CN101464151A - 双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置及方法，本发明首先对输入到微型光学环形谐振腔芯片的激光进行双信号组合调制，并同步的对微型光学环形谐振腔的顺时针和逆时针输出信号进行解调，其中一路解调信号经过伺服回路去控制激光器频率，使得激光器输出光频率跟踪锁定在这一路谐振频率上；另外一路解调提取两路谐振频率差作为陀螺信号输出。本发明有利于微型谐振式光学陀螺在集成光学器件上实现，有利于系统小型化；提高了微型谐振式光学陀螺的输出信噪比，很好地抑制了背向散射引起的噪声；同时降低了系统对调制幅度的控制精度要求，提高了系统的稳定度。

Description

双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置及方法。

背景技术

微型谐振式光学陀螺(Resonator Micro Optic Gyro，R-MOG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的微型惯性传感器。无振动部件的微型谐振式光学陀螺具有小型化，精度高，抗震动等优点。相比微机械陀螺(MicroElectro Mechanical Systems，MEMS)和光纤陀螺(Interferometric Fiber OpticalGyroscope，IFOG)，R-MOG将具有更大的优势。

由于Sagnac效应是一种非常微弱的效应，并且谐振式光学陀螺的光学噪声又很强，因此在微型谐振式光学陀螺系统中，信号调制与检测以及噪声抑制技术占有非常重要的地位。

随着微电子技术的发展，单片集成的R-MOG成为目前研究的重点和热点，但是信号检测和噪声抑制过于复杂，使得R-MOG的系统比较庞大，不易小型化和集成。背向散射噪声是RMOG最主要噪声之一，通常采用载波抑制的方法。为获得高载波抑制比，经常采用声光调制器(Acousto-Optical Modulator，AOM)来实现，然而AOM体积大，不利于小型化和集成；另外可采用施加在相位调制器上的单信号调制来获得高载波抑制比，但这对调制幅度的控制精度往往又要求很高，实现起来也非常困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置，它主要由窄线宽频率可调激光器、隔离器、耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第四相位调制器、第三相位调制器、第一信号源、第二信号源、第四信号源、第三信号源、第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一环形器、第二环形器、微型光学环形谐振腔芯片、数据记录仪和伺服回路组成。

上述检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)双信号组合调制：由窄线宽频率可调激光器发出的激光经耦合器分成功率相等的两束，这两束激光分别经过第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器、第四相位调制器进行相位调制。具体来说：利用第一信号源和第二信号源，分别产生载波抑制调制信号U₂(t)和信号检测调制信号U₁(t)，并分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光的调制。同样的，利用第四信号源和第三信号源，分别产生载波抑制调制信号U₄(t)和信号检测调制信号U₃(t)，并分别驱动第四相位调制器和第三相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光的调制。

(2)信号的解调：经过双信号组合调制的光，通过第一环形器和第一环形器输入微型光学环形谐振腔芯片，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；经过微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光，通过第一环形器之后，输出到第一光电探测器；第一光电探测器输出和第三信号源产生的同步信号分别作为第一锁相放大器的输入信号和参考信号，第一锁相放大器输出逆时针解调信号。经过微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光，经过第二环形器之后，输出到第二光电探测器；第二光电探测器输出和第二信号源产生的同步信号分别作为第二锁相放大器的输入信号和参考信号，第二锁相放大器输出顺时针解调信号。

(3)陀螺信号输出：第一锁相放大器解调输出逆时针信号，即提取出顺时针和逆时针谐振频率偏差，经过伺服回路，反馈到窄线宽频率可调激光器，控制窄线宽频率可调激光器的输出光频，从而使激光频率稳定在微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光路谐振点；通过第二锁相放大器解调提取的顺时针和逆时针谐振频率偏差，为微型谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。

一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置，它主要由窄线宽频率可调激光器、隔离器、耦合器、第二相位调制器、第三相位调制器、第一信号源、第二信号源、第四信号源、第三信号源、第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一环形器、第二环形器、微型光学环形谐振腔芯片、数据记录仪、伺服回路、第一加法器和第二加法器组成。

