CN102519445A

CN102519445A - 基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺

Info

Publication number: CN102519445A
Application number: CN2011104020462A
Authority: CN
Inventors: 马慧莲; 卢霄; 俞旭辉; 金仲和
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN102519445B

Abstract

本发明公开了一种基于数字相位斜波移频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、两个相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，由两个解调模块、两个调制信号发生器模块、移频反馈控制模块、反馈锁定模块构成的处理电路；由第一解调模块提取的第一路信号经反馈锁定模块控制调节可调谐激光器的中心频率，第二解调模块提取的第二路信号经移频反馈控制模块进行第二路频率锁定；移频反馈控制模块的输出作为陀螺的转动输出。本发明构造了一种谐振式光学陀螺结构，其第二闭环采用数字相位斜波移频技术，有利于系统的小型化和集成化，有利于提高系统的线性度和动态范围，有利于减小系统中的互易性噪声。

Description

基于数字相位斜波移频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，尤其涉及一种基于数字相位斜波移频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效应的高精度的新型角速度传感器，其敏感器件光学环形谐振腔可以采用很短的光纤或集成光学的方法来实现，因而在小型化和集成化上具有较大优势。在谐振式光学陀螺中，通过检测谐振腔顺时针和逆时针光路的谐振频率差得到陀螺转动角速率。

为提高陀螺的动态范围和标度因素的线性度，ROG通常需要采用双路闭环控制技术。第一闭环通常是通过反馈控制激光器输出光的中心频率，使激光器中心频率跟踪锁定到谐振腔其中一个方向光波的谐振频率上。第二闭环需要在第二环路中增加一个移频器，传统的用于移频的声光移频器，由于体积较大，不易于ROG的小型化和集成化。利用施加在相位调制器上的相位斜波技术等效移频可以实现第二闭环。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺。

基于数字相位斜波移频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、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，由第一解调模块、第二解调模块、第一调制信号发生器模块、第二调制信号发生器模块、移频反馈控制模块、反馈锁定模块构成的处理电路；可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块、第一解调模块、反馈锁定模块顺次相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连，光学分路器与第二相位调制器、光学谐振腔顺次相连，第一调制信号发生器模块与第一解调模块相连，第一调制信号发生器与第一相位调制器相连，光电转换模块和第二解调模块、移频反馈控制模块、第二调制信号发生器模块、第二相位调制器顺次相连，第二调制信号发生器模块和第二解调模块相连；可调谐激光器发出的光由光学分路器分成两路，经过相位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，并输出到后端的解调模块中；信号发生器模块产生调制信号用于光学系统中相位调制器的光信号调制，并提供解调所需的同步信号；解调模块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和移频反馈控制模块，实现对顺逆时针两个光路解调输出信号的伺服反馈控制；移频反馈控制模块输出的信号反映了陀螺的转动角速度。

所述的移频反馈控制模块包括调制信号发生器模块、信号处理模块、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器；调制信号发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器顺次相连，信号处理模块、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块顺次相连；调制信号发生器模块产生初始的调制信号，信号处理模块用于处理陀螺的两路解调信号，产生控制移频锯齿波台阶高度的控制信号，输入到台阶高度控制模块改变移频数字锯齿波波形；调制信号和移频数字锯齿波相加后通过DA输出到相位调制器对光信号进行相位调制。

所述的移频反馈控制模块包括调制信号发生器模块、信号处理模块、分频控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器组成；调制信号发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器顺次相连，信号处理模块、分频控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块顺次相连；调制信号发生器模块产生初始的调制信号，信号处理模块用于处理陀螺的两路解调信号，产生控制移频锯齿波台阶持续时间的控制信号，输入到分频控制模块改变移频数字锯齿波波形；调制信号和移频数字锯齿波相加后通过DA输出到相位调制器对光信号进行相位调制。

所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。所述的光学谐振腔的结构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)本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，对于陀螺目前的主要噪声来说，是完全互易的。

2)本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，相比单路闭环的谐振式光学陀螺，可以提供更好的线性度和更大的动态范围。

3) 本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的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。

4) 本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，相比于传统的用于移频的声光移频器，更易于ROG的小型化和集成化。

附图说明

图1是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺结构示意图；

图2（a）是基于数字相位斜波移频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、以及第二闭环移频量的关系示意图；

图2（b）是基于数字相位斜波移频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、以及第二闭环移频量的关系示意图；

图3是采用数字相位斜波移频技术的移频反馈控制模块Ⅰ型结构示意图；

图4是采用数字相位斜波移频技术的移频反馈控制模块Ⅱ型结构示意图；

图5（a）是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺移频数字锯齿波波形示意图；

图5（b）是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶持续时间不变时，台阶高度与移频数字锯齿波波形关系示意图；

图5（c）是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶高度不变时，台阶持续时间和移频数字锯齿波波形关系示意图。

具体实施方式

下面结合实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，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，由第一解调模块、第二解调模块、第一调制信号发生器模块、第二调制信号发生器模块、移频反馈控制模块、反馈锁定模块构成的处理电路；可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块、第一解调模块、反馈锁定模块顺次相连，反馈锁定模块与激光器相连，光学分路器与第二相位调制器、光学谐振腔顺次相连，第一调制信号发生器模块与第一解调模块相连，第一调制信号发生器与第一相位调制器相连，光电转换模块和第二解调模块、移频反馈控制模块、第二调制信号发生器模块、第二相位调制器顺次相连，第二调制信号发生器模块和第二解调模块相连。

