1 中北大学 电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
谐振式光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度惯性传感器。作为一种互异性噪声, 光纤谐振腔输入功率的波动会造成陀螺的检测误差。首先, 分析了光纤谐振腔输入功率波动产生噪声的机理。通过对不同输入功率下的谐振腔传输特性和陀螺解调输出的理论及实验分析得到了谐振腔输入功率波动引起的检测误差的表达式。当输入角速度为500 (°)/s、输入功率为0.69 mW时, 0.007 5 mW的功率波动会引起5.26 (°)/s的检测误差。其次, 研究了谐振腔输入功率波动对陀螺标度因数的影响。通过计算发现随着输入功率波动的增大, 解调曲线的线性区将会发生扭曲, 同时陀螺的标度因数非线性度会恶化, 为谐振式光纤陀螺中输入功率波动噪声的估测提供了参考。
谐振腔 光纤陀螺 噪声 灵敏度 resonator fiber gyroscope noise sensitivity 红外与激光工程
2016, 45(11): 1122002
Author Affiliations
Abstract
1 National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China
2 Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China
Wide dynamic range is an important index of the resonator fiber optic gyro (RFOG). The dynamic range is related to the parameters of the fiber ring resonator (FRR). After adopting the appropriate parameters, the resonant curve of a FRR and the synchronous demodulated curve are measured. Based on the closed-loop frequency locking technique, the wide dynamic range is obtained, while the linearity is guaranteed. The experiment’s results show that the dynamic range is ±480 deg/s with less than 1% nonlinearity, and that the bias stability is 0.04 deg/s over 2000 s. This Letter demonstrates the scheme for a RFOG with a wide dynamic range.
060.2370 Fiber optics sensors 060.2800 Gyroscopes 140.4780 Optical resonators Chinese Optics Letters
2015, 13(2): 020601
1 中北大学理学院，山西 太原 030051
2 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051
法布里-珀罗标准具是一种精密的光学仪器，其光谱窄、精细度高，广泛应用于精细距离的测定、信号的检测分析等。标准具其自身参数的快速测量和准确标定成为诸多光学研究必不可少的步骤。针对法布里-珀罗标准具参数测量，设计快速标定实验方案，采用窄线宽(线宽<1 kHz)激光光源，数字示波器采用泰克DPO4104B(1 GHz，5 GS/s)进行采样存储，直接利用屏幕图像测试并计算标准具的主要参数指标。准确标定了所测法布里-珀罗标准具的自由谱宽、半高全宽、精细度、品质因数以及扫频常数，比较分析了两种不同测试方案所得到结果。为开展法布里-珀罗标准具参数的快速准确标定提供技术参考。
线性扫频 法布里-波罗标准具 参数标定 数字示波器 linear frequency sweep Fabry-Perot etalon parameters calibration digital oscilloscope 红外与激光工程
2015, 44(11): 3418
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学理学院，山西 太原 030051
3 中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051
针对传统光谱仪和F-P干涉仪分辨率不能满足窄线宽激光器线宽的测量要求，基于延时自外差法搭建测试平台。设置频谱分析仪分辨率参数抑制噪声实验，通过使用20 km延时光纤、80 MHz声光移频器和50:50光纤耦合器，通过光电探测器实现光电转换并利用频谱分析仪分析测试信号。对频谱分析仪分辨带宽RBW和视觉带宽VBW以及扫频范围(Scan Range)进行优化设置，在不降低测试灵敏度的情况下，将重叠信号分辨开，使其不会过多滤掉高频成分而失真并对线宽功率谱峰值进行洛伦兹曲线拟合。最后得到了1 550 nm波长可调谐光纤激光器(1 520~1 570 nm)的线宽值约为161 kHz，为频谱仪的参数优化设置及窄线宽激光器线宽标定提供了相关参考。
频谱仪 线宽测量 窄线宽激光器 延时自外差法 分辨带宽 spectrum analyzer linewidth measurement narrow linewidth laser DSHI resolution bandwidth
1 北京理工大学自动化学院，北京 100081
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051
3 中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051
调相谱检测技术是谐振式光纤陀螺(R-FOG)角速率信号提取的关键技术，通过选取合适的调制参数，可大大提升陀螺的综合性能。利用相位调制频谱展开式，依据调相谱载波分量和调制信号的幅度关系，提出了双光路调相谱最优参数的确定方法，该方法在保证陀螺最佳灵敏度工作点的同时，有效地抑制了背向散射噪声的影响；在正弦波调相谱下，采用自外差法实测了相位调制器的半波电压，得到了调相谱载波分量与调制电压幅度的关系曲线，与理论分析相符；以长度为12 m的保偏光纤熔接环为敏感谐振腔，直径为0.15 m，耦合系数为50%，进行了不同角速率的转动测试，得到了动态范围为±480 (°)/s、非线性度为3%的转动结果。
谐振式光纤陀螺 背向散射噪声 相位调制 载波抑制 resonator fiber optic gyro backreflection noise phase modulation carrier suppression
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
光电子镊是在介电泳基础上发展出来的一种新型微粒操纵技术,利用投影原理将光图案投影于具有光电效应的光电导层,产生虚拟电极,以此来实现对微粒的.相对于传统的介电泳操纵,光电子镊最大的特点是具有可灵活操控的虚拟电极,通过软件控制可以在光电导层的任意位置形成需要的光学图案从而达成灵活的操纵效果.阐述了光电子镊的实验系统和工作原理,并详细介绍了其研究进展和在微纳操纵方面的应用.
