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自注入锁定谐振式光学陀螺系统设计及关键技术研究

摘要

谐振式光学陀螺是一种用于检测运载体相对惯性空间旋转角速度的传感器，在微纳

卫星姿态控制、船舶导航定位、导弹飞行制导及工业生产等领域具有广泛的应用前景。

相比于干涉式光学陀螺，其显著特点是利用很短的光纤环腔或集成光波导环腔便能获得

较高的检测精度，使其在未来高精度光学陀螺小型化、集成化和高性能的发展趋势下极

具竞争力。然而，由于窄线宽可调谐激光器成本高和尺寸大、光路和信号处理方法复杂

不利于小型化、背散噪声和热漂移噪声干扰以及理论灵敏度受限于Sagnac比例因子较

小等问题，导致谐振式光学陀螺的发展遇到了瓶颈，目前仍处于实验室研制阶段，距离

商业化落地还有很长一段路要走。为了冲破传统结构和方法的桎梏，需要研究基于新原

理新方法的谐振式光学陀螺。因此，本文围绕上述四个问题开展了自注入锁定谐振式光

学陀螺系统设计及关键技术研究，提出了一系列自注入锁定谐振式光学陀螺设计方法，

并通过仿真建模和实验测试验证了所提出方法的有效性和优越性，旨在促进谐振式光学

陀螺向低成本、小型化和高精度方向发展。本文开展的主要工作如下：

角速度传感基础理论研究。详细介绍了谐振式光学陀螺传感机制及传感单元特性，

推导了基于DFB激光器的基本速率方程并论述了自注入锁定技术、主从注入锁定技术

以及线宽压窄技术的原理机制。随后，在光强检测方法基础上详细分析了差频信号的产

生机理及检测方法。最后，概述了量子力学中基于EP的微小信号检测增强技术。

基于DFB激光器的自注入锁定稳定性及精度优化研究。针对窄线宽可调谐激光器

成本高和尺寸大的问题，本文首先基于镜面反射的光反馈方式，详细研究了基于DFB激

光器的自注入锁定非线性特性理论，为优化这种光锁频技术提供了理论基础。进一步，

通过引入透射式环形谐振腔传递函数，建立了基于环形谐振腔的自注入锁定速率方程数

学模型，详细分析了光反馈系数、初始相位延迟、反馈延迟时间和腔内延迟时间等变量

因素对光锁频技术的影响，得出了自注入锁定参数的最佳设置范围。然后，分别通过基

于光纤谐振腔和光波导微环腔的自注入锁定实验验证了所建立模型的有效性以及自注

入锁定技术的优越性，测试结果实现了自注入锁定在60分钟内小于10kHz的锁频精度

和稳定性。最后，基于该模型，本文还研究了基于自注入锁定的线宽压窄技术，测试结

果表明压窄后的DFB激光器线宽可与窄线宽可调谐激光器线宽达到相同量级。

自注入锁定谐振式光学陀螺系统设计与实现研究。针对传统谐振式光学陀螺光路和

信号处理方法复杂不利于小型化的问题，本文提出了自注入锁定谐振式光学陀螺系统架

哈尔滨工程大学博士学位论文

构，详细研究了DFB激光器及驱动系统、双光源自注入锁定系统以及差频信号检测系

统。首先，为了精确控制DFB激光器的输出光频率，分析设计了含有恒流源驱动、功率

检测反馈和温度控制等模块的硬软件驱动系统。其次，为了提高差频信号检测精度，分

析设计了基于二阶有源低通滤波、一级电压比较和施密特整形的差频信号调理电路和基

于TDC细测量的差频信号检测电路。最后，搭建了自注入锁定谐振式光学陀螺测试样

机，实验结果表明相较于传统信号处理方法，自注入锁定技术结构简单且兼具频率锁定

和线宽压窄作用，所提出陀螺的零偏不稳定性达到速率级陀螺精度要求。

基于时分复用和互易性的自注入锁定谐振式光学陀螺设计方法研究。针对背散噪声

和热漂移噪声干扰问题，本文首先通过建立热漂移噪声数学模型，详细分析了温度扰动

对谐振频率和相位延迟的影响，同时基于瑞利背向散射噪声特性详细研究了其对自注入

锁定的影响，得出热漂移噪声和背散噪声会导致自注入锁定谐振式光学陀螺在灵敏度方

面受到一定限制。进一步，提出了基于时分复用和互易性的自注入锁定谐振式光学陀螺

设计方法来抑制瑞利背散噪声和热漂移噪声，结果分析表明通过从时间上分离信号光和

背散光以及建立无源光学网络的互易性结构可以在一定程度上提高最小可检测精度。最

后基于该模型，本文还分别研究了谐振腔结构参数对自注入锁定的影响，光路被切断后

谐振腔内光波能量呈现的指数衰减情况，以及自注入锁定的动态演化过程。

基于EP的自注入锁定谐振式光学陀螺Sagnac效应增强研究。为了从理论上增大