高精度光纤陀螺光源强度噪声抑制技术的研究

论文摘要

超荧光掺铒光纤光源具有波长稳定性好、光谱宽度宽和输出功率高等优点,成为高精度光纤陀螺的首选光源。高的输出功率可以提高陀螺信号的信噪比,降低陀螺角随机游走系数。但光强增加到一定程度,陀螺信噪比将由掺铒光纤光源的强度噪声决定,不会再随光功率的提高而提高。为了进一步提高光纤陀螺的精度,必须抑制光源强度噪声。本课题首先从理论上分析了掺铒光纤光源强度噪声的产生机理,然后分别采用光强外调制法和数字电路相减法抑制光源强度噪声,以求达到提高光纤陀螺精度的目的。本课题所做的工作主要有以下几个方面：首先,从光的发光机理出发,分析了原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收,建立了原子跃迁的三能级系统和四能级系统模型。接着对掺铒光纤的三能级系统和掺铒光纤光源的基本构成进行了详细分析,在此基础上分析了影响光源强度噪声的各种因素。然后,详细分析了集成光学强度调制器的光强调制原理以及性能参数指标,设计了光强外调制系统的反馈控制电路,并对结构参数的确定方法进行了细致研究。最后,建立了反馈控制电路的模型,采用仿真验证的方法得出,光强外调制法能够较好的抑制陀螺本征频率及以上几次谐波处的光源强度噪声。接着,从理论上分析了数字电路相减法噪声抑制技术的可行性,并采用实验手段验证了陀螺信号光与光源强度噪声参考光的相关性,得出Y波导起偏器破坏了两路光信号的相关性,进而提出在光源尾纤处加起偏器的方法解决两路信号光偏振态一致性的问题。最后,提出数字电路相减法的具体实现方法,并给出了延迟时间和增益系数两个关键性参数的确定方法。最后,通过分析光源强度噪声对光纤陀螺随机游走系数的影响,引出Allan方差法分析陀螺输出噪声。详细比较了光强外调制法和数字电路相减法两种噪声抑制技术的优缺点,指出了需要改进的技术性问题,为光源强度噪声抑制技术的进一步提高具有积极的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外光纤陀螺的发展与现状
• 1.3 国内外光纤陀螺强度噪声抑制技术的研究现状
• 1.3.1 国外光纤陀螺强度噪声抑制技术的研究现状
• 1.3.2 国内光纤陀螺强度噪声抑制研究现状
• 1.4 国内外掺铒光纤光源的研究现状
• 1.4.1 国外掺铒光纤光源研究现状
• 1.4.2 国内掺铒光纤光源研究现状
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 掺铒光纤光源强度噪声的分析
• 2.1 掺铒光纤放大的基本理论
• 2.1.1 光的辐射和吸收
• 2.1.2 粒子数反转和光放大
• 2.1.3 原子的能级结构
• 2.1.4 掺铒光纤
• 2.2 掺铒光纤光源的构成及原理
• 2.3 掺铒光纤光源的光学特性及对光纤陀螺性能的影响
• 2.3.1 平均波长对陀螺性能的影响
• 2.3.2 光谱宽度对陀螺的影响
• 2.3.3 光功率对陀螺性能的影响
• 2.4 掺铒光纤光源强度噪声的分析
• 2.4.1 掺铒光纤光源结构对光功率的影响
• 3+浓度对掺铒光纤光源输出功率的影响'>2.4.2 Er³⁺浓度对掺铒光纤光源输出功率的影响
• 2.4.3 掺铒光纤光源的自脉动及抑制
• 2.4.4 光源相对强度噪声的分析
• 2.4.5 光纤陀螺反馈光对光源光强的影响
• 2.4.6 光纤陀螺信噪比的分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 光强外调制法抑制光源强度噪声
• 3.1 光强外调制法的系统构成
• 3集成强度调制器的基本理论'>3.2 LiNbO₃集成强度调制器的基本理论
• 3晶体的电光效应'>3.2.1 LiNbO₃晶体的电光效应
• 3.2.2 集成电光调制器的结构和调制原理
• 3.2.3 集成电光调制器的基本参数
• 3.3 光强外调制法的实现
• 3.4 光强外调制法的仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 数字电路相减法的研究
• 4.1 数字电路相减法的分析
• 4.1.1 光源强度噪声的分析
• 4.1.2 光源强度噪声相关性实验分析
• 4.2 数字电路相减法的实现
• 4.2.1 数字电路相减法系统结构
• 4.2.2 数字电路相减法参数的确定
• 4.3 数字电路相减法的检测
• 4.4 本章小结
• 第五章 光源强度噪声抑制效果的比较
• 5.1 光源强度噪声对陀螺性能的影响
• 5.2 ALLAN方差法分析陀螺随机游走系数
• 5.3 两种噪声抑制技术的比较
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