CN101975574A - 四频激光陀螺的小抖动稳频方法 - Google Patents

Abstract

四频激光陀螺采用光强差稳频时，其精度容易受到合光、光电转换和放大过程中参数变化的影响。本发明公开了一种新型稳频方式，通过对四频激光陀螺的程长进行小抖动调制，然后根据四频激光陀螺腔内行波模式幅度的调制情况进行稳频，使四频激光陀螺工作在同向行波模式拍波幅度最大的状态下。本发明可解决光强差稳频所产生的问题，保证了四频激光陀螺工作在唯一的不受干扰的状态，使四频激光陀螺性能得到改进。

Description

四频激光陀螺的小抖动稳频方法

技术领域

本发明涉及四频激光陀螺，特别是涉及四频激光陀螺的稳频方法。

背景技术

激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单、体积小等优点，是惯性系统尤其是捷联惯性系统的理想元件，已大量应用于军事和民用领域。激光陀螺的原理是萨格纳克(Sagnac)效应，在它的光学谐振腔内至少运行一对相向传播的光波。当它绕敏感轴相对于惯性空间转动时，相向行波的频率产生分裂，形成正比于转动速率的拍频，因而通过测量拍频即可获得激光陀螺相对于惯性空间的转动信息。

由于谐振腔内相向行波间的能量耦合，激光陀螺存在闭锁效应，导致它无法测量较低的转速。最常见的克服闭锁的方法是机械抖动偏频，但机械抖动容易对惯性系统中的其它仪表产生干扰，此外还增加了随机游走、降低了信号带宽。四频激光陀螺采用光学偏频的方法克服闭锁，不会产生机械干扰，因而具有很大的优越性。四频激光陀螺腔内运行有四个行波模式，采用石英旋光器或非平面腔使左旋偏振行波和右旋偏振行波产生频率分裂，采用法拉第偏频器件或在增益介质上施加纵向磁场在相同偏振的相向行波间建立非互易偏频以克服闭锁。一对左旋偏振相向行波和一对右旋偏振相向行波分别构成左、右旋单陀螺，通过两个单陀螺拍频的差动，在四频激光陀螺的输出信号中非互易偏频被削除，因而不受非互易偏频不稳定的影响，而且对转动的灵敏度加倍。

左、右旋单陀螺的对称性越好，四频激光陀螺对外界干扰的抵抗力越强，因此要采用稳频技术使左、右旋单陀螺位于增益曲线的对称两侧，以使两个单陀螺具有相同的增益。四频激光陀螺早先采用光强差稳频，其原理是将四频激光陀螺稳定在左、右旋光强信号相等的状态，然而由于在左、右旋光强信号的获取过程中，合光、光电转换和放大等过程不可能对左、右旋光做到完全一致，更为严重的是，这种非一致性还会随温度而变，因而降低了四频激光陀螺性能。

发明内容

本发明的目的是为了消除上述光强差稳频的缺陷，利用四频激光陀螺同向运行光束的幅度取极值的原理进行稳频，不仅可达到很高的稳频精度，而且稳频点与合光、光电转换与放大过程中参数的变化无关，从而避免稳频电路参数的变化影响四频激光陀螺的性能。

为实现本发明采用的技术方案是：采用一高频光电探测器(如PIN型或APD型光电二极管)将四频激光陀螺透射出的同向运行光束转换为电信号，然后用高频放大器放大，再进行幅度检波(解调)得到代表同向光束拍频幅度的射频光强；利用振荡器输出小抖动调制电压施加在四频激光陀螺程长控制镜的压电陶瓷上，使四频激光陀螺的程长产生小抖动调制，进而引起射频光强的调制，控制电路根据射频光强的调制特性产生控制电压调节程长使射频光强达到极大值，从而使左、右旋陀螺稳定地工作在增益曲线两侧。

本发明的优点是：直接用一个光电探测器接收四频激光陀螺镜片所透射出的光信号，不用装调复杂的合光棱镜；稳频信号的获取只需一路光电转换和放大，光电探测器位置失调、转换系数变化以及放大电路的偏置和增益变化都不会影响稳频点。

