闭环光纤陀螺振动特性研究

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光纤陀螺是一种以Sagnac效应为工作原理的角速度传感器,在导航、制导与控制领域中有着广泛的应用,它主要包括光学传感和信号检测与处理两部分。光学传感部分是光纤陀螺的核心,它决定了陀螺的精度和各种环境特性;信号检测电路的一方面把光路所敏感出的转速信号转换为可以满足工程应用的信号,另一方面则根据光学传感部分的特点进行各种处理、控制等,对于提高传感器的精度也起到重要的作用。  本文首先对光纤陀螺信号处理电路进行了深入地研究,根据功能要求给出了闭环光纤陀螺信号处理电路的原理框图,详细讨论了闭环光纤陀螺中为了提高陀螺的检测灵敏度所采用的相位偏置调制技术,以及为了达到闭环工作而采用的信号反馈技术;在此基础上,建立了信号处理电路的传递函数的表达式,并利用该表达式,对光纤陀螺的频率特性进行了分析,为最终确定如何通过改进信号处理电路来提高光纤陀螺的振动特性奠定了理论基础。  其次,分析了组成光路的各个光学元件特性,主要利用光学的基本理论及分析偏振光的有效工具─“琼斯矩阵”,以线偏振光的传输为实例,建立了闭环光纤陀螺中主要光学元件的模型,并以此为基础获得了闭环光纤陀螺的光学模型;进而对闭环光纤陀螺的主要误差源偏振噪声、非互易性噪声、磁光法拉第效应噪声以及非线性克尔噪声进行了分析,这对于研究光纤陀螺的各种特性具有非常重要的指导意义。  结合已建立的闭环光纤陀螺光学模型和电路数学模型,从理论上分析了振动对光纤陀螺性能影响的机理,并从振动可能引入的光纤传感环圈的几何参数变化、光路中非互易相移、光强信号调制三个方面探讨了振动对陀螺性能的具体影响;理论分析表明,通过在光路中采用四极对称绕法,在电路中采用自动增益控制技术以及提高电路的带宽等措施,将极大改善闭环光纤陀螺的振动特性。  根据光纤陀螺性能测试方法和判定标准,阐述了关于光纤陀螺国军标GJB2494-96中对光纤陀螺主要技术指标的定义和考核方法,通过实例给出测试结果,并重点介绍了目前国际上已经应用十分广泛,而在我国尚处于探索阶段的Allan方差的基本原理以及该方法在光纤陀螺数据分析中的应用。  最后,通过试验研究了振动对光纤陀螺性能的影响,设计出了试验装置、试验方法,对光纤陀螺中的每个组成部分分别进行筛选试验,进一步确定了影响陀螺振动特性的因素,提出了相应的控制措施和实施办法,振动试验数据和结果验证了理论分析的正确性,以及减小振动效应措施的有效性。  综上所述,本论文通过理论分析与试验找到了影响光纤陀螺振动特性的原因并提出了解决措施,对光纤陀螺的设计、研究和应用有重要的指导意义,所取得的创造性成果如下:  1.建立了闭环光纤陀螺中主要光学器件、光学系统和信号处理电路的数学模型,为光纤陀螺的振动特性研究提供了理论基础。  2.通过研究各种噪声对光纤陀螺整体噪声贡献大小,提出了影响陀螺振动性能的最重要的噪声源来自于光学非互易噪声。  3.提出解决光纤陀螺振动性能的方法,并在工程中进行了试验验证,取得了很好的效果。
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