CN102506847A - 一种谐振式光纤陀螺 - Google Patents

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冯丽爽
雷明
马迎建
唐瑶
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张仰成
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Abstract

本发明实施例公开了一种谐振式光纤陀螺。所述谐振式光纤陀螺包括光电混合模块、温度和驱动电流控制模块、数据处理输出模块，其中所述光电混合模块包括半导体激光器、集成光学相位调制器、第一探测器、第二探测器、第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、第三保偏光纤耦合器和光纤环形谐振腔；所述温度和驱动电流控制模块包括电流控制电路和温度控制电路；所述半导体激光器的输出端和所述集成光学相位调制器的输入端相连，由该半导体激光器作为光源。上述光纤陀螺采用体积小、成本低、线宽窄、可调谐的半导体激光器作为陀螺光源，从而满足了光纤陀螺小型化的要求，提高了谐振式光纤陀螺的性能和实用性。

Description

一种谐振式光纤陀螺
技术领域
本发明涉及光学陀螺仪表技术领域，尤其涉及一种谐振式光纤陀螺。
背景技术
目前，在光学陀螺仪表技术领域中，谐振式光纤陀螺(R-FOG)是一种高精度的惯性传感器件，它He-Ne环形激光陀螺(RLG)不同的是，谐振式光纤陀螺的环形谐振腔内没有增益介质，因而没有RLG中的闭锁问题；与微机电(MEMS)陀螺相比，由于不存在转动部件，R-FOG能更为有效地降低震动、冲击等环境因素对陀螺性能的影响；与干涉式光纤陀螺(I-FOG)相比，谐振式光纤陀螺要达到相同的精度，理论上所需的光纤长度要短得多，在实现系统的高精度和小型化方面优势明显。
但现有技术方案中，谐振式光纤陀螺对光源的要求非常特殊，需要具有高相干、窄线宽、波长可调谐等特点，所以一般都选用体积庞大、价格昂贵的光纤激光器，这对R-FOG的小型化和实用化来说是一种阻碍，从而影响了谐振式光纤陀螺R-FOG的性能和实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐振式光纤陀螺，其采用体积小、成本低、线宽窄、可调谐的半导体激光器作为陀螺光源，从而满足了光纤陀螺小型化的要求，提高了谐振式光纤陀螺的性能和实用性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种谐振式光纤陀螺，所述谐振式光纤陀螺包括光电混合模块、温度和驱动电流控制模块、数据处理输出模块，其中：
所述光电混合模块包括半导体激光器、集成光学相位调制器、第一探测器、第二探测器、第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、第三保偏光纤耦合器和光纤环形谐振腔；所述温度和驱动电流控制模块包括电流控制电路和温度控制电路；
所述半导体激光器的输出端和所述集成光学相位调制器的输入端相连，由该半导体激光器作为光源，所述集成光学相位调制器的调制电极接口与调制信号发生电路产生的调制信号相连；
集成光学相位调制器的两路光路输出端分别与所述第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器的输入端相连，所述第一保偏光纤耦合器和所述第二保偏光纤耦合器的直通输出端口分别与所述第三保偏光纤耦合器的两路输入端口相连，所述第三保偏光纤耦合器的两路输出端口与所述光纤环形谐振腔相连；
顺逆时针谐振信号经所述第三保偏光纤耦合器耦合输出至所述第一探测器和第二探测器，所述第二探测器的输出与所述电流控制电路相连，该电流控制电路与所述光源端口相连，根据调制后输出的光强信号解调出光源频率与谐振频率的偏差大小。
所述谐振式光纤陀螺进一步通过调节驱动电流对所述光源中心频率进行反馈跟踪控制，同时所述的温度控制电路与所述光源端口相连，对所述光源进行恒温控制；
所述第一探测器的输出与所述数据处理输出模块中的陀螺数据输出控制电路相连，并根据输出的光强信号进行实时数据解调，输出载体旋转角速度信息。
所述通过调节驱动电流对所述光源中心频率进行反馈跟踪控制，具体包括：
通过减小或增大所述光源的驱动电流实现光源扫频，扫频过程中驱动电流的线性增大/减小使出射光功率线性增大/减小，引起探测器输出电压信号的线性增大/减小；
再通过对驱动电压信号调幅值、调偏置以产生线性参考电压信号；