附图说明

图1是四频激光陀螺的工作原理。

图2小抖动稳频原理。

图3是小抖动稳频系统框图。

图4是采用混频器的射频幅度解调器。

图5是采用乘法器的射频幅度解调器。

图6是采用二极管检波的射频幅度解调器。

图7是采用乘法器的小抖动解调器。

图8是光强扫模曲线。

图9是修正的光强扫模曲线。

图10是利用读出系统输出信号进行稳频的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

在图1中，四频激光陀螺有四个振荡模式位于增益曲线49的出光带宽之内，其频率分别为f₁、f₂、f₃、f₄，幅度分别为A₁、A₂、A₃、A₄，其中模式1和2构成左旋陀螺，模式3和4构成右旋陀螺，模式1和4沿顺时针(CW)方向运行，模式2和3沿逆时针(AW)方向运行。由于模式1和2距离很近，二者幅度基本相同，因此有A₁＝A₂，同理可知A₃＝A₄

下面以利用顺时针方向运行的光束为例对稳频原理进行介绍，记四个模式的平均频率为f_a、模式1和4的拍频幅度50为I＝A₁A₄、f₀对应I的极大值。当在四频激光陀螺的程长控制镜上施加小抖动调制电压时，拍频幅度50也受到调制，其调制情况与f_a的位置有关：f_a＜f₀时，误差信号51为正；f_a＞f₀时，误差信号51为负；f_a＝f₀时，误差信号51为零。利用该原理可将平均频率f_a稳定在f₀的位置。

图3是本发明的最佳实施例。从四频激光陀螺1的镜片2透射出的顺时针光束打在光电探测器3(如PIN光电二极管)上，然后用射频放大器4将光电探测器3输出的电信号放大，射频幅度解调器5可取出拍频幅度50对应的射频光强信号。频率测量装置测出射频信号的频率然后传输到数字信号处理单元41(如单片机、DSP)中。射频幅度解调器5输出的信号进行低通滤波消除高频噪声和干扰，然后经模数转换器采集到数字信号处理单元41中。读出系统40得到的左、右旋光强信号经模数转换器采集到数字信号处理单元41中。

稳频程序在信号处理单元41中设计，振荡器8为一数字小抖动调制信号发生器(如正弦波或方波)，发出一路调制信号经数模转换器转换成模拟信号，然后耦合到粘贴在四频激光陀螺程长控制镜上的压电陶瓷11上，压电陶瓷在调制信号作用下产生机械运动从而引起程长调制。振荡器8输出的小抖动调制信号同时送到小抖动解调器7内，用于从射频光强中提取误差信号，误差信号经控制器(如PID控制器)后产生压电陶瓷控制信号，经数模转换后再进行高压放大以控制压电陶瓷。

射频幅度解调可采用图4所介绍的方案：射频放大器4输出的信号经功分器分成两路，其中一路直接送入到混频器16的一个端口，另一路经射频放大器17再次放大以提供足够的功率驱动混频器16，混频器16输出信号经低通滤波器18滤除高频分量得到射频光强。

图5是另一种射频幅度解调方案，与图4的区别是采用乘法器19，其特点是对驱动功率要求较低。图6是可选的另一种射频幅度解调方案，采用二极管检波器21实现混频器16的功能。

小抖动解调可采用图7所给方案。振荡器8采用数字正弦发生器实现，乘法器23采用数字乘法器，振荡器8、乘法器23与低通滤波器24构成一相干解调器(相敏检波器)，其功能是从射频光强中提取反映偏离极值程度与方向的误差信号。

左旋光强31、右旋光强32、射频光强33和误差信号34的扫模曲线如图8所示，可见射频光强取极大值时误差信号为零，因此可将射频光强33稳定在极大值上，但射频光强33的极大值对应两种状态：一种是左旋光强31的扫模曲线斜率为正，另一种是左旋光强31的扫模曲线斜率为负，四频激光陀螺工作在这两种状态时的零偏输出并不相同，下面给出此问题的解决方法。

