式光纖陀螺的工作原理，即載體旋轉(zhuǎn)角速率與效應(yīng)產(chǎn)生的諧振頻率差之間的關(guān)系。然后詳細(xì)分析了諧振腔的諧振特性，詳細(xì)推導(dǎo)了諧振腔的輸入輸出傳遞函數(shù)，為下一章分析各種光學(xué)部件參數(shù)對諧振特性的影響奠定了理論基礎(chǔ)。最后給出了諧振腔諧振特性的性能參數(shù)諧振頻率、自由譜寬、諧振精細(xì)度、諧振深度和諧振谷的半高全寬。 上一章簡單介紹了諧振腔的主要諧振特性參數(shù)，包括諧振精細(xì)度癡襠疃萈、各種損耗對諧振特性的影響器的譜線寬度。得到的諧振曲線如下圖： 第二章諧振腔諧振特性仿真分析得出隨著耦合系數(shù)增大，諧振精細(xì)度和諧振深度也降低了，諧振峰也變得低矮，諧振現(xiàn)象變得不明顯。圖不同耦合器耦

23、合系數(shù)的諧振曲線耦合器的耦合損耗分別取和，其它參數(shù)保持不變，得到圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著耦合器耦合損耗的增大，諧振精細(xì)度和諧振深度降低。要想得到尖銳的諧振波形，必須采用低損耗的耦合器。 圖不同光纖單位傳輸損耗的諧振曲線 圖形。同樣隨著光纖損耗的增大，諧振精細(xì)度和諧振深度都會受到影響，降低諧振腔的性能。所以光纖也要求損耗盡量小的，以提高諧振特性。圖不同光纖長度的諧振曲線發(fā)現(xiàn)，光纖的長度變化對諧振精細(xì)度和諧振深度的影響不大。所以構(gòu)成諧振腔的光纖長度比干涉式光纖陀螺中光纖環(huán)的長度可減小，降低了成本。激光器譜線寬度對諧振特性的影響諧振式光纖陀螺通過測量諧振腔中順時針和逆時針兩路行波中心頻帶分裂量，得到寬

24、度，會給諧振頻率偏差的測量帶來誤差。所以，從理論上講，諧振腔的諧振譜線寬度越小，諧振頻率偏差測量越精確。圖給出了不同激光器譜線寬度條件下的諧振特性曲線。從圖中可以看到激光器譜線寬度對諧振腔的諧振曲線的影響非常明顯。隨著線寬的增大，諧振精細(xì)度和諧振深度降低，諧振峰也變的越來越低矮，諧振現(xiàn)象越來越不明顯。當(dāng)激光器線寬達(dá)到一定值時，諧振現(xiàn)象消失。 圖不同激光器譜線寬度的諧振曲線豫一】一僻 第三章諧振腔諧振特性仿真分析圖激光器線寬和諧振腔諧振譜線寬度的關(guān)系各種參數(shù)對諧振精細(xì)度的影響分析在前面的章節(jié)中，已經(jīng)提出過諧振腔的精細(xì)度的概念，這一節(jié)將詳細(xì)的分析構(gòu)成諧振腔的光學(xué)器件的各種參數(shù)對其影響。諧振精細(xì)度是

25、衡量諧振腔對光頻率敏感程度的重要參數(shù)。由于諧振式光纖陀螺是利用光纖環(huán)形諧振腔的諧振峰來敏感載體角速度的，因此要求工作點(diǎn)所在諧振峰具有盡可能大的斜率，在諧振腔自由譜寬一定的條件下，就要式中：諧振腔腔長 將其代入公式狥中得到：七一一諧振腔光纖的單位傳輸損耗 第二章諧振腔諧振特性仿真分析 式中： 綜合圖和公式得出，當(dāng)諧振腔參數(shù)確定后，激光器譜線寬度越窄，諧振式光纖陀螺的極限靈敏度越高，并且構(gòu)成諧振腔的光線越短，極限靈敏度越高。本章小結(jié)本章首先仿真分析了耦合器耦合系數(shù)、耦合損耗、光纖傳輸損耗和光纖長度對諧振腔諧振特性的影響，為構(gòu)成諧振腔選取光學(xué)器件打好基礎(chǔ)。接著分析了激光器線寬對諧振特性的影響，得出使