由所述探测器输出电压信号减去所述线性参考电压信号获得入谷判断信号，通过入谷判断信号与电阻分压产生的入谷参考电压的比较，判断光源中心频率是否被调谐到谐振腔谐振谷中；
如果未入谷，则继续光源扫频，如果入谷则反馈控制所述光源的驱动电流以实现光源中心频率对谐振中心频率点的跟踪控制。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述谐振式光纤陀螺包括光电混合模块、温度和驱动电流控制模块、数据处理输出模块，其中所述光电混合模块包括半导体激光器、集成光学相位调制器、第一探测器、第二探测器、第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、第三保偏光纤耦合器和光纤环形谐振腔；所述温度和驱动电流控制模块包括电流控制电路和温度控制电路；所述半导体激光器的输出端和所述集成光学相位调制器的输入端相连，由该半导体激光器作为光源。上述光纤陀螺采用体积小、成本低、线宽窄、可调谐的半导体激光器作为陀螺光源，从而满足了光纤陀螺小型化的要求，提高了谐振式光纤陀螺的性能和实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的谐振式光纤陀螺的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的谐振式光纤陀螺控制方案的方框示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的谐振式光纤陀螺的结构示意图，所述谐振式光纤陀螺包括光电混合模块、温度和驱动电流控制模块、数据处理输出模块，其中：
所述光电混合模块包括半导体激光器(1)、集成光学相位调制器(3)、第一探测器(5)、第二探测器(6)、第一保偏光纤耦合器(9)、第二保偏光纤耦合器(10)、第三保偏光纤耦合器(11)、光纤环形谐振腔(12)；所述温度和驱动电流控制模块包括电流控制电路(4)和温度控制电路(2)；数据处理输出模块包括陀螺数据输出控制电路(8)，具体连接关系为：
半导体激光器(1)的输出端和集成光学相位调制器(3)的输入端相连，由该半导体激光器(1)作为光源，集成光学相位调制器(3)的调制电极接口与调制信号发生电路(7)产生的调制信号相连。
集成光学相位调制器的两路光路输出端分别与第一保偏光纤耦合器(9)和第二保偏光纤耦合器(10)的输入端相连，第一保偏光纤耦合器(9)和第二保偏光纤耦合器(10)的直通输出端口分别与第三保偏光纤耦合器(11)的两路输入端口相连，第三保偏光纤耦合器(11)的两路输出端口与光纤环形谐振腔(12)相连；
顺逆时针谐振信号经第三保偏光纤耦合器(11)耦合输出至第一探测器(5)和第二探测器(6)，第二探测器(6)的输出与温度和驱动电流控制模块的电流控制电路(4)相连，电流控制电路(4)与图1中的光源b端口相连，根据调制后输出的光强信号解调出光源频率与谐振频率的偏差大小。
另外，所述谐振式光纤陀螺还可以进一步通过调节驱动电流对光源中心频率进行反馈跟踪控制，同时温度控制电路(2)与图1中的光源a端口相连，对光源进行恒温控制；第一探测器(5)的输出与陀螺数据输出控制电路(8)相连，根据输出的光强信号进行实时数据解调，输出载体旋转角速度信息。
在具体实现过程中，上述通过调节驱动电流对所述光源中心频率进行反馈跟踪控制，具体过程包括：
首先，通过减小或增大所述光源的驱动电流实现光源扫频，具体就是：FPGA输出经DA转换、电压放大产生线性增大/减小的驱动电压信号，驱动电压信号一方面经光源驱动电路产生线性增大/减小的驱动电流信号实现光源扫频，扫频过程中驱动电流的线性增大/减小使出射光功率线性增大/减小，引起探测器输出电压信号的线性增大/减小；
通过对驱动电压信号调幅值、调偏置以产生线性参考电压信号；
然后用探测器输出电压信号减去所述线性参考电压信号获得入谷判断信号，最后通过入谷判断信号与电阻分压产生的入谷参考电压(一般设置成0V左右)的比较，判断光源中心频率是否被调谐到谐振腔谐振谷中；
如果未入谷，则继续光源扫频，如果入谷则反馈控制所述光源的驱动电流以实现光源中心频率对谐振中心频率点的跟踪和锁定。
以具体的方框示意图来进行说明，如图2所示为本发明实施例所提供的谐振式光纤陀螺控制方案的方框示意图，图2中包括入谷判断方案、光源驱动方案和反馈跟踪控制方案，具体来说：
光源驱动方案：FPGA发生数字扫频信号并控制DA1进行模数转化产生驱动电压信号，然后经放大处理后进入压控电流源产生驱动电流信号构成光源驱动电路；
