基于磁光调制的方位信息测量中信号畸变机理分析

The signal distortion factors of modulated signal based on square wave magneto-optical modulation is complex and there is still no effective theory and method to control the distortion phenomenon, which makes it the most important problem for the azimuth measurement technology based on magneto-optical modulation. This project is focused on the signal distortion mechanism and its control strategy.. Firstly, experiments are conducted to preliminarily identify the distortion factors, and then the appraisal index of signal distortion is acquired based on the collected distortion signal to quantitatively describe the distortion signal. Secondly, the distortion factors are classified as magnetic field relevant factors and verdet constant relevant factors according to the Faraday Effect; the effects of transient current, modulation signal, the permeability of magneto-optic material, external environmental condition on magnetic field are analyzed based on Maxwell equation, and the transient magnetic field model under complicated environment is then established; the influence of temperature on rotation drift under transient magnet is analyzed, the function relationship between verdet constant and temperature in different kinds of magneto-optic materials are established, the essence analysis of verdet constant in micro-angle is done. Finally, the signal distortion mechanism model is established based on transient magnetic field model and the expression of verdet constant, the model is tested by experiments, and the influence rule of different distortion factors and the methods to control the signal distortion phenomenon are acquired. The results of this project can provide theoretical support for the control of signal distortion phenomenon and the improvement of the azimuth measurement technology.

方波磁光调制后信号畸变影响因素复杂，缺乏有效的控制理论和手段，成为严重制约基于磁光调制的方位测量技术发展的瓶颈问题。项目拟对信号畸变机理和控制策略展开研究。首先，通过对比试验初步剥离与信号畸变相关的因素，确定信号畸变程度评估指标，为畸变信号量化描述提供方法。然后根据法拉第效应，将畸变因素分解为磁场类和verdet常数类；利用麦克斯韦方程分析瞬变电流、调制信号、磁光材料磁导率、外界环境等因素与磁场之间的关系，建立复杂环境下螺线管内磁场模型；深入分析变化磁场下温度对旋光漂移的影响机理，进而推导不同磁光材料verdet常数与温度之间函数关系，并尝试从微观角度分析verdet常数的本质；根据变化磁场模型和verdet常数表达式，建立复杂环境下信号畸变机理耦合模型，并进行试验验证，归纳各因素对信号畸变的影响规律，总结控制畸变的策略。项目研究成果将为控制信号畸变、改进方位测量技术提供理论支持。

项目来源于某导弹的关键技术—基于磁光调制的方位传递技术，其本质是磁光调制中的法拉第效应，利用磁光调制后的偏振光实现角度信息高精度测量，在高精尖武器中有广阔的应用前景。但是在实验中发现：给螺线管通方波电流时，调制后信号波形容易发生畸变，严重影响了角度信息的测量精度。针对这一问题，项目主要研究了磁光调制过程中各因素对调制后信号、角度信息测量精度的影响机理，从调制后信号畸变分析、螺线管磁场、磁光材料维尔德常数以及多因素耦合影响模型四个方面展开研究工作。.1）畸变信号分析.搭建了试验系统，通过改变驱动信号波形、频率等参数，分析了调制后信号在幅值、频率方面的变化，确定了驱动信号与调制后信号之间的影响关系。.2）螺线管磁场分析.利用麦克斯韦方程，建立了交变电流驱动的螺线管磁场模型，分析明确了驱动信号频率等参数对磁场的影响；计算了磁光材料TGG的介电常数变化曲线，并带入到构建的磁场模型中，分析了介电常数变化对螺线管磁场的影响；以构建的磁场模型为基础，研究了螺线管内置不同类型介质时的磁场分布；分析了驱动信号波形对调制后信号的影响，讨论了利用调制后信号进行失调角计算的可行性。.3）磁光材料verdet常数分析.以经典电动力学理论和量子理论为基础，结合光的波粒二象性特点，提出了波动跃迁理论模型来描述磁光材料verdet常数，即：法拉第效应是光的波动性作用以及电偶极跃迁作用之和。结合实验数据、拟合参数以及提出的模型，成功解释了典型逆磁性材料（ZF1）和顺磁性材料（TGG）的verdet常数。.4）多因素耦合影响模型构建及分析.从多物理场耦合角度，分析了磁光调制过程涉及的场及耦合关系，研究了各因素之间的作用机理，对相关物理场进行了耦合建模及仿真计算；重新构建了磁光调制方位传递系统模型，分析了驱动信号频率、入射光波长、温度变化以及多因素耦合作用对调制后信号、系统角度测量精度的影响，并提出了减小调制后信号畸变、提高角度测量精度的方法策略。