激光器频率噪声对谐振式光纤陀螺的影响机理及噪声抑制方法研究

The resonator fiber optic gyro (RFOG) is an important measure to realize the miniaturization of the high accuracy gyro. The project aims at acquiring significant breakthrough of the RFOG fundamental theory and technical innovation, clarifying the scientific nature of the accuracy limitation of the RFOG, taking lead in realizing the engineering of the RFOG internationally, and provides key element to the navigation guidance control of the micro-satellite and other spacecrafts. The high coherence light source is the key element of the RFOG. This project studies the characteristics of the laser frequency noise, aiming at revealing the influence mechanism of the laser frequency noise to the RFOG detection precision. The intermodulation effect is firstly developed to calculate and measure the laser frequency noise induced error in the RFOG. Based on the theoretical simulation and measurements, an error model is then setup, which makes clear the quantitative relationship between the impact of the laser frequency noise to the RFOG and the parameters of the fiber ring resonator as well as the signal modulation and demodulation. It can provide scientific basis to the optimization design of the RFOG signal detection system. On this basis, the adoption of the coherent demodulation achieves the high signal-to-noise (SNR) detection and greatly weakens the influence of the laser frequency noise, thus meets the inertial navigation grade requirements.

谐振式光纤陀螺（RFOG）是高精度陀螺实现微小型化的重要途径。本项目瞄准我国微小卫星和其他航天器对微小型化高性能陀螺的需求，以在RFOG基础理论和技术创新方面取得重要突破为目标，全面研究清楚RFOG精度受限的科学本质，力争在国际上率先实现RFOG的工程化，为微小卫星等航天器导航制导控制提供核心元件。本项目针对激光器频率噪声对RFOG检测精度影响机理开展研究，提出将激光器频率噪声影响等效为交调误差的计算和测量，建立误差模型，明确RFOG中激光器频率噪声影响与光纤谐振腔结构参数以及信号调制解调参数等之间的定量关系，为RFOG信号检测方法的优化设计提供科学依据；在此基础上，采用相干解调方式，设计和实现高信噪比的检测，达到大幅度减小激光器频率噪声影响，满足研制零偏稳定性达到惯性级RFOG需要的目的。

谐振式光纤陀螺（RFOG）是高精度陀螺实现小型化的重要途径，在微纳卫星姿态控制、微小型无人机等方面有着广泛的应用前景。窄线宽光源是研制RFOG非常重要的关键元件，项目以激光器为研究对象，研究揭示了激光器频率噪声对RFOG检测精度的影响机理及其影响大小，将激光器频率噪声对RFOG检测精度的影响等效为频率噪声引起的交调误差，建立了误差模型，分析了交调误差和光纤谐振腔结构参数、信号调制解调参数等之间的定量关系；搭建了一套基于3×3耦合器的非平衡马赫-曾德尔干涉仪，完成了不同类型激光器频率噪声功率谱密度的测试，得到了激光器频率噪声包括1/f噪声和白噪声的表征系数；采用相位调制器施加不同频率的正弦波信号和不同幅度大小的白噪声信号，模拟激光器不同频率处的噪声，完成了激光器频率噪声所致交调误差的实际测试，验证了建立的交调误差理论模型；在FPGA上设计并实现了由比例、积分和重积分三项组成的频率伺服控制器，实现了激光频率高精度的跟踪与锁定；提出了一种基于分光前调制的互易性调制解调方案，大幅度减小了激光器频率噪声的影响，陀螺的性能指标得到了有效提升；在互易性调制基础上，提出了一种外加移频光干涉的相干解调方案，通过干涉将光域信号搬移到射频段，利用数字滤波实现了信号与噪声的有效分离，在抑制激光器频率噪声影响的同时，系统中残余的非互易性噪声也得到有效抑制；采用小型化半导体激光器模块作为探测光源，在腔长为29米的光纤环形谐振腔上，当激光探测功率为15微瓦时，实现的陀螺角度随机游走为0.0052度/根号小时，零偏稳定性为0.06度/小时，随着激光功率的增大，测试得到的角度随机游走不断提高，当激光探测功率增大到69微瓦时，角度随机游走为0.0021度/根号小时，上述实验表明，研制的RFOG系统，激光器频率噪声得到了有效抑制。. 项目执行过程中，发表SCI期刊论文8篇，EI期刊论文1篇，国际学术会议论文13篇，授权发明专利2项，国际/国内学术会议邀请报告11次，培养硕士/博士研究生10人。