CN103115628B - 一种谐振式光学陀螺标度因数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置及方法，装置包括组合信号源模块、光电混合模块和数字信号处理模块，本发明不需要转台即可实现对谐振式光学陀螺标度因数的测试，摆脱了谐振式光学陀螺标度因数测试时对转台的依赖，避免了转台振动对陀螺标度因数的影响，提高了谐振式光学陀螺标度因数的测试精度，与传统标度因数测试方法相比简单易行、操作方便，能够提高谐振式光学陀螺标度因数的测试效率。

Description

一种谐振式光学陀螺标度因数测试方法

技术领域

本发明属于光学陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置及方法。

背景技术

谐振式光学陀螺(ROG)是基于Sagnac（萨格奈克）效应的惯性器件，具有全固态结构、动态范围大、启动时间短、稳定性高、寿命长等优点。ROG根据光学敏感环的不同可以分为谐振式光纤陀螺(RFOG)和谐振式集成光学陀螺(RIOG)：RFOG以光纤环为谐振腔来敏感Sagnac效应产生的谐振频率差，从而实现对旋转角速度的测量；RIOG以集成光学芯片替代光纤环形谐振腔，结合了光学陀螺的工作原理和MEMS加工工艺，更具小型化和批量生产的优势。ROG通过使光在环形谐振腔中多次传播以增强Sagnac效应，与干涉式光纤陀螺(IFOG)相比，具有利用比IFOG短100倍的环形腔实现相同性能的潜在能力，同时，光学敏感环长度的大幅度缩短，大大降低了热致非互易性，使ROG的精度更接近探测器散粒噪声决定的极限灵敏度，具有重要的研究和应用价值。

标度因数定义为陀螺输出数据与输入角速率的比值，陀螺实现对载体角速率的检测必须以标度因数的准确测试为前提条件，标度因数测试误差极大影响陀螺输出精度，因此标度因数是评价陀螺性能的一项重要参数。在传统ROG标度因数的测试方法中，通常将ROG固定在转台上，通过施加不同转速并记录陀螺输出数据来测试ROG的标度因数。这种测试方法需要陀螺固定夹具和转台，测试过程相对繁琐，并且转台的振动对陀螺的测试结果也会产生影响，因此对转台具有一定的参数要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置及方法，适用于谐振式光纤陀螺和谐振式集成光学陀螺，能够避免传统谐振式光学陀螺标度因数测试时必须上转台进行测试的缺点，不仅大大简化了测试流程，而且消除了实际转台测试中转台振动对性能测试的影响。

一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置，包括组合信号源模块、光电混合模块和数字信 号处理模块；

所述组合信号源模块包括信号源A和信号源B；信号源A产生锯齿波信号，通过设定锯齿波参数，模拟陀螺旋转角速度，信号源B产生调制信号，信号源A和信号源B的负电极相连，信号源A的正电极连接光电混合模块内第一调制臂的下电极和第二调制臂的上电极，信号源B的正电极连接光电混合模块内第一调制臂的上电极和第二调制臂的下电极；

所述光电混合模块包括光源、光隔、起偏器、集成光学相位调制器、耦合器A、耦合器B、耦合器C、光学谐振腔、光电探测器A和光电探测器B；光源顺次通过光隔、起偏器与集成光学相位调制器连接，集成光学相位调制器为Y分支结构，集成光学相位调制器包括第一调制臂和第二调制臂，每个调制臂均具有上下两个电极，用于连接调制信号，其中第一调制臂的下电极和第二调制臂的上电极相连，第一调制臂的上电极和第二调制臂的下电极相连；光学谐振腔上集成了耦合器A、耦合器B和耦合器C，其中集成光学相位调制器的第一调制臂与光学谐振腔上的耦合器A相连，集成光学相位调制器的第二调制臂与光学谐振腔上的耦合器B相连，耦合器A和耦合器B又分别和耦合器C相连；

光源发出的光，顺次经过光隔、起偏器后，进入集成光学相位调制器，光经过第一调制臂后为CW光，CW表示顺时针，CW光依次通过耦合器A、耦合器C进入保偏光学谐振腔，在光学谐振腔内传输不同圈数的CW光相干出射，依次通过耦合器C、耦合器B到达光电探测器B；光经过第二调制臂后为CCW光，CCW表示逆时针，CCW光依次通过耦合器B、耦合器C进入保偏光学谐振腔，在光学谐振腔内传输不同圈数的CCW光相干出射，依次通过耦合器C、耦合器A到达光电探测器A；光电探测器A一端与耦合器A相连接，另一端通过数字信号处理模块A与光源相连接，光电探测器B一端与耦合器B相连接，另一端通过数字信号处理电路B与计算机相连接；光电探测器A探测从光学谐振腔出射的CCW光强信号，光电探测器B探测从光学谐振腔出射的CW光强信号；