上述检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)双信号组合调制：由窄线宽频率可调激光器发出的激光经耦合器分成功率相等的两束，这两束激光分别经过第二相位调制器和第三相位调制器进行相位调制。具体来说：利用第一信号源和第二信号源，分别产生载波抑制调制信号U₂(t)和信号检测调制信号U₁(t)，U₂(t)和U₁(t)经过第一加法器相加后，驱动第二相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光的调制；同样的，利用第四信号源和第三信号源，分别产生载波抑制调制信号U₄(t)和信号检测调制信号U₃(t)，U₄(t)和U₃(t)经过第二加法器相加后，驱动第三相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对输入微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光的调制。

(2)信号的解调：经过双信号组合调制的光，通过第一环形器和第一环形器输入微型光学环形谐振腔芯片，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；经过微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光，通过第一环形器之后，输出到第一光电探测器；第一光电探测器输出和第三信号源产生的同步信号分别作为第一锁相放大器的输入信号和参考信号，第一锁相放大器输出逆时针解调信号。经过微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光，经过第二环形器之后，输出到第二光电探测器；第二光电探测器输出和第二信号源产生的同步信号分别作为第二锁相放大器的输入信号和参考信号，第二锁相放大器输出顺时针解调信号。

(3)陀螺信号输出：第一锁相放大器解调输出逆时针信号，即提取出顺时针和逆时针谐振频率偏差，经过伺服回路，反馈到窄线宽频率可调激光器，控制窄线宽频率可调激光器的输出光频，从而使激光频率稳定在微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光路谐振点；通过第二锁相放大器解调提取的顺时针和逆时针谐振频率偏差，即为微型谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。

本发明具有的有益效果：

1.本发明提供的微型谐振式光学陀螺的检测方法有利于微型谐振式光学陀螺在集成光学器件上实现，有利于系统小型化；

2.本发明提供的微型谐振式光学陀螺的检测方法提高了微型谐振式光学陀螺的输出信噪比；

3.本发明提供的双信号组合调制方法很好地抑制了背向散射引起的噪声，降低了系统对调制幅度的控制精度要求，提高了系统的稳定度。

附图说明

图1是本发明的第一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置的结构示意图；

图2是本发明的第二种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置的结构示意图；

图3是双频调制后解调输出曲线示意图；

图4是微型谐振式光学陀螺沿顺时针方向转动时陀螺信号输出原理示意图；

图5是微型谐振式光学陀螺沿逆时针方向转动时陀螺信号输出原理示意图。

图中：1、窄线宽频率可调激光器，2、隔离器，3、耦合器，4、第一相位调制器，5、第二相位调制器，6、第四相位调制器，7、第三相位调制器，8、第一信号源，9、第二信号源，10、第四信号源，11、第三信号源，12、第一锁相放大器，13、第二锁相放大器，14、第一光电探测器，15、第二光电探测器，16、第一环形器，17、第二环形器，18、微型光学环形谐振腔芯片，19、微型光学环形谐振腔芯片的耦合器，19、数据记录仪，20、伺服回路，21、第一加法器，22、第二加法器。

具体实施方式

双信号组合调制的理论原理如下：

微型谐振式光学陀螺是基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器，其核心敏感部件是一个无源的微型光学环形谐振腔。由于Sagnac效应是一种非常微弱的效应，而谐振式光学陀螺系统存在背向散射、偏振极化波动、克尔效应、法拉第效应、温度漂移等噪声，对信号检测来说是强噪声背景下的弱信号，因而采用何种信号检测技术在微型谐振式光学陀螺中占有非常重要的地位。背向散射噪声是RMOG最主要噪声之一，通常采用载波抑制的方法。为获得高载波抑制比，经常采用AOM来实现，然而AOM体积大，不利于小型化和集成；另外可采用施加在相位调制器上的单信号调制来获得高载波抑制比，但这对调制幅度的控制精度往往又要求很高，实现起来也非常困难。本发明提供了新颖的陀螺信号检测技术，可以抑制载波，降低背散射噪声，大大提高信噪比；可以提高总的载波抑制比，同时也可以在一定载波抑制比下，降低对调制幅度控制精度的要求。具体理论方法如下(举顺时针路光为例作如下推导)：

考虑到窄线宽频率可调激光器有限的时域相干性，激光器输出光场可表示如下：

E(t)＝|E(t)|exp{i[ω₀t+θ(t)]}                    (1)

