CN101339032A - 一种谐振式光学陀螺信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式光学陀螺信号检测方法，包括：陀螺工作时，光源发出的顺逆时针两路光经过移频器对光频率的调制后，通过调制方式解调曲线，解调出该两路光的频率在所述曲线上对应的光强值，根据所述光强值求出共模量和差模量；根据所述共模量解调出光源频率偏移量，将所述光源频率偏移量反馈给光源，通过调整光源的输出频率，将所述两路光的频率锁定；根据所述差模量解调出的所述两路光的频差，检测出所述陀螺旋转的角速度。采用本发明所述方法，能够有效增加陀螺输出的相应速度，及时测量出陀螺的旋转角速度，并且能够降低噪声。

Description

一种谐振式光学陀螺信号检测方法

技术领域

本发明涉及惯性旋转传感器技术领域，具体涉及一种谐振式光学陀螺信号检测方法。

背景技术

谐振式光学陀螺(Resonator optic gyro)是一种利用Sagnac效应实现对转动角速度检测的惯性角速度传感器。

目前，现有技术中谐振式光学陀螺信号检测方法，采用单路锁频信号检测，光源输出的顺逆时针两路光经过移频器调制后，各自成为一束光频率按调制周期摆动的光，根据调制光解调出的数据可以计算出光频率偏离谐振谷中心的值(光频率和解调数据的关系如图1所示)。

当陀螺工作时，根据Sagnac效应陀螺将产生顺逆时针两路光，使其中的一路光通过解调数值曲线计算出其偏移谐振谷中心的值，然后通过锁频电路调节光源输出频率，使此路光频率锁定在谐振谷中心f0，另一路光用来检测频率差，从解调光强值曲线上光强差I1值计算出它的频率偏移谐振谷中心f0的多少就是顺逆时针两路光的频率差。

以方波调制举例说明：顺逆时针两路光经过方波调制以后，各自形成光频率按方波频率变化的两束光。当此光束的两个频率的平均值在一个谐振谷中心时，探测器上输出的信号为一直流信号(图2a所示)。当平均频率偏离谐振谷中心时候，探测器上输出一个方波信号，方波的正负半周幅值差VH-VL反映了平均频率偏移谐振谷中心的多少(图2b所示)。

当陀螺静止时，顺逆时针两路光的频率相同。对其中一路光的输出进行检测，通过探测器输出方波的大小，解调出光束平均频率偏移谐振谷中心的多少，通过检测电路反馈给光源改变出射频率，使此路光的平均频率能始终锁定在谐振谷中心位置。然后检测另一路光，此时另一路光的探测器输出值应该为一直流信号。

当陀螺发生转动时，顺逆时针两路光发生频偏。同样对其中一路光进行锁频，使其平均频率始终在谐振谷中心。此时另一路光的平均频率就偏离了中心位置，通过解调此路光的输出方波大小VH-VL即可计算出平均频率偏离谐振谷中心的多少，也就是和第一路光的频差。通过频差即可计算出陀螺旋转角速度。

现有技术中，第二路用于检测的光频率变化取决于两个分量的和：f1+f差。其中，f1为第一路频偏变化量，f差为第二路与第一路频差。因此，第二路的频移量是随第一路锁频光的频移一起变化的，因此第一路光锁频时带来的噪声，振荡等问题都会从光路附加给第二路检测光，使信号检测变得困难且影响检测精度。

陀螺对角速度的精确测量是在其中一路精确而稳定的锁频前提下。每当陀螺旋转角速度改变的时候，输入光频率都要改变以锁定谐振谷中心。而锁频过程总要有一定的响应时间，这使得陀螺工作时总是在不断锁频过程中，而无法快速响应角速度变化，及时给出输出值。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种谐振式光学陀螺信号检测方法，能够有效增加陀螺输出的相应速度，及时测量出陀螺的旋转角速度，并且能够降低噪声。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种谐振式光学陀螺的信号检测方法，包括：

陀螺工作时，光源发出的顺逆时针两路光经过移频器对光频率的调制后，通过调制方式解调曲线，解调出该两路光的频率在所述曲线上对应的光强值，根据所述光强值求出共模量和差模量；

根据所述共模量解调出光源频率偏移量，将所述光源频率偏移量反馈给光源，通过调整光源的输出频率，将所述两路光的频率锁定；根据所述差模量解调出的所述两路光的频差，检测出所述陀螺旋转的角速度。