26、用窄線寬光源可以得到理想的諧振特性、較高的諧振精細(xì)度和較高的陀螺極限靈敏度。最后分析了上述各種參數(shù)對諧振精細(xì)度的影響。本章所做的分析，為構(gòu)成陀螺光路奠定了理論基礎(chǔ)。 圖諧振式光纖陀螺的原理結(jié)構(gòu)圖 度下降。如果兩束光波的偏振態(tài)正交，則不發(fā)生干涉。因此，需要控制干涉儀中光波的偏振態(tài)，來得到穩(wěn)定的干涉信號?，j。 偏振態(tài)的全部信息都包含在了瓊斯矢量中。輸出光的電場與輸入光的電場的瓊斯矢量滿足線性關(guān)系時，該關(guān)系可用一個瓊斯矩陣表示。矩陣的元素只與輸入、輸出之間的光學(xué)元件特性有關(guān)闈：用瓊斯矩陣描述幾個光學(xué)元件串聯(lián)而成的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)非常方便。假定元件之間界面的本地坐標(biāo)系統(tǒng)一致，總的瓊斯矩陣僅僅是各個元件的瓊

27、斯矩陣的乘積，并按他們在光路式中晶表示光學(xué)系統(tǒng)總的瓊斯矩陣，光先后通過光學(xué)元件的次序如圖所示，需要注意的是，公式中瓊斯矩陣的次序是按照作用先后確定的，運(yùn)算中不能隨意互換。；軟，圖線性光學(xué)器件的級聯(lián)圖是諧振式光纖陀螺的機(jī)構(gòu)圖，依據(jù)瓊斯矢量理論，建立諧振式光纖陀螺的光路傳輸模型。取士 表示對符號內(nèi)變量的時間平均任何部分偏振光的相干矩陣都可以分解成完全偏振光和完全非偏振光兩部分。完全分解后的完全非偏振光可以唯一表示為：擼閡弧玗 ，粄筍：一 際的操作過程中，熔接誤差和光纖扭曲的存在，偏轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)會出現(xiàn)誤差，設(shè)旋轉(zhuǎn)的眥光纖環(huán)熔接點(diǎn)的瓊斯矩陣表不是：；鸝搿圖中有四個耦合器，光在通過它們時有兩種形式，一種

28、是通過直通臂耦合，另一種是通過耦合臂耦合。對于這兩種不同的耦合形式分別進(jìn)行建模。直通耦合的瓊斯矩 q詈銑齲珻為耦合效率，和不對準(zhǔn)角和光纖的雙折射效應(yīng)有關(guān)。尺；一拓，保偏光纖組成的環(huán)形諧振腔中沒有任何模式耦合的情況下，其偏振本征態(tài)是兩個線圖輸入光的電場矢量涑齬獾牡緋噶與較虺角，則有：式中：珽蚨衿韉那硭咕卣驪為： 公式中位偏振器的振幅消光系數(shù)，與消光比的關(guān)系為：圖中諧振式光纖陀螺的光路是由耦合器以及諧振腔等光學(xué)器件通過光纖連接在一起的，焊點(diǎn)對系統(tǒng)的光學(xué)性能產(chǎn)生一定影響。焊接過程中，兩段光纖的雙折射主軸不能準(zhǔn)確對齊，產(chǎn)生了誤差。這個角度誤差的存在使得光波在傳播過程中經(jīng)過焊點(diǎn)時，偏振主軸上傳播的能量會