(1)式中，光波的振幅|E(t)|随时间也有起伏，但是对频谱的影响很小，一般可以假定光波场的幅度稳定，这对于工作在阈值以上的单模激光器来说是合理的。θ(t)表示光波随机变化的相位部分。考虑微型谐振式光学陀螺利用的是窄线宽单模激光器，因此激光器输出可以利用光波的电场强度表示为：

E_FL-out(t)＝E₀exp j(2πf₀t)                 (2)

其中：f_o＝ω_o/2π，f_o表示激光器固有的中心频率，E₀表示激光器输出光波电场的幅度。

U₁(t)，U₂(t)分别表示信号检测调制信号和载波抑制调制信号，表示为U₁(t)＝U_m1sin(2πf₁t)，U₂(t)＝U_m2sin(2πf₂t)。这两个信号可以分别驱动相位调制器(Phase Modulator，PM)(如图1)或者相加后驱动同一个相位调制器(如图2)。

由此，得到的经过双信号组合调制后的光信号为：

E_PM-out(t)＝E₀K₁expj[ω₀t+M₁sin(Ω₁t)+M₂sin(Ω₂t)+φ]        (3)

其中，M₁表示信号检测调制信号的调制系数，M₂表示载波抑制调制信号的调制系数；K₁为激光器经过耦合器，相位调制器的总衰减损耗；Ω₁，Ω₂分别表示调制信号的角频率，Ω₁＝2πf₁，Ω₂＝2πf₂；φ为相位调制器的固定相移(由于不影响整个推导理论，后续推导置其为0)。

考虑到exp(jM₁sin(Ω₁t))，exp(jM₂sin(Ω₂t))分别是角频率Ω₁，Ω₂的周期函数，它们可以展开成傅里叶(Fourier)级数，傅里叶级数展开(或称第一类贝塞尔函数展开)的系数分别是：

$J_n\left(M_1\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp \left({\mathrm{jM}}_1\sin {\mathrm{\Ω}}_{1}t\right)\exp (-\mathrm{jn}{\mathrm{\Ω}}_{1}t)d\left({\mathrm{\Ω}}_{1}t\right)---\left(4\right)$

$J_m\left(M_2\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp \left({\mathrm{jM}}_2\sin {\mathrm{\Ω}}_{2}t\right)\exp (-\mathrm{jm}{\mathrm{\Ω}}_{2}t)d\left({\mathrm{\Ω}}_{2}t\right)---\left(5\right)$

其中m，n为整数，是贝塞尔函数展开的阶数。根据上式，得到输入微型光学环形谐振腔芯片的调制光的表达式为：

$E_{R-\mathrm{in}}\left(t\right)=E_0{K}_1{K}_2\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M_1\right)J_m\left(M_2\right)\mathrm{exp\; j}({\mathrm{\ω}}_0+n{\mathrm{\Ω}}_1+m{\mathrm{\Ω}}_2)t---\left(6\right)$

式中：K₂为环形器的插入损耗。

在微型谐振式光学陀螺中，背向散射噪声的干扰分为两类，一是背向反射光本身的光强，二是反射光与信号光之间的干扰。为消除反射光本身光强的作用，可以采取对顺时针和逆时针回路施加不同频率的调制信号来加以克服；为克服反射光与信号光之间形成的相干光，可以采取抑制载波的方法。第一种干扰相对来说较易解决，而对于第二种干扰，相对来说比较困难，目前还没有简单可行的办法。本发明提供的双信号组合调制的办法较其它抑制措施简单，并且可行性好，利于小型化。

比较双信号组合调制和通常采用的单信号调制的区别，式(7)左边表示单信号调制的输入微型光学环形谐振腔芯片的载波，右边表示双信号组合调制的输入微型光学环形谐振腔芯片的载波(在式(6)中取m，n均为0即可得双信号组合调制的载波项)：

E₀K₁K₂J₀(M₁)exp j(ω₀t)(单信号调制)E₀K₁K₂J₀(M₁)J₀(M₂)exp j(ω₀t)(双信号调制)   (7)

