CN103471579A - 一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法 - Google Patents

一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法，它在光载微波陀螺上实现。光载微波陀螺是一个共享同一光纤环路的双向谐振光载微波角速度测量装置。该方法的核心在于利用双向光载微波谐振腔感受萨格纳克效应，其中光载微波谐振腔采用耦合光电振荡器实现了双向全互易光纤光路，有效地消除了谐振腔的非互易性误差。该角速度检测方法具有精度高、易实现、成本低的特点。

Description

一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法
技术领域
本发明属于高精度陀螺技术领域，涉及一种角速度检测技术，尤其涉及一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法。 
背景技术
惯性技术是国防武器装备系统的核心技术之一，对提高部队快速机动能力、实施精确打击、提高自我生存能力具有非常重要的作用。在惯性导航领域，通常采用陀螺仪进行惯性角速度的测量。高精度陀螺仪直接影响了惯性导航系统的导航精度，因此，陀螺的精度指标是国家军工技术水平的重要体现。 
目前实用化的高精度陀螺主要有静电陀螺仪和三浮陀螺仪。静电陀螺仪是迄今为止精度最高的陀螺仪，但是其体积大，核心部件尺寸精度要求非常高，加工难度大，且成本也高。三浮陀螺仪属于机械陀螺，漂移稳定性仅次于静电陀螺仪，但也要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控，因而成本也很高。 
正在原理探索阶段的高精度陀螺主要有冷原子陀螺、核磁共振陀螺以及慢光陀螺。冷原子陀螺仪是基于冷原子干涉仪实现的，具有很大的潜在灵敏度，但是实现难度比较大。低温超导核磁共振陀螺在理论上精度可以超过静电陀螺，但是目前所研制出的样机指标还远远达不到静电陀螺的水平，且具有较高的加工难度和生产成本。对于慢光陀螺，截至到目前还没有见到成功的原理验证实例。 
光学陀螺具有结构紧凑、灵敏度高等特点，目前占据高精度陀螺的大部分市场份额，其检测角速度的原理基于萨格纳克效应。但激光陀螺和光纤陀螺由于系统的互易性误差和漂移误差等自身局限性，精度很难再提高，属于中低精度陀螺领域，难以满足高精度惯导的需要。 
发明内容
本发明的目的在于针对现有陀螺仪检测角速度方法的不足，提供一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法。 
本发明采用的双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法在双向谐振光载微波陀螺上实现，所述双向谐振光载微波陀螺由980nm泵浦激光器、第一980/1550波分复用器、保偏掺铒光纤、第二980/1550波分复用器、控制光引出线、光滤波器、45°旋光镜、偏振分束/合束器、第一电光调制器、第二电光调制器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、差频检测和信号处理电路、光纤环形腔、90°连接器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一微波再生锁模控制电路、第二微波再生锁模控制电路控制电路、第一压控振荡器、第二压控振荡器等部分组成。 
在描述该方法的步骤前，先解释以下几个概念： 
以偏振分束/合束器为分界，整个光载微波陀螺结构分成了环路部分和线型腔部分，且以90°连接器为分界，将环路部分的两段光纤分别记作L1与L2；
光载微波陀螺的线型腔部分的光路具体为：驱动电流控制的激光器输出的光经过第一980/1550波分复用器后送入保偏掺铒光纤放大，然后经过第二980/1550波分复用器将光分成两部分，一部分为控制光，由控制光引出线引出，另一部分为工作光，继续经过光滤波器的滤波选频以及45°旋光镜反射，将偏振态旋转90°，进入偏振分束/合束器的光为两束偏振态正交的工作光（分别记作水平偏振态与垂直偏振态），并在环路部分形成顺时针与逆时针两个方向的谐振环路。
光载微波陀螺顺时针谐振环路具体为：进入偏振分束/合束器的垂直偏振态的光沿顺时针方向（CW）经过第二电光调制器（不调制），再通过第二光耦合器进入光纤环形腔，然后经过90°连接器将偏振方向改变90°，由垂直偏振光变为水平偏振光后经过第一光耦合器分成两束，其中一束经过第一电光调制器调制后重新进入偏振分束/合束器形成顺时针方向的谐振环路；另一束送入第一光电探测器，将光信号转换成微波信号，之后经过第一微波再生锁模控制电路及第一压控振荡器反馈控制第一电光调制器进行顺时针谐振环路的频率锁定。 
