CN102023006A - 四频激光陀螺电子读出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子信号处理的四频激光陀螺信号读出方法，其中两个单陀螺拍频信号的分离依靠电子信号处理而不是光学信号处理来实现，因而仅需要一个简单的棱镜将四频差动激光陀螺输出光混合在一起，然后采用电子信号处理算法即可从中提取四频激光陀螺敏感的角速度。简化的合光组件对光信号衰减小，结构简单，装配容易，更加坚固。

Description

四频激光陀螺电子读出系统

技术领域

本发明涉及四频激光陀螺的信号读出方法，它包括合光组件、光电探测器和电子信号处理电路，适用于腔内运行有四个行波模式的激光陀螺。

背景技术

激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单等优越性，是惯性系统尤其是捷联惯性系统的理想元件，已经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。克服闭锁最常见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，而且增大了随机游走、降低了输出信号带宽。与机械抖动激光陀螺相比，四频激光陀螺采用光学偏频克服闭锁，没有机械抖动部件，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，采用石英旋光器或异面腔使左旋偏振模式和右旋偏振模式产生频率分裂，采用法拉第偏频器件或在增益介质上施加纵向磁场使相同偏振的相向行波产生非互易频率分裂以克服闭锁，一对左旋偏振相向行波构成左旋陀螺，一对右旋偏振相向行波构成右旋陀螺。

四频激光陀螺所敏感的转动信息包含在激光腔内振荡行波的频率之中，只需将激光腔内运行的行波的一小部分能量提取出来就可获得激光陀螺所感测的转动信息，提取转动信息的装置称为读出系统。激光陀螺的读出系统一般包括激光陀螺腔体上的一面透过率稍大的介质膜反射镜，装在反射镜外表面的棱镜组件使通过反射镜输出的部分光束合成到接近同一个方向从而产生干涉条纹，光电探测器和读出电子系统将干涉条纹转化成对应行波拍频的数字脉冲。

四频激光陀螺的现有读出系统使用复杂的光学组件将两个单陀螺的光信号分离开，然后各自使用一个光电探测器和电子信号处理系统分别得到对应两个单陀螺拍频的数字脉冲。使用复杂的光学组件导致的问题包括：信号衰减、组装和调整难度大、由于使用了大量胶粘剂因而稳定性和可靠性稍差。现代电子技术的发展使电子信号处理变得更加容易，也更加可靠，因而采用电子信号处理来取代光学信号处理能够消除前述问题。

发明内容

本发明的目的是解决复杂的光学组件导致的问题，采用电子信号处理装置代替光学组件实现左旋陀螺和右旋陀螺拍频信号的分离，从而简化光学组件结构。四频激光陀螺信号读出的关键在于如何将两个单陀螺的信号分开以获得各自的拍频。

为实现本发明采用了如下的技术方案：

电子读出系统包括一个腔内运行有四束行波的四频激光陀螺，至少一个输出腔内光信号的输出镜，安装在输出镜上的合光棱镜，安装在合光棱镜上的光电探测器，对光电探测器输出信号进行处理以实现左、右旋陀螺拍频信号分离的信号处理装置。从输出镜透射的光束含有四个频率，合光棱镜使输出光束互相混合，两个光电探测器(或一个二象限光电探测器)将混合光信号转换成电信号，信号的数学表示为

I₁＝acos[(ω_F-Ω)t]+bcos[(ω_F+Ω)t](1)

$I_2=a\cos [({\mathrm{\ω}}_F-\mathrm{\Ω})t-\frac{\mathrm{\π}}{2}]+b\cos [({\mathrm{\ω}}_F+\mathrm{\Ω})t+\frac{\mathrm{\π}}{2}]---\left(2\right)$

式中：a、b分别为两个单陀螺的信号幅度，t为时间。

电子信号处理电路的主要功能就是对式(1)和(2)所示的信号进行处理，从中得到非互易偏频频率ω_F和萨格纳克频率Ω。

根据棱镜组件和光电探测器安装方式的不同和电子信号处理方法的不同，又分成多种实现方案。

棱镜组件和光电探测器安装方式一是采用一对直角棱镜组件和两个光电探测器，通过调整棱镜组件以及光电探测器的位置使入射到两个光电探测器上的光信号相位相差90度(或-90度)。