通过调整调制系数，理想状态可以使得J₀(M₁)和J₀(M₂)为0，这样就可以达到理想的载波抑制，但是由于受到调制电压和相位调制器半波电压的限制，实际中是无法实现的。若采用单信号调制，J₀(M₁)约在10^-2量级，光场载波抑制比约为-40dB，这显然无法满足微型谐振式光学陀螺实用化的要求；若采用双信号组合调制，J₀(M₁)J₀(M₂)约为10^-4量级，光场的载波抑制比可达-80dB。以微型谐振式光学陀螺为例，背散射干涉项噪声如下公式所示：

${\mathrm{BIAS}}_{\mathrm{bs}}=\frac{{\mathrm{c\λ\σ}}_R}{2\mathrm{\πDL}}{\left(\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}\right)}^N---\left(8\right)$

式中：σ_R为微型光学环形谐振腔芯片的反射系数；N为表示对N路进行载波抑制，N取0，1，2；ΔV/V为抑制载波的误差，即光场载波抑制比；c为激光真空中光速；λ为激光真空中的工作波长；D为微型光学环形谐振腔芯片的直径；L为微型光学环形谐振腔芯片的长度。

取c＝3*10⁸m/s，λ＝1.55μm，D＝0.025m，L＝0.079m，σ_R＝0.0023，N＝2，如果没对载波进行抑制，那么背散射干涉项噪声影响大概在5.0×10³(o/s)左右，若采用单信号调制，背散射干涉项的影响约为0.5(o/s)；若采用双信号组合调制，可以得到背向散射干涉项的影响约为0.5×10^-4(o/s)，已经将该噪声下降到极限灵敏度之下。与此同时，由于采用了双信号组合调制，降低了系统对调制幅度控制精度的要求，从而提高了系统的稳定度。

进一步的，通过光场的叠加原理，可以得到双信号组合调制下的系统传递函数，包括幅度传递函数和相位传递函数：

$H_{\left({\mathrm{\ω}}_{(n,m)}\right)}\mathrm{exp\; j}{\mathrm{\Φ}}_{\left({\mathrm{\ω}}_{(n,m)}\right)}=\sqrt{(1-{\mathrm{\α}}_C)\·[1-\mathrm{\β}\frac{{(1-Q)}^2}{{(1-Q)}^2+4Q{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0+n{\mathrm{\Ω}}_1+m{\mathrm{\Ω}}_2}{2\mathrm{FSR}}\right)}]}---\left(9\right)$

其中，k表示微型光学环形谐振腔芯片的耦合器的耦合系数，α_c表示微型光学环形谐振腔芯片的耦合器的插入损耗，α_L表示微型光学环形谐振腔芯片的传输损耗，FSR表示微型光学环形谐振腔芯片的自由谱宽度(Free SpectralRange，FSR)，它是指相邻两个谐振频率的间距；

$\mathrm{\β}=1-\frac{1}{(1-{\mathrm{\α}}_C)}\·{\left[\frac{T-(\mathrm{TQ}+R)}{(1-Q)}\right]}^2,$ $\text{T=}\sqrt{(1-k)(1-{\mathrm{\α}}_C)},$ $R=k(1-{\mathrm{\α}}_C)\sqrt{1-{\mathrm{\α}}_L},$

$Q=\sqrt{1-{\mathrm{\α}}_L}\sqrt{1-k}\sqrt{1-{\mathrm{\α}}_C}.$

双信号组合调制的激光，经过微型光学环形谐振腔芯片和环形器输出，通过光电探测器的光电转换作用后，输入到锁相放大器(Lock-In Amplifier，LIA)中。锁相放大器以信号源产生的参考信号U_ref(t)作为参考信号，解调输出如下：

$V_{\mathrm{DM}-\mathrm{out}}\left(t\right)=(A_1\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)-B_1\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right))U_{\mathrm{ref}}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{1}t+\mathrm{\φ})$

式中：

$A_1=P\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M_1\right)J_{n+1}\left(M_1\right){J_m}^2\left(M_2\right)\{H_{\left(\mathrm{\ω}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\ω}(n+1,m)\right)}\cos ({\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(n+1,m)\right)}-{\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(n,m)\right)})$

$-H_{\left(\mathrm{\ω}(-n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\ω}(-n-1,m)\right)}\cos ({\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(-n,m)\right)}-{\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(-n-1,m)\right)})\}$