光载微波陀螺逆时针谐振环路具体为：进入偏振分束/合束器的水平偏振态的光沿逆时针方向（CCW）经过第一电光调制器（不调制）、第一光耦合器，然后经过90°连接器，将偏振方向改变90°，由水平偏振光变为垂直偏振光后进入光纤环形腔，然后经过第二光耦合器分成两束，其中一束经过第二电光调制器调制后重新进入偏振分束/合束器形成逆时针方向的谐振环路；另一束送入第二光电探测器，将光信号转换成微波信号，之后经过第二微波再生锁模控制电路及第二压控振荡器反馈控制第二电光调制器进行逆时针谐振环路的频率锁定。 
在线型腔部分，顺时针光与逆时针光往返于线型腔的总光程是完全相等的；在可以感受萨格纳克效应的环路部分，顺时针光与逆时针光在同一段光纤中的偏振态是完全相同的，保证了整个环路中的良好的互易性。 
该方法包括以下步骤： 
步骤1：激光器射出的水平偏振光经过第一980/1550波分复用器送入保偏掺铒光纤放大后，再经过光滤波器滤波选频，然后经过45°旋光镜反射变成垂直偏振光，然后再通过光滤波器、第二980/1550波分复用器、保偏掺铒光纤、第一980/1550波分复用器返回，之后进入偏振分束/合束器，并沿顺时针方向依次进入第二电光调制器、第二光耦合器、光纤环形腔，然后经过90°连接器变成水平偏振光，然后通过第一光耦合器进入第一电光调制器进行电光调制后重新送回保偏掺铒光纤放大，形成顺时针方向的谐振环路；激光器射出的垂直偏振光经过第一980/1550波分复用器送入保偏掺铒光纤放大后，再经过光滤波器滤波选频，然后经过45°旋光镜反射变成水平偏振光，然后再通过光滤波器、第二980/1550波分复用器、保偏掺铒光纤、第一980/1550波分复用器返回，之后进入偏振分束/合束器，并沿逆时针方向依次进入第一电光调制器、第一光耦合器，然后经过90°连接器变成垂直偏振光，然后再依次通过光纤环形腔、第二光耦合器，之后进入第二电光调制器进行电光调制后重新送回保偏掺铒光纤放大，形成逆时针方向的谐振环路。
步骤2：光载微波陀螺顺时针谐振环路中的光经过第一光电探测器将光信号转换成微波信号，之后送入第一微波再生锁模控制电路进行锁频控制运算，然后通过第一压控振荡器反馈控制第一电光调制器，从而将顺时针谐振环路的振荡频率锁定；光载微波陀螺逆时针谐振环路中的光经过第二光电探测器将光信号转换成微波信号，之后送入第二微波再生锁模控制电路控制电路进行锁频控制运算，然后通过第二压控振荡器反馈控制第二电光调制器，从而将逆时针谐振环路的振荡频率锁定。 
步骤3：差频检测和信号处理电路检测顺时针谐振环路与逆时针谐振环路的谐振频率差Δf。 
步骤4：通过以下公式，即可获得旋转角速度 ： 
Figure 901558DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，S为环形光路包围的面积，λ为微波振荡中心频率对应的波长，L为环形腔周长。
本发明的有益效果是，本发明结合双向全互易耦合光电振荡器技术和传统谐振光学陀螺技术，采用双向全互易耦合光电振荡器检测角速度。这种方法的巨大优势是在线型腔部分和可以感受萨格纳克效应的环路部分，顺时针与逆时针两个方向的光既满足双向微波谐振，又具有良好的互易性，能够感知Sagnac效应实现高精度的光载微波陀螺。同时，该方法中微波信号的差频检测的精度高，通过放大倍频等多种方法检测频率差，提高了信噪比。本发明提供的角速度检测方法没有运动部件，具有测量精度高、体积小、易实现等特点，可以满足高精度陀螺应用的要求。 
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍； 
图1是本发明采用双向全互易耦合光电振荡器检测角速度的系统原理图；
图2是本发明中双向全互易耦合光电振荡器顺时钟振荡的偏振态变化；
图3是本发明中双向全互易耦合光电振荡器逆时钟振荡的偏振态变化；
图中,980nm泵浦激光器1、第一980/1550波分复用器2、保偏掺铒光纤3、第二980/1550波分复用器4、控制光引出线5、光滤波器6、45°旋光镜7、偏振分束/合束器8、第一电光调制器9、第二电光调制器10、第一光纤耦合器11、第二光纤耦合器12、差频检测和信号处理电路13、光纤环形腔14、90°连接器15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、第一微波再生锁模控制电路18、第二微波再生锁模控制电路控制电路19、第一压控振荡器20、第二压控振荡器21。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更见清楚，下面将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，所述实施例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其他实施例，都属于本发明的保护范围。 