所述的移频反馈控制模块的输出作为陀螺的输出信号。所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。所述的光学谐振腔的结构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，经过相位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，并输出到后端的解调模块中；信号发生器模块产生调制信号用于光学系统中相位调制器的光信号调制，并提供解调所需的同步信号；解调模块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和移频反馈控制模块，实现对顺逆时针两个光路解调输出信号的伺服反馈控制，由第一解调模块提取的第一路信号经过反馈锁定模块控制调节激光器的中心频率，由第二解调模块提取的第二路信号经过移频反馈控制模块产生移频数字锯齿波，与信号发生器模块产生的调制信号相加后施加在相位调制器上，实现第二环路的频率锁定；移频反馈控制模块输出的信号反映了陀螺的转动角速度。

相比于传统的基于单路闭环的谐振式光学陀螺，通过引入第二反馈控制环路的基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，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。相比于传统的用于移频的声光移频器，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺更易于小型化和集成化。

如图2（a）所示，给出了基于数字相位斜波移频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、以及第二闭环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，第二闭环移频量f _S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2（b）所示，给出了基于数字相位斜波移频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、以及第二闭环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，第二闭环移频量f _S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与第二闭环移频量f _S之和。

如图3所示，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的移频反馈控制模块包括调制信号发生器模块、信号处理模块、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器；调制信号发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器顺次相连，信号处理模块、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块顺次相连。

所述的信号处理模块的输入端为陀螺的两路解调信号。调制信号发生器模块产生初始的调制信号；信号处理模块用于处理两路解调信号，产生控制移频锯齿波台阶高度的控制信号，输入到台阶高度控制模块改变移频数字锯齿波波形；调制信号和移频数字锯齿波相加后通过DA输出到相位调制器对光信号进行相位调制。

如图4所示，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的移频反馈控制模块包括调制信号发生器模块、信号处理模块、分频控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器；调制信号发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器顺次相连，信号处理模块、分频控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块顺次相连。

所述的信号处理模块的输入端为陀螺的两路解调信号。调制信号发生器模块产生初始的调制信号；信号处理模块用于处理两路解调信号，产生控制移频锯齿波台阶持续时间的控制信号，输入到分频控制模块改变移频数字锯齿波波形；调制信号和移频数字锯齿波相加后通过DA输出到相位调制器对光信号进行相位调制。

如图5（a）所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的移频数字锯齿波波形示意图；τ为数字锯齿波台阶持续时间，ΔV为台阶高度，锯齿波幅度2V为相位调制器复位电压，对相位调制器施加锯齿波进行调相可以等效为对光的一个移频，锯齿波的斜率大小即是移频量的大小，它可通过改变台阶高度和台阶持续时间两种方式实现。

如图5（b）所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶持续时间不变时，台阶高度与移频数字锯齿波波形关系示意图；在台阶持续时间τ不变时，台阶高度ΔV越大移频数字锯齿波斜率越大；陀螺系统中将CW和CCW两路解调信号经过信号处理模块进行比较，若CW路解调信号大，则降低台阶高度，减少第二闭环激光器移频量；若CCW路解调信号大，则增加台阶高度，增加第二闭环激光器移频量。

如图5（c）所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶高度不变时，台阶持续时间和移频数字锯齿波波形关系示意图；在台阶高度ΔV不变时，台阶持续时间τ越小移频数字锯齿波斜率越大；陀螺系统中将CW和CCW两路解调信号经过信号处理模块进行比较，若CW路解调信号大，则增加台阶持续时间，减少第二闭环激光器移频量；若CCW路解调信号大，则减少台阶持续时间，增加第二闭环激光器移频量。

Claims

1. 一种基于数字相位斜波移频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、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统，由第一解调模块、第二解调模块、第一调制信号发生器模块、第二调制信号发生器模块、移频反馈控制模块、反馈锁定模块构成的处理电路；可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块、第一解调模块、反馈锁定模块顺次相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连，光学分路器与第二相位调制器、光学谐振腔顺次相连，第一调制信号发生器模块与第一解调模块相连，第一调制信号发生器与第一相位调制器相连，光电转换模块和第二解调模块、移频反馈控制模块、第二调制信号发生器模块、第二相位调制器顺次相连，第二调制信号发生器模块和第二解调模块相连；可调谐激光器发出的光由光学分路器分成两路，经过相位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，并输出到后端的解调模块中；信号发生器模块产生调制信号用于光学系统中相位调制器的光信号调制，并提供解调所需的同步信号；解调模块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和移频反馈控制模块，实现对顺逆时针两个光路解调输出信号的伺服反馈控制；移频反馈控制模块输出的信号反映了陀螺的转动角速度。

2. 根据权利要求2所述的一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的移频反馈控制模块包括调制信号发生器模块、信号处理模块、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器；调制信号发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器顺次相连，信号处理模块、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块顺次相连；调制信号发生器模块产生初始的调制信号，信号处理模块用于处理陀螺的两路解调信号，产生控制移频锯齿波台阶高度的控制信号，输入到台阶高度控制模块改变移频数字锯齿波波形；调制信号和移频数字锯齿波相加后通过DA输出到相位调制器对光信号进行相位调制。

3. 根据权利要求1所述的一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的移频反馈控制模块包括调制信号发生器模块、信号处理模块、分频控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器；调制信号发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器顺次相连，信号处理模块、分频控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块顺次相连；调制信号发生器模块产生初始的调制信号，信号处理模块用于处理陀螺的两路解调信号，产生控制移频锯齿波台阶持续时间的控制信号，输入到分频控制模块改变移频数字锯齿波波形；调制信号和移频数字锯齿波相加后通过DA输出到相位调制器对光信号进行相位调制。

4. 根据权利要求1所述的一种基于数字相位斜波移频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。

5. 根据权利要求1所述的一种基于数字相位斜波移频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。