$B_1=P\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M_1\right)J_{n+1}\left(M_1\right){J_m}^2\left(M_2\right)\{H_{\left(\mathrm{\ω}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\ω}(n+1,m)\right)}\sin ({\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(n+1,m)\right)}-{\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(n,m)\right)})$

$-H_{\left(\mathrm{\ω}(-n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\ω}(-n-1,m)\right)}\sin ({\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(-n,m)\right)}-{\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(-n-1,m)\right)})\}$

式中：P＝2I₀R_VK₁K₂K₃， $I_0=0.5c{\mathrm{\ϵ}}_0{E}_0^2,$ 表示激光器输出的光强的大小，U_ref(t)＝U_refsin(2πf₁t+φ)，ω_(n，m)＝ω₀+nΩ₁+mΩ₂，ε₀为真空中的介电常数，R_V是光电探测器的电压响应度。

考虑锁相放大器总增益D(包括锁相放大器的前级增益和后级低通滤波的衰减)，最后输出的解调信号为：

V_DM-out(t)＝G(A₁sinφ-B₁cosφ)                 (11)

其中：G＝0.5DU_ref。在f₂<<f₁的前提下，可以得到等效于单信号调制的解调信号，与此同时，根据前面的分析，又大大降低了背向散射的噪声。图3是双信号组合调制后解调输出曲线示意图。

应用上述双信号组合调制理论原理，本发明提供了一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置。

如图1所示，该双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置主要由窄线宽频率可调激光器1、隔离器2、耦合器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第四相位调制器6、第三相位调制器7、第一信号源8、第二信号源9、第四信号源10、第三信号源11、第一锁相放大器12、第二锁相放大器13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第一环形器16、第二环形器17、微型光学环形谐振腔芯片18、数据记录仪19和伺服回路20组成。

该双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置各部件之间具体连接方式如下：窄线宽频率可调激光器1与隔离器2、耦合器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一环形器16、微型光学环形谐振腔芯片18、第二环形器17、第三相位调制器7和第四相位调制器6依次相连；第四相位调制器6与耦合器3相连；第一信号源8与第一相位调制器4相连；第二信号源9与第二相位调制器5相连；第三信号源11与第三相位调制器7相连；第四信号源10与第四相位调制器6相连；第一环形器16与第一光电探测器14相连；第二环形器17与第二光电探测器15相连；第一锁相放大器12的参考端与第三信号源11相连，输入端与第一光电探测器14相连，输出端与伺服回路20相连。第二锁相放大器13的参考端与第二信号源9相连，输入端与第二光电探测器15相连，输出端与数据记录仪19相连；伺服回路20与窄线宽频率可调激光器1相连。

需要指出的是，该实施例中虽然只应用了4个信号源：第一信号源8、第二信号源9、第四信号源10和第三信号源11，但是信号源不一定只是4个。为了完成调制和噪声抑制功能，上述4个信号源是基本的，为了增加载波抑制比或为了降低控制精度，还可以增加n个载波抑制信号，n可以是1，2，3……，相应的，在本实施例的基础上，在第二相位调制器5和第三相位调制器7之前增加若干个相位调制器以及与其相连的信号源，对本领域普通技术人员来说是显而易见的，也就是说，在本实施例的基础上作出的上述改动，都应该落入本发明相应的权利要求保护范围内。

上述双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测方法包括以下步骤：

1、双信号组合调制

由窄线宽频率可调激光器1发出的激光经耦合器3分成功率相等的两束，这两束激光分别经过第一相位调制器4，第二相位调制器5和第三相位调制器7，第四相位调制器6进行相位调制；具体来说，利用第一信号源8和第二信号源9，分别产生载波抑制调制信号U₂(t)和信号检测调制信号U₁(t)，并分别驱动第一相位调制器4和第二相位调制器5对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片18的顺时针光的调制；同样的，利用第四信号源10和第三信号源11，分别产生载波抑制调制信号U₄(t)和信号检测调制信号U₃(t)，并分别驱动第四相位调制器6和第三相位调制器7对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片18的逆时针光的调制。

其中，作为信号检测调制信号的U₁(t)和U₃(t)为正弦波调制信号，作为载波抑制调制信号的U₂(t)和U₄(t)可以为正弦波信号，也可以为三角波，锯齿波，方波等信号。U₁(t)、U₂(t)、U₃(t)和U₄(t)的频率互不相同且互质，并且U₁(t)和U₃(t)的频率均大于U₂(t)和U₄(t)的频率；U₂(t)和U₄(t)的幅度调整至调制系数为2.40，U₂(t)和U₄(t)的幅度可以根据实际的背散射噪声和信号大小在调制系数为2.40附近调整。