29、產(chǎn)生變化，這造成了較大的陀螺輸出誤差。設(shè)焊點(diǎn)處兩段光纖的雙折射主軸間的誤差角為僥，圖中有個焊點(diǎn)，到。叫囂矧?qū)嶋H中諺的值都很小，故焊點(diǎn)矩陣可近似為：理想的焊點(diǎn)瓊斯矩陣為：在圖中，光到達(dá)每個探測器都分成兩部分，一部分是經(jīng)過諧振腔的光，令一部；恕荊，】 哈爾濱程大學(xué)碩士學(xué)位論文蜼”瓶萫啊“赾日對聲正簉握齮一赾口握聲正齴簧幀阺口姆正盧止光路系統(tǒng)誤差分析在環(huán)形諧振腔中產(chǎn)生諧振特性的光是線偏振或是部分偏振態(tài)。而這里說的偏振態(tài)是指光矢量在某一點(diǎn)的偏振狀態(tài)。光波是一種橫波，光矢量在垂直于波線的平面上做二維振動，呈現(xiàn)不同的偏振方式，光矢量的這種偏振方式稱為光的偏振態(tài)對于任 何光波都可以分解成兩個偏振方向正交的線

30、偏振光。在分析偏振誤差這個問題時，需要用到偏振本征態(tài)這個概念，即諧振腔中經(jīng)過一個循環(huán)而不改變其偏振狀態(tài)的一種特殊偏振狀態(tài)。在早期的諧振腔是由單模光纖構(gòu)成的，由于單模光纖固有的雙折射受環(huán)境影響嚴(yán)重，使其本征偏振態(tài)隨環(huán)境變化出現(xiàn)較大波動。目前的諧振腔都是由保偏光纖構(gòu)成的，保偏光纖的雙折射隨環(huán)境變化時，導(dǎo)致諧振腔中兩個本征偏振態(tài)對應(yīng)的偏振光波發(fā)生疊加和干涉，引起諧振特性曲線的不對稱，使諧振曲線的諧振頻率點(diǎn)產(chǎn)生誤差，則陀螺輸出產(chǎn)生誤差。分析完全非偏振光輸入時的陀螺輸出，此時，公式械腃：；，則得從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)。時，輸出誤差可以忽略不計，所以完全非偏振光可 光克爾效應(yīng)是指光纖折射率隨光強(qiáng)變化而變化的一

31、種現(xiàn)象，當(dāng)光纖直徑很小時，纖芯中的光功率密度很大，光折射率發(fā)生變化，引起光的非線性傳播，使沿相反方向傳播的兩束光波的功率出現(xiàn)不平衡，產(chǎn)生一個小的非互異頻率差，從而使系統(tǒng)的輸出出現(xiàn)零光纖材料的非線性折射率系數(shù)!F褚蜃趕在諧振腔中，克爾效應(yīng)是由于順時針和逆時針光路中光強(qiáng)不平衡引起光線折射率變化造成的?？藸栃?yīng)產(chǎn)生的輸出偏離正比于順時針和逆時針光路中傳輸?shù)墓獠ㄖg的光功率差；只有當(dāng)諧振腔中沿相反方向傳輸?shù)膬墒獾墓β氏嗟葧r，克爾效應(yīng)產(chǎn)生的輸出偏離才為零。圖仿真了光纖折射率變化使輸出光強(qiáng)發(fā)生偏離。從圖中發(fā)現(xiàn)光克爾效應(yīng)是陀螺輸出誤差的主要因素。圖光纖折射率變化使輸出光強(qiáng)發(fā)生偏離的仿真曲線 克爾效應(yīng)的補(bǔ)償

32、措施：基于光子帶隙效應(yīng)的光纖，它的纖芯是空氣孔，包層是多層周期性排列的空氣孔陣，光波模被限制在空氣孔中傳輸，而傳統(tǒng)的光纖光波模是在實心的石英纖芯中傳輸?shù)模捎诳藸栃?yīng)在空氣中比在石英材料中低很多，所以空心光子帶隙光纖中的克爾效應(yīng)比普通光纖中小很多舊。癡袂皇淙牘獠謎伎氈任德飾狥整數(shù)倍的方波進(jìn)行調(diào)制，例如當(dāng)諧振腔長度為?，F(xiàn)為髦破德飾紫扔玫推嫡也角頻率為對進(jìn)入諧振腔的光波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制；通過以調(diào)制頻率的同步檢測可得到克爾效應(yīng)引起的偏離，即輸入諧振腔的兩束光波的光強(qiáng)差，然后將其反饋到諧振腔中的一束光波中去，使平均光強(qiáng)差為零嘲。在諧振式光纖陀螺中，環(huán)形諧振腔的諧振特性正是其工作的關(guān)鍵，而使用窄譜線寬的光源