棱镜组件和光电探测器安装方式二是采用一对直角棱镜和一个二象限光电探测器，通过调整棱镜组件和光电探测器的位置使光电探测器两个象限输出信号相位相差90度(或-90度)。

棱镜组件和光电探测器安装方式三是采用一个直角梯形棱镜和一个二象限光电探测器，通过调整棱镜和光电探测器的位置使光电探测器两个象限输出信号相位相差90度(或-90度)。

棱镜组件和光电探测器的安装方式并不限于以上三种，只要能够获得至少两路相位相差90度(或-90度)的混合信号皆可实现本技术方案。

电子信号处理方式一是采用移相法进行电子信号分离：采用90度移相电路将光电探测器输出的两路信号1和信号2都移相90度，得到移相后的信号3和信号4，其中信号3对应信号1移相后的信号，信号4对应信号2移相后的信号。信号1与信号4相加，信号2和信号3相加即可得到两路分别含四频激光陀螺两个单陀螺拍频的正弦信号。对该正弦信号进行整形即可得到相应的数字脉冲信号。

电子信号处理方式二引入了两路频率和幅度相同相位相差90度的标准正弦信号作为辅助进行电子信号分离。光电探测器输出的两路信号1和信号2，与标准信号s1和标准信号s2进行混频(相乘)，然后进行低通滤波(或高通滤波)，得到信号m1和m2。信号m1与信号m2分别相加和相减就得到四频激光陀螺两个单陀螺的拍频信号。

电子信号处理方式并不限于上述2种，只要能够将光电探测器的输出信号进行处理得到四频激光陀螺的非互易偏频和萨格纳克频率都可以。电子信号处理可以采用模拟电子器件也可采用数字电子器件来实现。

本发明的优点是将四频激光陀螺的光学信号处理部分的大部分功能转移到电子信号处理部分，从而简化了光学合光组件，减小了光信号的衰减、有利于四频激光陀螺工艺的简化、使其结构更加牢固。

附图说明

图1是四频激光陀螺的结构及其腔内行波的频谱示意图。

图2是原有信号读出系统的合光组件原理图。

图3是本发明信号读出系统的合光组件原理图。

图4是两个最佳实施可选的棱镜组件和光电探测器结构图。

图5是正交信号辅助的数字式电子信号处理信号读出系统框图。

图6是可选的采用移相的模拟式电子信号处理读出系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式进行详细说明。

图1是四频激光陀螺结构示意图及其增益曲线上的模式分布。在低膨胀微晶玻璃腔体1上加工出充气和通光管道，在腔体的四个角上安装四个反射镜5、6、7、8，其中7为透过率稍大的输出镜。在阳极2、3和阴极4上施加高压产生直流放电来提供增益。10为互易偏频元件，为四频激光陀螺的两个单陀螺提供偏频以避免模竞争。9为非互易偏频元件，为四频激光陀螺中相同偏振的两个模式提供非互易偏频以避免闭锁。四频激光陀螺的四个模式在增益曲线上的位置如图1(b)所示。模式12和13组成陀螺1，模式14和15组成陀螺2。

图3是本发明所需的合光组件的原理示意图。从输出镜7透射的光束经过反射镜28和29反射之后，在半透半反片30处以一个微小夹角θ合成在一起。

图4是能够实现图3所示合光功能的两个具体实例。34是输出镜的介质反射膜，35是输出镜的基片，36和39是棱镜，37和38是半透半反片。

图5是一个具体实施例。在四频激光陀螺1的输出镜7上安装一个图4(b)所示的合光棱镜。在合光棱镜上粘贴一个间隔为半个激光波长的二象限光电二极管，其输出信号50和51的数学形式分别为

I₁＝acos[(ω_F-Ω)t ]+bcos[(ω_F+Ω)t ]

$I_2=a\cos [({\mathrm{\ω}}_F-\mathrm{\Ω})t-\frac{\mathrm{\π}}{2}]+b\cos [({\mathrm{\ω}}_F+\mathrm{\Ω})t+\frac{\mathrm{\π}}{2}]$