光学器件 光电子镊 虚拟电极 微纳操纵 激光与光电子学进展
2015, 52(9): 090003
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
2 中北大学 理学院, 太原 030051
3 中北大学 电子测试技术重点实验室, 太原 030051
谐振光学环型腔作为光学陀螺的核心敏感单元, 其光学调制谱和与之对应的鉴频曲线的特性成为提高光学陀螺系统检测灵敏度的关键。为了研究光学陀螺的调制和鉴频谱线特性, 优化陀螺性能, 设计并搭建了实验测试系统, 光纤环形谐振腔采用分光比为50∶50、直径17 cm的保偏光纤, 总长2.2 m。使用直流高压放大器扫描窄线宽激光器(线宽小于1 kHz)的压电转化模块,扫描频率和电压分别选取20 Hz和1 V, 使用模拟比例积分电路进行锁频并反馈给激光器的压电转化模块, 使激光器的输出频率跟踪谐振腔实时变化。研究分析了光纤环型谐振腔在两种情况下所对应的透射谱和鉴频曲线: 第一种情况为调制电压分别为2 V和4 V, 对应调制频率从100 kHz到4 MHz变化;第二种情况为当调制频率为900 kHz, 调制电压从2 V到10 V变化。通过实验, 得到了不同调制参数下光学陀螺谱线的谐振深度、半高全宽、线性带宽、动态范围、品质因数、标度因数以及对应的锁频精度七种物理量的详细变化情况, 并进一步得到了静态测试条件下三种陀螺的最佳调制频率及与之所匹配的调制电压。为进一步研究激光调制对光纤环型谐振腔光谱的影响提供指导。
光纤环型谐振腔 调制参数 透射谱 鉴频曲线 锁频精度 fiber ring resonator modulation parameter transmission spectra frequency discrimination curve the precision of lock-in frequency 强激光与粒子束
2015, 27(2): 024146
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051
2 中北大学 电子测试技术重点实验室,太原 030051
3 中北大学 理学院, 太原 030051
模拟仿真了谐振式光纤环腔的透射谱线以及鉴频曲线, 得透射谱线最低谷值对应为调制谐振点, 鉴频曲线的线性区为陀螺的工作范围区, 线性区中点对应谐振点, 可作为标度因数最大值.为了实现谐振点的高精度锁频和稳频, 设计了谐振式光纤陀螺角速率测定方案, 使用比例积分反馈电路实施锁频, 利用正弦波扫描窄线宽激光器(线宽小于1 kHz)的压电转化模块, 使激光器谐振腔长发生变化, 从而改变其输出频率, 对谐振光纤环腔随外界环境变化同时进行跟踪和锁定.利用线宽法测试并计算出光纤环形谐振腔的品质因数值为107, 对比分析了光纤环腔在谐振点和非谐振点锁定情况下的光电探测实时输出, 并通过转动测试, 得到两种情况下锁定后陀螺的连续转动效果.计算了光纤陀螺系统理论检测灵敏度, 结果表明：谐振点锁定后转动效果对应的陀螺输出电平值为锁定非谐振点转速电平值的3倍, 验证了谐振式光学陀螺谐振点锁频的重要性.
谐振式光学陀螺 阶梯效应 锁频 谐振点 非谐振点 Resonant optical gyroscope Ladder effect Locked Resonance point Non-resonant point 光子学报
2014, 43(12): 1214002
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室
2 电子测试技术重点实验室,太原030051
谐振式光纤陀螺系统中,背向散射噪声成为制约其系统精度的重要因素之一.对陀螺双路系统其中一路光波信号进行研究,利用相位调制频谱展开及光场叠加的方法,对光纤环形谐振腔输出光场进行理论分析.理论上载波分量的出现会在系统中引入背向散射噪声,因此仿真分析引入载波分量的幅度,得到采用三角波调制比正弦波更有利于抑制载波分量.以抑制载波分量为目标,搭建自外差载波抑制测试平台,对相位调制器施加三角波与正弦波两种波形调制,得到采用三角波调制时载波抑制比最高可达64.3 dB,比正弦波调制时高出6 dB,与理论分析相符;在陀螺系统应用中,采用三角波调制时陀螺输出信号载波抑制程度更大,波动更小,更加稳定.
谐振式光学陀螺 谐振腔 相位调制 背向散射 载波 Resonant optic gyroscope Resonant cavities Phase modulation Backscattering Carrier 光子学报
2014, 43(10): 1019001
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学 理学院, 山西 太原 030051
3 中北大学 电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
针对窄线宽激光器输出谱线窄, 难以被锁定的情况, 利用F-P腔特有极窄线宽、高精细度特性对激光器谱线线宽实施压窄及频率锁定。通过设计实验方案并搭建锁频测试平台, 利用F-P腔外部光反馈将窄线宽半导体激光器线宽压窄来提高锁频精度。通过监测正弦波调制下F-P腔对于4种不同直流电压下激光PZT扫频段的透射谱线, 并对其分别进行解调和锁频精度测试, 得到直流高压放大器电压为73 V时对窄线宽激光器进行扫频, 激光器反馈锁频精度最高可达1.5 MHz。
F-P腔 锁频精度 高压扫频 测试 Fabry-Perot cavity locked frequency accuracy high voltage sweep test
