题目：谐振式集成光学陀螺噪声分析及抑制技术研究

        基于Sagnac效应的光学陀螺是一种高精度惯性角速度传感器，在各种惯性导航、制导、测量和控制领域起着重要作用。作为继机械陀螺，光学陀螺和MEMS陀螺之后的新一代惯性角速度传感器，谐振式集成光学陀螺综合了光学陀螺的无运动部件和MEMS制备工艺的器件微小型化等优点，具备同时实现系统微型化和性能高精度的潜在能力，是国内外惯性器件研究的一个重要方向。

       本论文以探索谐振式集成光学陀螺的噪声机理和噪声抑制方法为研究目标，遵循理论研究、数学建模、仿真分析和实验验证的研究思路，以谐振式集成光学陀螺的光路噪声对陀螺零漂影响为研究主线，系统分析了耦合器背向反射和瑞利背向散射、谐振腔温度效应以及光源强度波动影响陀螺精度的作用机理，提出了相应的噪声抑制方法，完成了实验验证。

        论文主要开展了以下研究工作：

1.      谐振式集成光学陀螺噪声分布规律和分离实验研究。

       在分析谐振式集成光学陀螺工作原理和检测方案的基础上，采用多光束干涉原理建立了谐振腔的光场传输模型，得到了谐振腔的归一化传递函数，并对谐振腔的自由谱线宽度、半高全宽、谐振清晰度，以及谐振深度进行了数值表征；进行了陀螺极限灵敏度的数值计算，对陀螺系统中的主要噪声源进行了阐述，根据噪声分布情况及其传递规律，采用了从前到后、分级检测的噪声分离实验方案，确定了制约目前谐振式集成光学陀螺精度的主要噪声来源；推导了互易性噪声中强度波动引起的偏置误差，理论分析了光源强度波动噪声对陀螺性能的影响。

2.      谐振式集成光学陀螺背向反射、瑞利背向散射噪声分析及抑制

        建立了谐振腔腔外耦合器背向反射噪声分析模型，推导了存在耦合器背向反射时的探测器输出，针对背向反射噪声提出采用基于混合波形相位调制的噪声抑制方案，采用贝塞尔函数展开对采用混合波形相位调制前后的背向反射谐波分布情况进行了数值计算和理论仿真；建立了腔内瑞利背向散射噪声分析模型，搭建了背向散射系数测试系统并进行了腔内散射系数测试，得到了背向散射引起的陀螺输出偏置误差，针对背向散射噪声采用控制调制系数以实现最大载波抑制的噪声抑制方案，仿真分析了调制系数与归一化载波分量幅值、载波抑制比之间的理论关系并进行了实验验证，进行了噪声抑制前后的陀螺性能测试；提出了基于三角波二次电极相位调制的陀螺灵敏度优化方案，理论分析了二次电极相位调制前后的标度因子，最后进行了二次电极相位调制前后的陀螺性能测试。

3.      谐振式集成光学陀螺温度漂移误差分析及抑制

        针对温度影响激光器输出频率漂移，采用了基于马赫-曾德干涉结构的激光器中心频率漂移测试方案，理论分析了激光器频率漂移测试原理，搭建了测试系统并对陀螺系统采用的光纤激光器进行了频率漂移测试；从温度改变谐振腔双折射率差和谐振腔耦合器分光比两个方面入手，理论分析了温度对谐振频率点、谐振曲线谐振深度和半高全宽、陀螺输出偏置误差的影响；采用温控电路、热敏电阻结合TEC制冷器实现了波导谐振腔10~50 °C范围内的有源温度控制并进行了不同温度下的谐振曲线输出测试，采用基于PI控制器的陀螺频率跟踪锁定控制方案，进行了频率跟踪锁定输出测试，测试结果表明PI控制方案具有到更高的频率锁定精度和长期稳定性。

4.      基于外腔半导体激光器的谐振式集成光学陀螺

        采用小型化的半导体激光器构建陀螺系统，对半导体激光器的P-I特性、光谱线宽、功率稳定性等主要性能进行了测试；采用相位调制解调方案进行陀螺系统设计，对基于半导体激光器的陀螺输出进行了仿真分析和实验验证，设计了RIOG系统的入谷判断方案、光源驱动方案、以及频率跟踪锁定方案；利用半导体激光器所具有的直接电流调制特性，提出采用电流调制解调方案进行陀螺系统设计，并结合硅基波导谐振腔的半高全宽得到了陀螺最大灵敏度对应的最佳调制电流；搭建了基于外腔半导体激光器的陀螺原理样机，分别采用上述两种方案进行了陀螺的转台与静态性能测试。

5.      谐振式集成光学陀螺实验系统及性能测试

        搭建了基于可调谐窄线宽光纤激光器的集成光学陀螺原理样机，并在此基础上进行了陀螺的转台与静态性能测试，测试结果表明通过对背向反射、散射噪声、以及温度波动噪声等的抑制、频率跟踪锁定精度的优化，测试得到陀螺1 h零偏稳定性为0.46 °/s。