33、是為了得到尖銳的諧振特性。而光源的譜線寬度越窄，說明光源的相干性越高。因此，在諧振式光纖陀螺中采用高相干性的光源是諧振腔的精細(xì)度得到提高。而在干涉式光纖陀螺中采用低相干光源是為了消除高相干性帶來的寄生噪聲影響。光源的選取原則是：蕩磯認(rèn)拗圃冢、無論對于溫度變化或機(jī)圖的光路系統(tǒng)中，我們用到了兩種不同耦合系數(shù)的耦合器。要想得到理想的諧振特性，耦合器的耦合系數(shù)和耦合損耗必須達(dá)到要求，在第三章中仿真結(jié)果說明這兩個參數(shù)對諧振特性的具有很大的影響。耦合器的選取原則：一般實驗室諧振式光纖陀螺諧振環(huán)中的保偏光纖定向耦合器都是采用手工熔結(jié)、打磨和壓制的方法制作，光損較大，且要達(dá)到某一合適的耦合比更是困難，因為所需

34、達(dá)到的理想耦合比基本上由耦合器的光損決定，即便事先對光損進(jìn)行了估算，但由于手工制作的不確定性，得到的耦合器光損不一定與耦合比匹配。這項工作要求一定的測試條件的保證和豐富的經(jīng)驗。 本章小結(jié)本章首先根據(jù)瓊斯矩陣光學(xué)理論對構(gòu)成諧振式光纖陀螺光路系統(tǒng)的各種元器件進(jìn)行了建模，確立了它們的光學(xué)傳輸模型。在此基礎(chǔ)上建立諧振式光纖陀螺光路系統(tǒng)瓊斯矩陣傳輸模型，并推導(dǎo)了順時針光路的輸出光強(qiáng)。然后分析了諧振式光纖陀螺光路中主要誤差因素偏振誤差和光克爾效應(yīng)誤差產(chǎn)生機(jī)理以及抑制措施。最后詳細(xì)討論了光源和耦合器的選取要求。 為諧振式光纖陀螺系統(tǒng)建立一個完整的控制系統(tǒng)模型并對其進(jìn)行仿真分析是研究諧振式光纖陀螺的重要基礎(chǔ)工

35、作。本文根據(jù)諧振式光纖陀螺的實際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別分析了諧振式光纖陀螺的閉環(huán)控制和開環(huán)控制原理，并分別建立了開環(huán)和閉環(huán)控制模型，并對其進(jìn)行仿真分析。諧振式光纖陀螺檢測原理分析諧振式光纖陀螺是利用效應(yīng)在諧振腔中產(chǎn)生的諧振頻差來測量載體轉(zhuǎn)動角速率的。但是由于效應(yīng)是一種極其微弱的效應(yīng)，諧振腔中沿相反方向傳播的兩束光由于載體的運(yùn)動產(chǎn)生的諧振頻差非常小，與激光器的輸出光頻率相比較小了好幾個數(shù)量級。因此，直接對諧振腔中順時針和逆時針產(chǎn)生的諧振頻差進(jìn)行測量是非常困難的，需要對輸入諧振腔的光信號進(jìn)行調(diào)制，利用解調(diào)信號反饋控制來實現(xiàn)載體角速率的測量。諧振式光纖陀螺的檢測方案分為開環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的

36、區(qū)別就在于輸出量對空置量有沒有影響。一般來說，開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，但是其檢測誤差較大、動態(tài)范圍小。在諧振式光纖陀螺的開環(huán)檢測系統(tǒng)中同時存在反饋控制回路，但是其不受輸出量的控制。下面我們將分別分析開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測原理，為建立控制模型打好基礎(chǔ)。圖是諧振式光纖陀螺開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖俐。耦合器的耦合系數(shù)為這兩束光分別經(jīng)過鈮酸鋰相位調(diào)制器進(jìn)行斜波相位調(diào)制，然后經(jīng)過耦合器分別由耦合器耦合進(jìn)入光電探測器中。諧振腔中沿順時針方向傳播的光進(jìn)過光電探測器淙氳絞紙獾韉緶進(jìn)行解調(diào)，輸出的解調(diào)信號通過反饋控制電路將光源的中心頻率鎖定在順時針光路的諧振頻率上，逆時針光的輸出信號經(jīng)過數(shù)值解調(diào)電路械鶻猓飧魴藕