2、信号的解调

经过双信号组合调制的光，通过第一环形器16和第一环形器17输入微型光学环形谐振腔芯片18，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；经过微型光学环形谐振腔芯片18的逆时针光，通过第一环形器16之后，输出到第一光电探测器14；第一光电探测器14输出和第三信号源11产生的同步信号分别作为第一锁相放大器12的输入信号和参考信号，第一锁相放大器12输出逆时针解调信号。经过微型光学环形谐振腔芯片18的顺时针光，经过第二环形器17之后，输出到第二光电探测器15；第二光电探测器15输出和第二信号源9产生的同步信号分别作为第二锁相放大器13的输入信号和参考信号，第二锁相放大器13输出顺时针解调信号。

3、陀螺信号输出

第一锁相放大器12解调输出逆时针信号，即提取出顺时针和逆时针谐振频率偏差，经过伺服回路20，反馈到窄线宽频率可调激光器1，控制窄线宽频率可调激光器1的输出光频，从而使激光频率稳定在微型光学环形谐振腔芯片18的逆时针光路谐振点；通过第二锁相放大器13解调提取的顺时针和逆时针谐振频率偏差，为微型谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪19。

微型谐振式光学陀螺沿顺时针方向转动时陀螺信号输出原理如图4所示，微型谐振式光学陀螺沿逆时针方向转动时陀螺信号输出原理如图5所示。

根据双信号组合调制的理论原理，本发明还提出了另一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置。

如图2所示，该双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置主要由窄线宽频率可调激光器1、隔离器2、耦合器3、第二相位调制器5、第三相位调制器7、第一信号源8、第二信号源9、第四信号源10、第三信号源11、第一锁相放大器12、第二锁相放大器13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第一环形器16、第二环形器17、微型光学环形谐振腔芯片18、数据记录仪19、伺服回路20、第一加法器21和第二加法器22组成。

该双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置各部件之间具体连接方式如下：窄线宽频率可调激光器1与隔离器2、耦合器3、第二相位调制器5、第一环形器16、微型光学环形谐振腔芯片18、第二环形器17和第三相位调制器7依次相连，第三相位调制器7与耦合器3相连；第一加法器21与第二相位调制器5相连；第二加法器22与第三相位调制器7相连；第一信号源8和第二信号源9分别与第一加法器21相连；第四信号源10和第三信号源11分别与第二加法器22相连；第一环形器16与第一光电探测器14相连；第二环形器17与第二光电探测器15相连；第一锁相放大器12的参考端与第三信号源11相连，输入端与第一光电探测器14相连接，输出端与伺服回路20相连。第二锁相放大器13的参考端与第二信号源9相连，输入端与第二光电探测器15相连接，输出端与数据记录仪19相连；伺服回路20与窄线宽频率可调激光器1相连。

上述双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测方法包括以下步骤：

1、双信号组合调制

由窄线宽频率可调激光器1发出的激光经耦合器3分成功率相等的两束，这两束激光分别经过第二相位调制器5和第三相位调制器7进行相位调制；具体来说，利用第一信号源8和第二信号源9，分别产生载波抑制调制信号U₂(t)和信号检测调制信号U₁(t)，U₂(t)和U₁(t)经过第一加法器21相加后，驱动第二相位调制器5对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片18的顺时针光的调制；同样的，利用第四信号源10和第三信号源11，分别产生载波抑制调制信号U₄(t)和信号检测调制信号U₃(t)，U₄(t)和U₃(t)经过第二加法器22相加后，驱动第三相位调制器7对光波进行相位调制，这样，就完成了对输入微型光学环形谐振腔芯片18的逆时针光的调制。

其中，作为信号检测调制信号的U₁(t)和U₃(t)为正弦波调制信号，作为载波抑制调制信号的U₂(t)和U₄(t)可以为正弦波信号，也可以为三角波，锯齿波，方波等信号。U₁(t)、U₂(t)、U₃(t)和U₄(t)的频率互不相同且互质，并且U₁(t)和U₃(t)的频率均大于U₂(t)和U₄(t)的频率；U₂(t)和U₄(t)的幅度调整至调制系数为2.40，U₂(t)和U₄(t)的幅度可以根据实际的背散射噪声和信号大小在调制系数为2.40附近调整；