入谷判断方案：首先FPGA输出经DA转换、电压放大产生线性增大/减小的驱动电压信号，驱动电压信号一方面经光源驱动电路产生线性增大/减小的驱动电流信号实现光源扫频，扫频过程中驱动电流的线性增大/减小使出射光功率线性增大/减小，引起探测器输出电压信号的线性增大/减小；另一方面通过对驱动电压信号调幅值、调偏置以产生线性参考电压信号，然后用探测器输出电压信号减去所述线性参考电压信号获得入谷判断信号，最后通过入谷判断信号与电阻分压产生的入谷参考电压(一般设置成0V左右)的比较，判断光源中心频率是否被调谐到谐振腔谐振谷中；
反馈跟踪控制过程如下：第一路探测器输出方波经信号调理后进入AD进行模数转换产生数字信号，在FPGA内部首先进行数字滤波滤除高频分量，然后进行信号解调以获得光源输出频率对谐振频率的偏移量，一旦入谷信号到达，则启动PI控制器并根据解调出的频率偏移量对光源驱动电流进行调谐，最终使光源输出频率跟踪锁定到该光路的谐振频率点完成反馈跟踪控制。
由此可见，上述技术方案所提供的谐振式光纤陀螺采用半导体激光器来作为光源，而半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称，它不仅像光纤激光器一样高相干、窄线宽、中心波长可调谐，而且具备光纤激光器所没有的体积小、成本低、易于集成等优点，因此本发明实施例满足了光纤陀螺小型化的要求，提高了谐振式光纤陀螺的性能和实用性；同时在控制方案选取上，由于通过调节激光器温度和驱动电流可轻松地实现半导体激光器中心频率的连续调谐，因此采用温度和驱动电流组合控制。
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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述谐振式光纤陀螺包括光电混合模块、温度和驱动电流控制模块、数据处理输出模块，其中：
所述光电混合模块包括半导体激光器、集成光学相位调制器、第一探测器、第二探测器、第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器、第三保偏光纤耦合器和光纤环形谐振腔；所述温度和驱动电流控制模块包括电流控制电路和温度控制电路；数据处理输出模块包括陀螺数据输出控制电路；
所述半导体激光器的输出端和所述集成光学相位调制器的输入端相连，由该半导体激光器作为光源，所述集成光学相位调制器的调制电极接口与调制信号发生电路产生的调制信号相连；
所述集成光学相位调制器的两路光路输出端分别与所述第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器的输入端相连，所述第一保偏光纤耦合器和所述第二保偏光纤耦合器的直通输出端口分别与所述第三保偏光纤耦合器的两路输入端口相连，所述第三保偏光纤耦合器的两路输出端口与所述光纤环形谐振腔相连；
顺逆时针谐振信号经所述第三保偏光纤耦合器耦合输出至所述第一探测器和第二探测器，所述第二探测器的输出与所述电流控制电路相连，该电流控制电路与所述光源端口相连，根据调制后输出的光强信号解调出光源频率与谐振频率的偏差大小。
2.根据权利要求1所述的谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述谐振式光纤陀螺进一步通过调节驱动电流对所述光源中心频率进行反馈跟踪控制，同时所述的温度控制电路与所述光源端口相连，对所述光源进行恒温控制；
所述第一探测器的输出与所述数据处理输出模块中的陀螺数据输出控制电路相连，并根据输出的光强信号进行实时数据解调，输出载体旋转角速度信息。
3.根据权利要求2所述的谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述通过调节驱动电流对所述光源中心频率进行反馈跟踪控制，具体包括：
通过减小或增大所述光源的驱动电流实现光源扫频，扫频过程中驱动电流的线性增大/减小使出射光功率线性增大/减小，引起探测器输出电压信号的线性增大/减小；
再通过对驱动电压信号调幅值、调偏置以产生线性参考电压信号；
由所述探测器输出电压信号减去所述线性参考电压信号获得入谷判断信号，通过入谷判断信号与电阻分压产生的入谷参考电压的比较，判断光源中心频率是否被调谐到谐振腔谐振谷中；
如果未入谷，则继续光源扫频，如果入谷则反馈控制所述光源的驱动电流以实现光源中心频率对谐振中心频率点的跟踪控制。
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