37、耪扔諦=撬俾剩魑M勇蕕目;肥涑魴藕舙”。 數(shù)字解調(diào)電路 圖給出了斜波相位調(diào)制時順時針光路入射到光電探測器的光強(qiáng)信號。其中，線處于圖中虛線所示的位置時，由于諧振點(diǎn)對應(yīng)了光源中心頻率，此時，頻率分量當(dāng)諧振曲線處于圖中實線所示位置時，因為諧振點(diǎn)和光源中心頻率發(fā)生了偏離，則頻率分量一和，對應(yīng)的輸出不等，所以入射到光電探測器的光強(qiáng)信號為方波信娑】利用公式，得到諧振腔輸出的方波信號幅度與諧振頻率偏差的關(guān)系曲線，如圖 光強(qiáng)方波信號幅圖諧振腔輸出的方波信號幅度與諧振頻率偏差的關(guān)系曲線數(shù)字解調(diào)電路反饋控制電路數(shù)字解調(diào)電路 淖楹系髦菩藕牛釉贑上的是頻率為，：和廠旱淖楹系髦菩藕擰渲?，t是固定頻率，而廠蚍從沉嗽靨逍=

38、撬俁的變化。由線性相位斜波調(diào)制技術(shù)可知，由于頻率可看做相位的一階導(dǎo)數(shù)，當(dāng)加在相位調(diào)制器上的斜波復(fù)位電壓等于相位調(diào)制器產(chǎn)生相移時的調(diào)制電壓時，相位斜波調(diào)制等同于一移頻，并且移頻量等于該斜波的斜率除以。因此對逆時針光路中的光束，這種調(diào)制方式將使光依次產(chǎn)生廠和的移時逆時針光路的諧振頻率滿足：；廠業(yè)針光路的諧振頻率厶滿足：幅度反映了廠【偏離厶的程度。從光電探測器輸出的方波信號經(jīng)過數(shù)字解調(diào)電路，提取各自的諧振頻率偏差用以控制光源輸出頻率和調(diào)制頻率針光束的諧振頻率差為：上一節(jié)介紹了諧振式光纖陀螺開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的物理模型，從它們的物理模型可以看出諧振式光纖陀螺的中的光路分成了兩部分，它們是相互獨(dú)

39、立，所以不論是開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，它們的模型都分為順時針光路檢測和逆時針光路檢測兩部積分控制是一種常用的且非常簡單的控制方法，其原理框圖如下： 其傳遞函數(shù)為：圖是諧振式光纖陀螺開環(huán)控制系統(tǒng)中順時針光路的結(jié)構(gòu)框圖模型，將其看做采樣控制系統(tǒng)，用離散傳遞函數(shù)的方法來描述系統(tǒng)特性。將圖中光路部分簡化為比例環(huán)節(jié)；光電轉(zhuǎn)換器和放大電路的帶寬遠(yuǎn)大于系統(tǒng)帶寬，所以將其簡化為比例環(huán)節(jié)；在不考慮疍轉(zhuǎn)換器的量化誤差的前提下，將其簡化為比例環(huán)節(jié)偷謊映賨；數(shù)字 的電特性可以近似為一個大電容，與控制電路的輸出電阻組成一個一階濾波器，可以表示為【】：二圖開環(huán)檢測的順時針光路原理圖其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：凈。亟生 。，一， 其閉環(huán)傳遞函數(shù)是：這個環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)是： 諧振式光纖陀螺控制系統(tǒng)模型的分析刂啤控制器的離散傳遞函數(shù)為：厶工，擔(dān)公式中荘控制器，利用緀整定公式設(shè)計刂破鰲刂破骱蚉 ；下嬰一，、籞，模小于諭、中，控制系統(tǒng)的閉環(huán)特