所述数字信号处理模块包括数字信号处理模块A、数字信号处理模块B和计算机；

数字信号处理模块A由光电探测器A得到的CCW光强信号解调出光源中心频率和CCW光谐振频率之差，并将其反馈于光源，实现光源频率对CCW光谐振频率的跟踪锁定，数字信号处理模块B由光电探测器B得到的CW光强信号解调出光源中心频率与CW光谐振频率之差，并将该差值转换为陀螺角速度信息，上传至计算机；

计算机根据模拟陀螺旋转角速度数值与测量得到的陀螺角速度信息进行最小二乘法拟合，得到陀螺标度因数。

一种谐振式光学陀螺标度因数测试方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：获取信号源A产生的锯齿波参数和模拟旋转角速度之间的关系：

陀螺转动引起的CW光和CCW光的频差Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中：Ω为陀螺旋转角速度，λ为光波长、n为光学谐振腔的折射率、L为光学谐振腔的周长，A为光学谐振腔的面积；

信号源A产生的锯齿波分别反向施加在集成光学相位调制器的第一调制臂和第二调制臂，所以CW光和CCW光的频差Δf′为：

${\mathrm{\Δf}}^{\′}=\frac{{2V}_{\mathrm{pp}}}{V_{2\mathrm{\π}}}f---\left(2\right)$

其中：V_pp为锯齿波峰峰值，f为锯齿波频率，V_2π为集成光学相位调制器全波电压；

通过对相位调制信号叠加锯齿波的方式来等效模拟陀螺转动产生的频差，令Δf＝Δf′得到锯齿波的参数和陀螺旋转角速度具有如下对应关系：

$\frac{{2V}_{\mathrm{pp}}}{V_{2\mathrm{\π}}}f=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(3\right)$

为了消除锯齿波复位对相位调制的影响，令V_pp＝V_2π得到：

$f=\frac{2A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(4\right)$

由（4）式得到锯齿波频率f和陀螺旋转角速度Ω的线性关系，从而通过固定锯齿波电压，改变锯齿波频率的方式来模拟不同旋转角速度；

步骤二：令信号源A输出OV偏置直流电压，模拟陀螺静止状态，通过信号源B对集成光学相位调制器的第一调制臂和第二调制臂同时施加调制信号，由光电探测器A得到的CCW光强信号经数字信号处理模块A解调出光源中心频率和CCW光谐振频率之差，并将其反馈于光源实现光源频率对CCW光频率的跟踪锁定；

步骤三：令信号源A输出锯齿波电压V_pp＝V_2π，根据步骤一中的（4）式调节锯齿波频率f，从而模拟陀螺不同旋转角速度，由光电探测器B得到的CW光强信号经数字信号处理模块B解调出陀螺输出数据，并将该数据传给计算机输出，记录不同模拟旋转角速度条件下的陀螺输出数据；

步骤四：根据步骤三中记录的模拟旋转角速度和对应的陀螺输出数据进行最小二乘法拟合，得到陀螺标度因数。

本发明的优点在于：

（1）本发明提出了一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置及方法，不需要转台即可实现对谐振式光学陀螺标度因数的测试，摆脱了谐振式光学陀螺标度因数测试时对转台的依赖；

（2）本发明提出了一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置及方法，避免了转台振动对陀螺标度因数的影响，提高了谐振式光学陀螺标度因数的测试精度；

（3）本发明提出了一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置及方法，与传统标度因数测试方法相比简单易行、操作方便，能够提高谐振式光学陀螺标度因数的测试效率。

附图说明

图1：本发明提出一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置的结构示意图；

图2：本发明提出一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置的结构示意图；

图3：本发明提出一种谐振式光学陀螺标度因数测试方法的流程示意图。

图中：

1-组合信号源模块              2-光电混合模块             3-数字信号处理模块

101-信号源A                   102-信号源B

201-光源                      202-光隔                   203-起偏器

204-集成光学相位调制器        205-耦合器A                206-耦合器B

207-耦合器C                   208-光学谐振腔             209-光电探测器A

210-光电探测器B

301-数字信号处理模块A         302-数字信号处理模块B      303-计算机

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种谐振式光学陀螺标度因数测试装置，如图1所示，包括组合信号源模块1、光电混合模块2和数字信号处理模块3；

