● 摘要
基于Sagnac效应的光学陀螺是继机械陀螺之后的新一代角速度传感器，具有全固态结构、可靠性高、寿命长、抗振动能力强等特点，已成为各类惯性系统的首选仪表。作为一种新型光学陀螺，谐振式光纤陀螺综合了激光陀螺的谐振原理和干涉式光纤陀螺的无源结构特点，具有可同时实现高精度、小型化和低成本的潜在优势，是国内外惯性器件发展的重要方向之一。
论文以提高谐振式光纤陀螺动态特性和检测精度为研究目标，重点开展谐振式光纤陀螺闭环检测技术研究。论文从谐振式光纤陀螺的原理和方案出发，应用光纤光学、微弱信号检测和数字信号处理理论，遵循方案研究、理论建模、仿真分析和实验验证的研究思路，在分析谐振式光纤陀螺开环检测信号特征和优化设计方案的基础上，实现了陀螺的闭环检测方案，并基于闭环检测系统对陀螺性能进行了测试，给出了陀螺闭环性能的评价指标。
论文的主要研究内容如下：
1. 谐振式光纤陀螺原理与信号检测方案
采用多光束干涉理论建立了透射式光纤谐振腔的理论模型，分析了光纤谐振腔的频率特性，阐述了谐振式光纤陀螺的工作原理，数值计算了陀螺的极限灵敏度，给出了基于半导体激光器的谐振式光纤陀螺的开环检测设计方案和闭环检测设计方案；详细介绍了谐振式光纤陀螺信号检测方案的各个功能模块，包括双三角波相位调制方案，基于可编程仪器的信号检测电路方案，以及基于可编程仪器的信号处理方案。
2. 谐振式光纤陀螺开环检测方案优化
针对谐振光纤陀螺开环检测方案中的背向散射噪声、频率锁定环路、频率锁定噪声、电流调谐致强度噪声，以及标度因数非线性问题，分别进行了理论和实验研究。提出了基于双三角波相位调制的背向散射噪声抑制方法，仿真了双三角波相位调制通过提高载波抑制比抑制背向散射噪声的特性，实验验证了双三角波相位调制对背向散射噪声的抑制效果；建立了频率锁定环路的理论分析模型，采用线性系统的频率分析法仿真分析了环路的增益、PI控制器的积分时间、低通滤波器的时间常数和环路的延时时间对环路性能的影响，根据仿真结果对环路参数进行了优化设计；建立了频率锁定噪声的分析模型，得到频率锁定噪声在陀螺输出中属于共模噪声，提出了基于单路锁频差分检测的频率锁定噪声抑制方法，有效抑制了谐振式光纤陀螺中的频率锁定噪声；分析了半导体激光器电流调谐引入的强度噪声特性，提出了基于频率锁定位置的强度噪声测试方法，并进行了实验验证；建立了谐振式光纤陀螺标度因数非线性的理论分析模型，得到陀螺开环检测方案中存在固有的标度因数非线性，提出了基于调制解调信号特性的标度因数非线性补偿方法，受开环检测方案中动态范围的限制，将±100°/s动态范围内的标度因数非线性度从1.53%提高至0.057%（570ppm），并测试得到开环检测方案陀螺1h的零偏稳定性为4.7°/h。
3. 谐振式光纤陀螺闭环检测方案设计与分析
为了抑制谐振式光纤陀螺开环检测方案中半导体激光器电流调谐引入的强度噪声，解决动态范围有限的问题，同时提高陀螺的标度因数非线性度和零偏稳定性，在开环检测方案优化的基础上，设计了基于单路锁频差分闭环检测的谐振式光纤陀螺闭环检测方案。针对陀螺闭环检测方案引入的闭环控制环路，建立了理论分析模型，仿真分析了闭环控制环路的误差输出信号和闭环输出信号，给出了陀螺闭环控制的判断依据；建立了基于单路锁频差分闭环检测的谐振式光纤陀螺闭环检测方案的性能分析模型，并与基于单路锁频差分检测的陀螺开环检测方案对比，仿真分析了闭环检测方案对陀螺频带宽度、逆时针光路非互易噪声、顺时针光路非互易噪声、光源频率噪声、光源强度噪声以及动态范围和标度因数非线性的影响。根据仿真分析结果，闭环检测方案与开环检测方案的频带宽度相同，并且闭环检测方案与开环检测方案在抑制逆时针光路非互易噪声、顺时针光路非互易噪声和光源频率噪声方面具有相同的效果，但闭环检测方案在抑制光源强度噪声和改善陀螺动态范围和标度因数非线性方面具有显著优势。
4. 基于可编程仪器的闭环检测系统实现与性能测试
搭建了基于可编程仪器的谐振式光纤陀螺闭环检测系统，采用可编程仪器替代传统检测电路，利用可编程仪器高性能的模块化硬件、高效的编程软件和精确的时序控制特点，通过相位调制器补偿Sagnac效应产生的谐振频差，实现了谐振式光纤陀螺的闭环检测；对谐振式光纤陀螺闭环检测系统进行了性能测试，得到陀螺±300°/s动态范围内的标度因数非线性度为395ppm，1h零偏稳定性为1.2°/h，短期600s零偏稳定性为0.7°/h，测试结果表明闭环检测方案有效改善了陀螺的动态特性和检测精度。