进一步地，所述检测陀螺旋转的角速度的步骤包括：将所述差模量根据调制方式的解调曲线，解调出所述两路光的频差，再根据萨纳克效应 $\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{\λLn}}\mathrm{\ω},$ 其中ω为陀螺旋转角速度，Δf为频差，λ为光波长，n，A，L分别为谐振腔波导芯层折射率，面积和腔长，检测出所述陀螺旋转的角速度。

进一步地，所述移频器是改变光频率的方波调制移频器。

进一步地，所述根据所述共模量将所述两路光频率锁定的步骤包括：将光源发出的两路光频率锁定在谐振谷中心，或者将所述两路光的频率锁定在与谐振谷中心有固定频差的某一频率上。

进一步地，所述调整光源的输出频率，是通过对光源中的温度控制电压和压电陶瓷电压进行调节，来实现的。

进一步地，所述光源频率偏移量，是通过光学陀螺的检测电路反馈给光源的。

本发明的有益效果：

采用本发明的技术方案，陀螺的锁频和检测是独立分开的，检测角速度取决于差模量，这和陀螺的锁频过程没有联系，因此锁频过程的控制噪声不会带到检测数据中，提高了检测的精度。

一旦陀螺锁定以后，由于环境的变化对光源频率漂移影响很小并且速度很慢，因此陀螺不用持续在锁频过程中(除非频率偏移，否则不需锁频)，且系统锁频的速度也远大于光源漂移的速度，因此可以保证光源光时刻锁定谐振谷中心。当陀螺旋转角速度发生改变时候，解调出的差模值大小立即变化，可以马上检测出旋转角速度大小。

附图说明

图1为本发明所述方法中单路锁频信号检测方法的光频率与解调光强值示意图；

图2a为本发明所述方法中单路锁频信号检测方法的陀螺调制锁定谐振谷的原理图；

图2b为本发明所述方法中单路锁频信号检测方法的陀螺调制偏移谐振谷的原理图；

图3为本发明所述方法的原理图；

图4为本发明所述方法的流程图；

图5a为本发明所述方法实施例陀螺检测过程原理图；

图5b为本发明所述方法实施例陀螺锁频过程原理图；

图6为本发明所述方法信号传输流程框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明所述的技术方案作进一步说明。

本发明所述的技术方案提出了使用陀螺检测信号的解调值进行共模锁频，差模检测的方法，使得陀螺的响应时间大大缩短，并且抑止了噪声。

如图3所示，本发明一种谐振式光学陀螺的信号检测方法的原理图；

当陀螺工作时，顺逆时针两路光分别为f1和f2，它们在解调曲线上对应的光强解调值分别为I1和I2，这样通过解调值的共模量I1+I2能够计算出光源偏移中心频率的值，而通过差模量I2-I1可以计算出两路光的频差f2-f1，在陀螺转动时，我们以共模量来反馈光源，锁定光源频率在谐振谷中心，而以差模量来检测陀螺的旋转角速度。

如图4所示，本发明一种谐振式光学陀螺的信号检测方法，包括如下步骤：

步骤S101：陀螺工作时，光源发出的顺逆时针两路光经过移频器对光频率的调制后，通过调制方式解调曲线，解调出该两路光的频率在所述曲线上对应的光强值，根据所述光强值求出共模量和差模量。

所述共模量是将调制后所述两路光的光强值求和；所述差模量是将调制后所述两路光的光强值求差。

所述移频器可以采用不同类型及调制效果的移频器对所述两路光进行调制，该移频器优选改变光频率的方波调制移频器。

步骤S102：所述共模量根据调制方式解调曲线解调出光源频率偏移量，将所述光源频率偏移量反馈给光源，通过调整光源的输出频率，将所述两路光的频率锁定；将所述差模量根据调制方式的解调曲线解调出的所述两路光的频差，检测出所述陀螺旋转的角速度。

所述检测陀螺旋转的角速度的步骤包括：将所述差模量根据调制方式的解调曲线，解调出所述两路光的频差，再根据萨纳克效应 $\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{\λLn}}\mathrm{\ω},$ 其中ω为陀螺旋转角速度，Δf为频差，λ为光波长，n，A，L分别为谐振腔波导芯层折射率，面积和腔长，检测出所述陀螺旋转的角速度。

