题目：集成光学陀螺锁频及噪声抑制技术

集成光学陀螺（Integrated optical gyroscope, IOG）采用环形波导谐振腔作为其核心敏感单元，在小型化和集成化方面具有独特的优势。IOG通过测量两路传感光信号的谐振频率差得到旋转角速度。实际光学器件受温度和应力等环境因素影响，会在环路中引入各种噪声，且Sagnac效应引起的谐振频率差信号极其微弱。因此，集成光学陀螺必须至少锁定其中一个方向的光波，利用频率伺服回路使激光器的输出光频率始终处于谐振状态，通过间接探测另一方向光波与激光器输出频率偏差来得到角速度。一方面需要建立良好的频率跟踪锁定回路以降低互易性噪声的影响；另一方面，系统检测精度还取决于光路系统中瑞利背向散射等系统非互易噪声的影响。基于上述研究背景，本文针对环形光波导谐振腔为核心敏感单元的IOG系统，对激光器频率锁定回路中存在的噪声源进行了理论分析和实验测试；并在此基础上提出了采用PI控制器代替纯积分环节的闭环控制算法；对IOG中的瑞利背向散射噪声抑制技术进行了细致深入的研究，并完成了整个陀螺系统的实验测试。具体来说，本文主要开展了如下研究工作：在建立陀螺调相谱检测系统简化模型的基础上，对陀螺锁频环路中存在的主要互易噪声源进行了理论分析和实验测试。包括激光器噪声、调制误差和信号检测误差等。利用建立的频率锁定回路模型，提出了采用比例积分控制器构成频率伺服反馈环节，消除了环路中存在的阶跃响应稳态误差，减小了互易性噪声。使系统频率锁定精度由1.13°/s提高到0.25/s。基于IOG中非互易噪声大的特点，理论分析了谐振腔中的瑞利背向散射噪声对陀螺输出的影响，并搭建了测试背向散射系数的实验装置，计算得到实验采用的光波导谐振腔背向散射引起的陀螺最大输出偏差为602.75°/s。为降低背散噪声，提出了基于双相位调制技术的抑制背向散射噪声方案，与传统的单相位调制方案相比，双相位调制方案大幅降低了系统对调制参数的要求。实验结果显示：陀螺50s时间内零偏稳定性由4.86°/s提高到了0.49°/s。在上述分析和电路研制的基础上，搭建了集成光学陀螺的数字开环检测系统，测试了陀螺各项指标。静态实验得到，陀螺在3600s测试时间内零偏稳定性为0.55/s。