如图2所示，所述组合信号源模块1包括信号源A101和信号源B102；

信号源A101产生锯齿波信号，信号源B102产生调制信号，信号源A101和信号源B102串联，两个信号源的负电极相连，信号源A101的正电极连接光电混合模块2内第一调制臂的下电极和第二调制臂的上电极，信号源B102的正电极连接光电混合模块2内第一调制臂的上电极和第二调制臂的下电极。

组合信号源模块功能为：1）对光路信号进行相位调制以利于信号检测并提高陀螺灵敏度；2）对光路信号进行锯齿波调制以模拟旋转角速度引入的频差。

所述光电混合模块2包括光源201、光隔202、起偏器203、集成光学相位调制器204、耦合器A205、耦合器B206、耦合器C207、光学谐振腔208、光电探测器A209和光电探测器B210；

光源201顺次通过光隔202、起偏器203与集成光学相位调制器204连接，集成光学相位调制器204为Y分支结构，集成光学相位调制器204包括第一调制臂和第二调制臂，每个调制臂均具有上下两个电极，用于连接调制信号，其中第一调制臂的下电极和第二调制臂的上电极相连，第一调制臂的上电极和第二调制臂的下电极相连。

光学谐振腔208用于增强陀螺旋转引起的Sagnac效应，光学谐振腔208上集成了耦合器A205、耦合器B206和耦合器C207，其中集成光学相位调制器204的第一调制臂与光学谐振腔208上的耦合器A205相连，集成光学相位调制器204的第二调制臂与光学谐振腔208上的耦合器B206相连，耦合器A205和耦合器B206又分别和耦合器C207相连。

耦合器A205、耦合器B206、耦合器C207的功能为：1）经集成光学相位调制器204第一调制臂后的顺时针（CW）光由耦合器A205到达耦合器C207的输入端口，然后通过耦合器C207进入保偏光学谐振腔208，在光学谐振腔208内传输不同圈数的光相干出射后，再次通过耦合器C207到达耦合器B206，最后经耦合器B206到达光电探测器B210；2）经集成光学调制器204第二调制臂的逆时针（CCW）光由耦合器B206到达耦合器C207的输入端口，然后通过耦合器C207进入保偏光学谐振腔208，在光学谐振腔208内传输不同圈数的光相干出射后，再次通过耦合器C207到达耦合器A205，最后经耦合器A205到达光电探测器A209。

光电探测器A209一端与耦合器A205相连接，另一端通过数字信号处理模块A301与光源201相连接，光电探测器A209用于探测从光学谐振腔208出射的CCW光强信号；光电探测器B210一端与耦合器B206相连接，另一端通过数字信号处理电路B302与计算机303相连接，光电探测器B210用于探测从光学谐振腔208出射的CW光强信号。陀螺旋转时从光学谐振腔208出射的CW光和CCW光具有不同的谐振频率，CW和CCW光的谐振频率差正比于陀螺旋转角速度，通过光电探测器A209和光电探测器B210探测CW和CCW光的谐振频率差即可获得载体角速度。

所述数字信号处理模块3包括数字信号处理模块A301、数字信号处理模块B302和计算机303；

所述数字信号处理模块3具有如下两种功能：1）数字信号处理模块A301由光电探测器A209得到的CCW光强信号解调出光源201中心频率和CCW光谐振频率之差，并将其反馈于光源201，实现光源201频率对CCW光谐振频率的跟踪锁定；2）数字信号处理模块B302由光电探测器B210得到的CW光强信号解调出光源201中心频率与CW光谐振频率之差，并将该差值转换为陀螺角速度信息，上传至计算机303。

本发明提出一种谐振式光学陀螺标度因数测试方法，如图3所示，具体包括以下几个步骤：

步骤一：获取信号源A101产生的锯齿波参数和模拟旋转角速度之间的关系：

陀螺转动引起的CW光和CCW光的频差Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中：Ω为陀螺旋转角速度，λ为光波长、n为光学谐振腔208的折射率、L为光学谐振腔208的周长，A为光学谐振腔208的面积。