2、信号的解调

经过双信号组合调制的光，通过第一环形器16和第一环形器17输入微型光学环形谐振腔芯片18，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；经过微型光学环形谐振腔芯片18的逆时针光，通过第一环形器16之后，输出到第一光电探测器14；第一光电探测器14输出和第三信号源11产生的同步信号分别作为第一锁相放大器12的输入信号和参考信号，第一锁相放大器12输出逆时针解调信号。经过微型光学环形谐振腔芯片18的顺时针光，经过第二环形器17之后，输出到第二光电探测器15；第二光电探测器15输出和第二信号源9产生的同步信号分别作为第二锁相放大器13的输入信号和参考信号，第二锁相放大器13输出顺时针解调信号。

3、陀螺信号输出

第一锁相放大器12解调输出逆时针信号，即提取出顺时针和逆时针谐振频率偏差，经过伺服回路20，反馈到窄线宽频率可调激光器1，控制窄线宽频率可调激光器1的输出光频，从而使激光频率稳定在微型光学环形谐振腔芯片18的逆时针光路谐振点；通过第二锁相放大器13解调提取的顺时针和逆时针谐振频率偏差，即为微型谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪19。

微型谐振式光学陀螺沿顺时针方向转动时陀螺信号输出原理如图4所示，微型谐振式光学陀螺沿逆时针方向转动时陀螺信号输出原理如图5所示。

Claims (6)

1.一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置，其特征在于，它主要由窄线宽频率可调激光器(1)、隔离器(2)、耦合器(3)、第一相位调制器(4)、第二相位调制器(5)、第四相位调制器(6)、第三相位调制器(7)、第一信号源(8)、第二信号源(9)、第四信号源(10)、第三信号源(11)、第一锁相放大器(12)、第二锁相放大器(13)、第一光电探测器(14)、第二光电探测器(15)、第一环形器(16)、第二环形器(17)、微型光学环形谐振腔芯片(18)、数据记录仪(19)和伺服回路(20)组成。

2.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述窄线宽频率可调激光器(1)与隔离器(2)、耦合器(3)、第一相位调制器(4)、第二相位调制器(5)、第一环形器(16)、微型光学环形谐振腔芯片(18)、第二环形器(17)、第三相位调制器(7)和第四相位调制器(6)依次相连。第四相位调制器(6)与耦合器(3)相连；第一信号源(8)与第一相位调制器(4)相连；第二信号源(9)与第二相位调制器(5)相连；第三信号源(11)与第三相位调制器(7)相连；第四信号源(10)与第四相位调制器(6)相连；第一环形器(16)与第一光电探测器(14)相连；第二环形器(17)与第二光电探测器(15)相连。第一锁相放大器(12)的参考端与第三信号源(11)相连，输入端与第一光电探测器(14)相连，输出端与伺服回路(20)相连。第二锁相放大器(13)的参考端与第二信号源(9)相连，输入端与第二光电探测器(15)相连，输出端与数据记录仪(19)相连。伺服回路(20)与窄线宽频率可调激光器(1)相连。

3.一种应用权利要求2所述检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)双信号组合调制：由窄线宽频率可调激光器发出的激光经耦合器分成功率相等的两束，这两束激光分别经过第一相位调制器、第二相位调制器和第三相位调制器、第四相位调制器进行相位调制。具体来说：利用第一信号源和第二信号源，分别产生载波抑制调制信号U₂(t)和信号检测调制信号U₁(t)，并分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光的调制。同样的，利用第四信号源和第三信号源，分别产生载波抑制调制信号U₄(t)和信号检测调制信号U₃(t)，并分别驱动第四相位调制器和第三相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光的调制。

(2)信号的解调：经过双信号组合调制的光，通过第一环形器和第一环形器输入微型光学环形谐振腔芯片，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；经过微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光，通过第一环形器之后，输出到第一光电探测器；第一光电探测器输出和第三信号源产生的同步信号分别作为第一锁相放大器的输入信号和参考信号，第一锁相放大器输出逆时针解调信号。经过微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光，经过第二环形器之后，输出到第二光电探测器；第二光电探测器输出和第二信号源产生的同步信号分别作为第二锁相放大器的输入信号和参考信号，第二锁相放大器输出顺时针解调信号。

