CN102353373B

CN102353373B - 基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺

Info

Publication number: CN102353373B
Application number: CN 201110194116
Authority: CN
Inventors: 金仲和; 陈妍; 马慧莲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102353373A

Abstract

本发明公开了一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，它包括由可调谐激光器、光学分路器、两个移频器、两个调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，由调制解调模块、三个反馈锁定模块构成的处理电路。作为双路闭环反馈端的激光器和两个移频器是光学系统的主要组成部分；由调制解调模块提取的第一路信号经两个反馈锁定模块分别改变激光器和第一个移频器的移频量，提取的第二路信号经第三个反馈锁定模块改变第二个移频器的移频量；对两个移频器的移频量作差得到陀螺的转动信号。本发明构造了一个完全互易的谐振式光学陀螺结构，有利于消除系统中的互易性噪声，有利于提高系统线性度和动态范围，有利于减小光学克尔噪声。

Description

基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺

技术领域

本发明涉及光学传感及信号检测领域，尤其涉及一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺。

背景技术

谐振式光学陀螺（Resonator Optic Gyroscope, ROG）是一种基于Sagnac效应实现角速度检测的高精度惯性传感器，它通过检测系统中顺逆时针传输光产生的谐振频差得到物体的旋转角速度。相比于干涉式光学陀螺，谐振式光学陀螺在小型化和集成化上具有较大优势。

采用单路闭环的ROG的检测方案主要通过将激光器的中心频率锁定在其中一路的谐振频率上，另一路直接检测有效信号。采用单路闭环的ROG，通过第一个锁定环路的设计，可部分减小激光器频率噪声及其他互易性噪声，但从整个环路系统看，并不满足系统的互易性设计要求。由于激光器频率噪声和由外界环境变化引起的谐振腔谐振频率的漂移是ROG中最重要的噪声来源，单路闭环的陀螺系统主要通过极窄的低通滤波器达到噪声抑制的要求。然而，过窄的低通滤波器则会大大降低系统的响应速度，不满足陀螺的应用要求，而且单路闭环的ROG输出动态范围和线性度有限。在单路闭环的ROG系统中，当陀螺转动时，两路的光并不都处于谐振点上，导致谐振腔内两路的光功率不同，引入光学克尔噪声。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺。

一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一移频器、第二移频器、第一调制器、第二调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路；可调谐激光器、光学分路器、第一移频器、第一调制器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二移频器、第二调制器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一调制器、第二调制器、第一移频器、第二移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路。可调谐激光器与光学分路器、第一调制器、第一移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二调制器、第二移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、调制器、光学分路器、第一移频器、第二移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路。可调谐激光器与调制器、光学分路器、第一移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一调制移频器、第二调制移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路。可调谐激光器与光学分路器、第一调制移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二调制移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

所述的第一移频器和第二移频器的移频量作差作为陀螺的输出信号。所述的第一调制移频器和第二调制移频器的移频量作差作为陀螺的输出信号。所述的第一移频器和第二移频器为声光移频器或光学相位调制器。所述的第一调制移频器和第二调制移频器为声光移频器或光学相位调制器。所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。所述的光学谐振腔为透射式光学谐振腔或反射式光学谐振腔。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)本发明提供的基于双路闭环锁定技术的ROG系统，对于陀螺目前的主要噪声来说，是完全互易的。

2)本发明提供的基于双路闭环锁定技术的ROG系统，利用在激光器反馈回路加入第一移频器反馈回路，以激光器反馈回路为主，第一移频器反馈回路为辅的原则，实现对外界扰动的快速响应，同时提高锁定精度。

3)本发明提供的基于双路闭环锁定技术的ROG系统，相比单路闭环的谐振式光学陀螺，可以提高更好的线性度和更大的动态范围。

4)本发明提供的基于双路闭环锁定技术的ROG系统，可以使顺逆时针两路光都锁定在谐振频率点上，使谐振腔内的功率完全相同，减小陀螺系统中的光学克尔噪声。

附图说明

图1是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅰ型结构示意图；

图2是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅱ型结构示意图；

图3是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅲ型结构示意图；

图4是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅳ型结构示意图；

图5（a）是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺静止时顺逆时针谐振频率、激光器频率、以及第一移频器移频量和第二移频器移频量的关系示意图；

图5（b）是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺转动时顺逆时针谐振频率、激光器频率、以及第一移频器移频量和第二移频器移频量的关系示意图；

图6是基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺的具体实施示意图；

图中：可调谐激光器1、隔离器2、光学分路器3、第一声光移频器4、第二声光移频器5、第一相位调制器6、第二相位调制器7、第一环形器8、第二环形器9、光学环形谐振腔10、第一光电转换模块11、第二光电转换模块12、第一信号发生器13、第二信号发生器14、第一锁相放大器15、第二锁相放大器16、第一低通滤波器17、第二低通滤波器18、第三低通滤波器19、第一反馈锁定模块20、第二反馈锁定模块21、第三反馈锁定模块22、第一压控振荡器23、第二压控振荡器24，频率计25。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。

如图1所示，基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅰ型包括由可调谐激光器、光学分路器、第一移频器、第二移频器、第一调制器、第二调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路；可调谐激光器、光学分路器、第一移频器、第一调制器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二移频器、第二调制器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

如图2所示，基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅱ型包括由可调谐激光器、光学分路器、第一调制器、第二调制器、第一移频器、第二移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路。可调谐激光器与光学分路器、第一调制器、第一移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二调制器、第二移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

如图3所示，基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅲ型包括由可调谐激光器、调制器、光学分路器、第一移频器、第二移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路。可调谐激光器与调制器、光学分路器、第一移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