所述根据所述共模量将所述两路光频率锁定的方法包括：将光源发出的两路光频率锁定在谐振谷中心，或者将所述两路光的频率锁定在与谐振谷中心有固定频差的某一频率上，本发明实施例优选将所述两路光的频率锁定谐振谷中心。

所述根据共模量解调出的光源频率偏移量调整光源输出频率的方法包括：对光源中的温度控制电压和压电陶瓷电压进行调节，来控制光源的输出频率。

所述根据共模量解调出的光源频率偏移量，是通过光学陀螺的检测电路反馈给光源的。

下面结合具体实例对本发明所述技术方案作详细说明。

如图5a和图5b所示，本实例以方波调制为例：

陀螺工作时，光源发出的光经分光器后分为顺逆时针的两路光，通过移频器调制后进入谐振腔；

当光源发出的光频率由于外界环境偏移谐振谷中心的时候，则顺逆时针两路光经过调制后的输出方波将不再大小相等，而它们的正负半周期光强差之和(即共模量)ΔI1+ΔI2可以解调出此时光源的频率偏移量，通过陀螺的检测电路对光源反馈这个频率偏移量，经过调节光源输出频率，使所述顺逆时针两路光的频率重新锁定在谐振谷中心，实现锁频(图5b)。

当将所述顺逆时针两路光锁定在谐振谷中心频率f时，此时陀螺发生转动，顺时针和逆时针两路光发生偏移，频差为f1，则顺时针和逆时针两路光经过调制后会形成两个大小相等，相位相反的方波。通过两方波的正负半周期光强差之差(即差模量)ΔI1-ΔI2＝2ΔI1可以解调出频差f1，根据萨纳克效应进而计算出陀螺旋转的角速度(图5a)。当陀螺静止时，顺逆时针两路光的频差为0，这时检测到的角速度就是0。

下面结合工作过程对本发明技术方案进行说明。

如图6所示，当陀螺工作时，光源发出的光经分光器后分为顺逆时针的两路光，再通过移频器调制后进入谐振腔；在谐振腔中顺逆时针两路光谐振后分别通过耦合器1和耦合器2进入探测器1和探测器2；在探测器中，光信号的强弱被转化成电压值，并输出给后面的放大电路，所述光信号为模拟的方波信号量，模拟信号被放大后通过A/D转换器转成数字信号进入FPGA(现场可编程逻辑门阵列)进行数字处理。

在FPGA中，将两路调制后的数字方波信号先进行数字滤波后，再通过对方波的正负半周光强差求和与求差的方式求出共模量和差模量，将所求共模量经过积分后发送给D/A转化成模拟信号，反馈给光源，通过调节光源中的温度控制电压和PZT(压电陶瓷)的电压来调整光源输出频率，实现锁频。所述差模量解调出两路光的频差，根据萨纳克效应计算出陀螺的旋转角速度，发送给显示设备(如电脑)，显示并记录输出值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1、一种谐振式光学陀螺信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

陀螺工作时，光源发出的顺逆时针两路光经过移频器对光频率的调制后，通过调制方式解调曲线，解调出该两路光的频率在所述曲线上对应的光强值，根据所述光强值求出共模量和差模量；

根据所述共模量解调出光源频率偏移量，将所述光源频率偏移量反馈给光源，通过调整光源的输出频率，将所述两路光的频率锁定；根据所述差模量解调出的所述两路光的频差，检测出所述陀螺旋转的角速度。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测陀螺旋转的角速度的步骤包括：将所述差模量根据调制方式的解调曲线，解调出所述两路光的频差，再根据萨纳克效应 $\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{\λLn}}\mathrm{\ω},$ 其中ω为陀螺旋转角速度，Δf为频差，λ为光波长，n，A，L分别为谐振腔波导芯层折射率，面积和腔长，检测出所述陀螺旋转的角速度。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移频器是改变光频率的方波调制移频器。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述共模量将所述两路光频率锁定的步骤包括：将光源发出的两路光频率锁定在谐振谷中心，或者将所述两路光的频率锁定在与谐振谷中心有固定频差的某一频率上。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整光源的输出频率，是通过对光源中的温度控制电压和压电陶瓷电压进行调节，来实现的。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源频率偏移量，是通过光学陀螺的检测电路反馈给光源的。

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