采用相干解调算法可将左旋光强31和右旋光强32的斜率正负号求出，根据二者的斜率对误差信号34进行修正即可确定唯一的工作状态。当右旋光强32的扫模曲线斜率为正时保持误差信号34不变，当右旋光强32的扫模曲线斜率为负时误差信号34乘以-1，于是得到修正的误差信号35，如图9所示。由于两种状态对应的误差信号不同，因而四频激光陀螺只能在设定的工作状态下工作。

另一种可选的修正误差信号的方法是利用频率测量装置39所测频率，两种工作状态对应的频率相差1～3MHz，因此可通过比较频率大小确定工作状态。

另一种确定工作状态的方案是利用光强差信号，首先采用光强差稳频，当射频幅度接近极大值时改用小抖动稳频，在这种方案中光强差所起作用是选择工作状态。

图10是小抖动稳频的另一最佳实施例。读出系统40可获得左旋陀螺和右旋陀螺拍频信号，数学表示分别为：

S_L＝I_Lcos(ω_Lt)

S_R＝I_Rcos(ω_Rt)

式中：S_L、S_R分别表示左、右旋陀螺拍频信号；I_L、I_R分别表示左、右旋陀螺拍频幅度，其中I_L＝A₁A₂，I_R＝A₃A₄；ω_L、ω_R分别表示左、右旋陀螺拍频频率，其中ω_L＝f₂-f₁，ω_R＝f₄-f₃；t为时间。

采用幅度解调器(如二极管检波器)将S_L和S_R的幅度I_L和I_R取出，然后进行相乘得到

$I_{\mathrm{LR}}=I_L{I}_R=A_1{A}_2{A}_3{A}_4=A_1^2{A}_4^2$

由于A₁、A₄都是正值，因此当A₁A₄取极大值时必定也有

取极大值，这样就可利用I_LR进行稳频。

Claims (9)

1.一种四频激光陀螺稳频系统，其特征在于它包括腔内运行有四个行波模式的环形谐振腔，用光电探测器将腔镜透射的部分光束转换为电信号，对腔长进行小抖动调制使各行波模式的幅度发生变化，根据其变化情况控制腔长，使四频激光陀螺稳定工作。

2.根据权利要求1所述的稳频方法，其特征是采用光电探测器将从四频激光陀螺一个镜片中透射的光束转换为电信号，然后经射频放大和幅度解调后提取拍频幅度，将射频信号分成两路，并将其中一路放大到足够的功率然后一起送入到混频器的输入端，对混频器输出信号进行低通滤波求得拍频幅度对应的射频光强。通过对腔长进行小抖动调制，使射频光强幅度发生变化，根据射频光强的变化进行稳频，将拍频幅度控制在极大值上。

3.根据权利要求1所述的稳频方法，其特征是将四频激光陀螺读出系统输出的左、右旋陀螺拍频信号的幅度取出，然后使左、右旋拍频幅度相乘，对腔长进行小抖动调制，利用左、右旋拍频幅度的相乘结果随腔长调制的情况进行稳频，使左、右旋拍频幅度乘积取极大值。

4.根据权利要求1所述的工作状态判定方法，其特征是利用同向行波的拍频频率对小抖动稳频误差信号进行修正，根据事先测定好的同向行波拍频频率与小抖动稳频误差信号的对应关系对小抖动稳频误差信号进行修正。

5.根据权利要求1所述的工作状态判定方法，其特征是首先利用光强差稳频将射频光强控制在极大值附近，然后改用小抖动稳频。

6.根据权利要求1所述的工作状态判定方法，其特征是利用左旋光强或右旋光强随扫模曲线的斜率对小抖动稳频误差信号进行修正。

7.根据权利要求2所述的拍频幅度解调方法，其特征是将射频信号分成两路，分别送入到乘法器的两个输入端，对乘法器输出信号进行低通滤波求得拍频幅度对应的射频光强。

8.根据权利要求2所述的拍频幅度解调方法，其特征是利用二极管检波求出拍频幅度对应的射频光强。

9.根据权利要求2所述的稳频方法，其特征是对腔长施加小抖动调制(100～10kHz)，采用相敏检波技术对射频光强中调制信号分量的幅度进行解调，作为误差信号以控制腔长直到误差信号幅度为零。

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