(3)陀螺信号输出：第一锁相放大器解调输出逆时针信号，即提取出顺时针和逆时针谐振频率偏差，经过伺服回路，反馈到窄线宽频率可调激光器，控制窄线宽频率可调激光器的输出光频，从而使激光频率稳定在微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光路谐振点；通过第二锁相放大器解调提取的顺时针和逆时针谐振频率偏差，为微型谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。

4.一种双信号组合调制的微型谐振式光学陀螺的检测装置，其特征在于，它主要由窄线宽频率可调激光器(1)、隔离器(2)、耦合器(3)、第二相位调制器(5)、第三相位调制器(7)、第一信号源(8)、第二信号源(9)、第四信号源(10)、第三信号源(11)、第一锁相放大器(12)、第二锁相放大器(13)、第一光电探测器(14)、第二光电探测器(15)、第一环形器(16)、第二环形器(17)、微型光学环形谐振腔芯片(18)、数据记录仪(19)、伺服回路(20)、第一加法器(21)和第二加法器(22)组成。

5.根据权利要求4所述检测装置，其特征在于，所述窄线宽频率可调激光器(1)与隔离器(2)、耦合器(3)、第二相位调制器(5)、第一环形器(16)、微型光学环形谐振腔芯片(18)、第二环形器(17)和第三相位调制器(7)依次相连，第三相位调制器(7)与耦合器(3)相连。第一加法器(21)与第二相位调制器(5)相连；第二加法器(22)与第三相位调制器(7)相连；第一信号源(8)和第二信号源(9)分别与第一加法器(21)相连；第四信号源(10)和第三信号源(11)分别与第二加法器(22)相连；第一环形器(16)与第一光电探测器(14)相连；第二环形器(17)与第二光电探测器(15)相连。第一锁相放大器(12)的参考端与第三信号源(11)相连，输入端与第一光电探测器(14)相连接，输出端与伺服回路(20)相连。第二锁相放大器(13)的参考端与第二信号源(9)相连，输入端与第二光电探测器(15)相连接，输出端与数据记录仪(19)相连。伺服回路(20)与窄线宽频率可调激光器(1)相连。

6.一种应用权利要求5所述检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)双信号组合调制：由窄线宽频率可调激光器发出的激光经耦合器分成功率相等的两束，这两束激光分别经过第二相位调制器和第三相位调制器进行相位调制。具体来说：利用第一信号源和第二信号源，分别产生载波抑制调制信号U₂(t)和信号检测调制信号U₁(t)，U₂(t)和U₁(t)经过第一加法器相加后，驱动第二相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对进入微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光的调制；同样的，利用第四信号源和第三信号源，分别产生载波抑制调制信号U₄(t)和信号检测调制信号U₃(t)，U₄(t)和U₃(t)经过第二加法器相加后，驱动第三相位调制器对光波进行相位调制，这样，就完成了对输入微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光的调制。

(2)信号的解调：经过双信号组合调制的光，通过第一环形器和第一环形器输入微型光学环形谐振腔芯片，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；经过微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光，通过第一环形器之后，输出到第一光电探测器；第一光电探测器输出和第三信号源产生的同步信号分别作为第一锁相放大器的输入信号和参考信号，第一锁相放大器输出逆时针解调信号。经过微型光学环形谐振腔芯片的顺时针光，经过第二环形器之后，输出到第二光电探测器；第二光电探测器输出和第二信号源产生的同步信号分别作为第二锁相放大器的输入信号和参考信号，第二锁相放大器输出顺时针解调信号。

(3)陀螺信号输出：第一锁相放大器解调输出逆时针信号，即提取出顺时针和逆时针谐振频率偏差，经过伺服回路，反馈到窄线宽频率可调激光器，控制窄线宽频率可调激光器的输出光频，从而使激光频率稳定在微型光学环形谐振腔芯片的逆时针光路谐振点；通过第二锁相放大器解调提取的顺时针和逆时针谐振频率偏差，即为微型谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。

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