所述的第一移频器和第二移频器的移频量作差作为陀螺的输出信号。所述的第一调制移频器和第二调制移频器的移频量作差作为陀螺的输出信号。

如图4所示，基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺Ⅳ型包括由可调谐激光器、光学分路器、第一调制移频器、第二调制移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路。可调谐激光器与光学分路器、第一调制移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二调制移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连，第一调制移频器和第二调制移频器的移频量作差得到陀螺的转动信号。

所述的第一移频器和第二移频器为声光移频器或光学相位调制器。所述的第一调制移频器和第二调制移频器为声光移频器或光学相位调制器。所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。所述的光学谐振腔为透射式光学谐振腔或反射式光学谐振腔。

可调谐激光器发出的光由光学分路器分成两路，经过移频器和调制器等光学器件后进入光学谐振腔，在光学谐振腔内传输的顺逆时针的两束光将带有转动信息的信号以光学频率差的形式输出到光电转换模块；光电转换模块将敏感得到的顺逆时针的光学信号转换为电学信号，并输出到后端的调制解调模块中；调制解调模块，主要分为调制和解调两部分，调制部分产生调制信号用于光学系统中调制器的光信号调制，并提供解调所需的同步信号，解调部分将光电转换模块输出的频率差信号通过解调转化为电压差信号，实现陀螺信号的提取，并输出到反馈锁定模块；反馈锁定模块完成对顺逆时针两个光路解调输出信号的伺服反馈控制，由调制解调模块提取的第一路信号经过第一反馈锁定模块和第二反馈锁定模块分别改变激光器和第一移频器的移频量，由调制解调模块提取的第二路信号经过第三个反馈锁定模块改变第二移频器的移频量；通过控制激光器频率控制回路的环路总增益远大于第一移频器频率控制回路的环路总增益的条件下，激光器频率控制回路作为主控制回路，用于跟踪光学谐振腔第一路信号的谐振频率，第一移频器频率控制回路作为辅控制回路，用于跟踪环路噪声，实现对外界扰动的快速响应；第二个移频器频率控制回路，用于跟踪谐振腔第二路信号的谐振频率，同时跟踪环路噪声，当第一移频器频率控制回路和第二移频器频率控制回路的环路参数互易的情况下，第一移频器和第二移频器跟踪出完全相同的环路噪声；通过对顺逆时针光路的第一移频器和第二移频器的移频量作差，不仅得到了陀螺的转动信号，还进一步消除了顺逆时针两个环路中的互易性噪声。

相比于传统的基于单路闭环的谐振式光学陀螺，通过引入第二反馈锁定模块和第二反馈锁定模块的基于双路闭环的谐振式光学陀螺，构建了更加互易的陀螺结构，进一步消除了存在陀螺中的互易性噪声，获得了更好的线性度和更大的动态范围，减小了由光功率分配不均引入的光学克尔噪声。

如图5（a）所示，给出了基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺静止时顺逆时针谐振频率、激光器频率、以及第一移频器移频量和第二移频器移频量的关系示意图；当陀螺静止时，激光器的输出中心频率f _Laser锁定在第一路信号的谐振频率f _CCW上，第一移频器的移频量f _VCO1和第二移频器的移频量f _VCO2都为零，第二路信号的谐振频率f _CW等于第一路信号的谐振频率f _CCW。

如图5（b）所示，给出了基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺转动时顺逆时针谐振频率、激光器频率、以及第一移频器移频量和第二移频器移频量的关系示意图；当陀螺转动时，激光器的输出中心频率f _Laser锁定在第一路信号的谐振频率f _CCW上，激光器频率控制回路的环路总增益远大于第一移频器频率控制回路的环路总增益，第一移频器的移频量f _VCO1等效为零，第二移频器的移频量f _VCO2为就是陀螺信号的转动输出f _Ω，第二路信号的谐振频率f _CW等于第一路信号的谐振频率f _CCW与第二移频器的移频量f _VCO2之和。

如图6所示，给出了采用声光移频器作为移频器，相位调制器作为调制器，反射式谐振腔作为核心敏感部件的双路闭环谐振式光学陀螺的具体实施案例。

Claims

1.一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于包括由可调谐激光器、光学分路器、第一移频器、第二移频器、第一调制器、第二调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路；可调谐激光器、光学分路器、第一移频器、第一调制器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二移频器、第二调制器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

2.一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于包括由可调谐激光器、光学分路器、第一调制器、第二调制器、第一移频器、第二移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路，可调谐激光器与光学分路器、第一调制器、第一移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二调制器、第二移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

3.一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于包括由可调谐激光器、调制器、光学分路器、第一移频器、第二移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路，可调谐激光器与调制器、光学分路器、第一移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二移频器顺次相连。

4.一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于包括由可调谐激光器、光学分路器、第一调制移频器、第二调制移频器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，以及由调制解调模块、第一反馈锁定模块、第二反馈锁定模块和第三反馈锁定模块构成的处理电路，可调谐激光器与光学分路器、第一调制移频器、光学谐振腔、光电转换模块、调制解调模块、第一反馈锁定模块顺次相连，第一反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二调制移频器、光学谐振腔顺次相连，调制解调模块与第二反馈锁定模块、第一调制移频器顺次相连，调制解调模块与第三反馈锁定模块、第二调制移频器顺次相连。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的第一移频器和第二移频器的移频量作差作为陀螺的输出信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的第一调制移频器和第二调制移频器的移频量作差作为陀螺的输出信号。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的第一移频器和第二移频器为声光移频器或光学相位调制器。

8.根据权利要求4所述的一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的第一调制移频器和第二调制移频器为声光移频器或光学相位调制器。

9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。

10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于双路闭环锁定技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的光学谐振腔的结构为透射式光学谐振腔或反射式光学谐振腔。