用前置放大器32和33将I₁和I₂放大到合适的幅度，经由模/数转换器34和35转换为数字信号。虚线框内的功能由数字信号处理装置实现，数字信号处理芯片最好是现场可编程逻辑门阵列(FPGA)。混频器(乘法器)36用来将模/数转换器34的转换信号与一个余弦信号cos(ω₃t)相乘，混频器(乘法器)37用来将模/数转换器35的转换信号与一个正弦信号sin(ω₃t)相乘。低通滤波器38和39用来滤除混频器输出信号中的高频分量。低通滤波器38和39的输出在加法器40处相加，得到accos[ω₃t-(ω_F-Ω)t ]，在减法器41处相减得到bccos[ω₃t-(ω_F+Ω)t ]。采用整形器将正弦信号整形成数字脉冲，采用计数器将频率求出即可求得ω₃-(ω_F-Ω)和ω₃-(ω_F+Ω)，二者相减可得2Ω，即四频激光陀螺敏感的角速度。

如低通滤波器38和39换成高通滤波器滤除混频器输出信号中的低频分量，然后将输出在加法器40处相加，则得到accos[ω₃t+(ω_F-Ω)t ]，在减法器41处相减得到bccos[ω₃t+(ω_F+Ω)t ]。采用整形器将正弦信号整形成数字脉冲，采用计数器将频率求出即可求得ω₃+(ω_F-Ω)和ω₃+(ω_F+Ω)，二者相减可得2Ω，即四频激光陀螺敏感的角速度。

图6是另一个具体实施例。输出信号50和51经过前置放大器32和33后放大到合适的幅度，然后分别由移相器44和45进行90°移相，得到

$I_1^{\′}=a\cos [({\mathrm{\ω}}_F-\mathrm{\Ω})t-\frac{\mathrm{\π}}{2}]+b\cos [({\mathrm{\ω}}_F+\mathrm{\Ω})t-\frac{\mathrm{\π}}{2}]$

I′₂＝acos[(ω_F-Ω)t-π]+bcos[(ω_F-Ω)t]

移相前后的信号在加法器46和47处相加，

I₁+I′₂＝2bcos[(ω_F+Ω)t]

$I^{\′}+I_2=2a\cos [({\mathrm{\ω}}_F-\mathrm{\Ω})t-\frac{\mathrm{\π}}{2}]$

得到含有陀螺1和陀螺2拍频信号的正弦波，然后进行整形计数，即可求得ω_F和Ω。

Claims (8)

1.一种四频激光陀螺信号读出系统，它包括腔内运行有4个行波的环形谐振腔，安装在四频激光陀螺输出镜上的棱镜组件将输出光信号合成在一起，安装在棱镜上的光电探测器将光信号转换成电信号，电子信号处理装置对电信号进行放大、信号处理，其特征在于安装在棱镜上的光电探测器将光信号中频率接近非互易偏频的分量转换成电信号，再由电子信号处理装置将四频激光陀螺中两个单陀螺的拍频信号分离。

2.根据权利要求1所述的合光棱镜组件，其特征是将四频激光陀螺输出的顺时针和逆时针光束以一个小夹角合成在一起，然后用至少两个间隔半个激光波长的光电探测器，将光信号转换成两路电信号。

3.根据权利要求1所述的信号分离系统，其特征是引入一对相位相差90°的正交信号，分别与权利要求2所述的两路电信号相乘，然后进行低通滤波滤掉高频成分，从滤波器输出的两路信号再通过加法器和减法器分别进行加减运算，从而得到分离的两个单陀螺拍频信号。

4.根据权利要求1所述的信号分离系统，其特征是引入一对相位相差90°的正交信号，分别与权利要求2所述的两路信号相乘，然后进行高通滤波滤掉低频成分，从滤波器输出的信号再通过加法器和减法器分别进行加减运算，从而得到分离的两个单陀螺拍频信号。

5.根据权利要求3或4所述的信号分离系统，其特征是利用模/数转换器将权利要求2中所述的两路信号转换成数字信号，然后利用与权利要求3和4相同的原理，通过数字信号处理算法实现两个单陀螺拍频信号的分离。

6.根据权利要求1所述的信号分离系统，其特征是将权利要求2所述的两路信号同时移相90°，然后与移相前的信号交叉相加，得到两个单陀螺的拍频信号。

7.根据权利要求6所述的信号分离系统，其特征是利用与权利要求6相同的原理，将权利要求2所述的两路信号通过模/数转换器转换成数字信号，利用数字信号处理算法实现同时移相90°，然后与移相前的信号交叉相加，得到两个单陀螺的拍频信号。

8.根据权利要求5所述的信号分离系统，其特征是相位相差90°的正交信号在数字信号处理芯片内由软件实现。

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