由于信号源A101产生的锯齿波分别反向施加在集成光学相位调制器204的第一调制臂和第二调制臂上，因此引起的CW光和CCW光的频差Δf′为：

$\mathrm{\Δ}{f}^{\′}=\frac{{2V}_{\mathrm{pp}}}{V_{2\mathrm{\π}}}f---\left(2\right)$

其中：V_pp为锯齿波峰峰值，f为锯齿波频率，V_2π为集成光学相位调制器204全波电压。

通过对相位调制信号叠加锯齿波的方式来等效模拟陀螺转动产生的频差，令Δf＝Δf′得到锯齿波的参数和陀螺旋转角速度具有如下对应关系：

$\frac{{2V}_{\mathrm{pp}}}{V_{2\mathrm{\π}}}f=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(3\right)$

为了消除锯齿波复位对相位调制的影响，令V_pp＝V_2π得到：

$f=\frac{2A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(4\right)$

由（4）式可以计算得到锯齿波频率f和陀螺旋转角速度Ω的线性关系，从而可以通过固定锯齿波电压，改变锯齿波频率的方式来模拟不同旋转角速度。

步骤二：令信号源A101输出0V偏置直流电压，模拟陀螺静止状态，通过信号源B102对集成光学相位调制器204的第一调制臂和第二调制臂同时施加调制信号，由光电探测器A209得到的CCW光强信号经数字信号处理模块A301解调出光源201中心频率和CCW光谐振频率之差，并将其反馈于光源201实现光源201频率对CCW光频率的跟踪锁定；

步骤三：令信号源A101输出锯齿波电压V_pp＝V_2π，根据步骤一中的（4）式调节锯齿波频率f，从而模拟陀螺不同旋转角速度，由光电探测器B210得到的CW光强信号经数字信号处理模块B302解调出陀螺输出数据，并将该数据传给计算机输出，记录不同模拟旋转角速度条件下的陀螺输出数据。

步骤四：根据步骤三中记录的模拟旋转角速度和对应的陀螺输出数据进行最小二乘法拟合，得到陀螺标度因数。

Claims (1)

1.一种谐振式光学陀螺标度因数测试方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：获取信号源A产生的锯齿波参数和模拟旋转角速度之间的关系：

陀螺转动引起的CW光和CCW光的频差Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

其中：Ω为陀螺旋转角速度，λ为光波长、n为光学谐振腔的折射率、L为光学谐振腔的周长，A为光学谐振腔的面积；

信号源A产生的锯齿波分别反向施加在集成光学相位调制器的第一调制臂和第二调制臂，所以CW光和CCW光的频差Δf′为：

$\mathrm{\Δ}{f}^{\′}=\frac{2V_{\mathrm{pp}}}{V_{2\mathrm{\π}}}f---\left(2\right)$

其中：V_pp为锯齿波峰峰值，f为锯齿波频率，V_2π为集成光学相位调制器全波电压；

通过对相位调制信号叠加锯齿波的方式来等效模拟陀螺转动产生的频差，令Δf＝Δf'得到锯齿波的参数和陀螺旋转角速度具有如下对应关系：

$\frac{2V_{\mathrm{pp}}}{V_{2\mathrm{\π}}}f=\frac{4A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(3\right)$

为了消除锯齿波复位对相位调制的影响，令V_pp＝V_2π得到：

$f=\frac{2A}{\mathrm{n\λL}}\mathrm{\Ω}---\left(4\right)$

由(4)式得到锯齿波频率f和陀螺旋转角速度Ω的线性关系，从而通过固定锯齿波电压，改变锯齿波频率的方式来模拟不同旋转角速度；

步骤二：令信号源A输出0V偏置直流电压，模拟陀螺静止状态，通过信号源B对集成光学相位调制器的第一调制臂和第二调制臂同时施加调制信号，由光电探测器A得到的CCW光强信号经数字信号处理模块A解调出光源中心频率和CCW光谐振频率之差，并将其反馈于光源实现光源频率对CCW光频率的跟踪锁定；

步骤三：令信号源A输出锯齿波电压V_pp＝V_2π，根据步骤一中的(4)式调节锯齿波频率f，从而模拟陀螺不同旋转角速度，由光电探测器B得到的CW光强信号经数字信号处理模块B解调出陀螺输出数据，并将该数据传给计算机输出，记录不同模拟旋转角速度条件下的陀螺输出数据；

步骤四：根据步骤三中记录的模拟旋转角速度和对应的陀螺输出数据进行最小二乘法拟合，得到陀螺标度因数。