本发明采用的双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法在双向谐振光载微波陀螺上实现。所述双向谐振光载微波陀螺由980nm泵浦激光器1、第一980/1550波分复用器2、保偏掺铒光纤3、第二980/1550波分复用器4、控制光引出线5、光滤波器6、45°旋光镜7、偏振分束/合束器8、第一电光调制器9、第二电光调制器10、第一光纤耦合器11、第二光纤耦合器12、差频检测和信号处理电路13、光纤环形腔14、90°连接器15、第一光电探测器16、第二光电探测器17、第一微波再生锁模控制电路18、第二微波再生锁模控制电路控制电路19、第一压控振荡器20、第二压控振荡器21等部分组成。 
在描述该方法的步骤前，先解释以下几个概念： 
以偏振分束/合束器8为分界，整个光载微波陀螺结构分成了环路部分和线型腔部分，且以90°连接器15为分界，将环路部分的两段光纤分别记作L1与L2。
光载微波陀螺的线型腔部分的光路具体为：驱动电流控制的激光器1输出的光经过第一980/1550波分复用器2后送入保偏掺铒光纤3放大，然后经过第二980/1550波分复用器4将光分成两部分，一部分为控制光，由控制光引出线5引出，另一部分为工作光，继续经过光滤波器6的滤波选频以及45°旋光镜7反射，将偏振态旋转90°，进入偏振分束/合束器8的光为两束偏振态正交的工作光（分别记作水平偏振态与垂直偏振态），并在环路部分形成顺时针与逆时针两个方向的谐振环路。 
光载微波陀螺顺时针谐振环路具体为：进入偏振分束/合束器8的垂直偏振态的光沿顺时针方向（CW）经过第二电光调制器10（不调制），再通过第二光耦合器12进入光纤环形腔14，然后经过90°连接器15将偏振方向改变90°，由垂直偏振光变为水平偏振光后经过第一光耦合器11分成两束，其中一束经过第一电光调制器9调制后重新进入偏振分束/合束器8形成顺时针方向的谐振环路；另一束送入第一光电探测器16，将光信号转换成微波信号，之后经过第一微波再生锁模控制电路18及第一压控振荡器20反馈控制第一电光调制器9进行顺时针谐振环路的频率锁定。 
光载微波陀螺逆时针谐振环路具体为：进入偏振分束/合束器8的水平偏振态的光沿逆时针方向（CCW）经过第一电光调制器9（不调制）、第一光耦合器11，然后经过90°连接器15，将偏振方向改变90°，由水平偏振光变为垂直偏振光后进入光纤环形腔14，然后经过第二光耦合器12分成两束，其中一束经过第二电光调制器10调制后重新进入偏振分束/合束器8形成逆时针方向的振荡回路；另一束送入第二光电探测器17，将光信号转换成微波信号，之后经过第二微波再生锁模控制电路19及第二压控振荡器21反馈控制第二电光调制器10进行逆时针谐振环路的频率锁定。 
在线型腔部分，顺时针光与逆时针光往返于线型腔的总光程是完全相等的；在可以感受萨格纳克效应的环路部分，顺时针光与逆时针光在同一段光纤中的偏振态是完全相同的，保证了整个环路中的良好的互易性。 
图1中第一光纤耦合器11、第二光纤耦合器12均为光功率比99:1的光纤耦合器。 
该方法包括以下步骤： 
步骤1：如图2所示，激光器1射出的水平偏振光经过第一980/1550波分复用器2送入保偏掺铒光纤3放大后，再经过光滤波器6滤波选频，然后经过45°旋光镜7反射变成垂直偏振光，然后再通过光滤波器6、第二980/1550波分复用器4、保偏掺铒光纤3、第一980/1550波分复用器2返回，之后进入偏振分束/合束器8，并沿顺时针方向依次进入第二电光调制器10、第二光耦合器12、光纤环形腔14，然后经过90°连接器15变成水平偏振光，然后通过第一光耦合器11进入第一电光调制器9进行电光调制后重新送回保偏掺铒光纤3放大，形成顺时针方向的谐振环路；如图3所示，激光器1射出的垂直偏振光经过第一980/1550波分复用器2送入保偏掺铒光纤3放大后，再经过光滤波器6滤波选频，然后经过45°旋光镜7反射变成水平偏振光，然后再通过光滤波器6、第二980/1550波分复用器4、保偏掺铒光纤3、第一980/1550波分复用器2返回，之后进入偏振分束/合束器8，并沿逆时针方向依次进入第一电光调制器9、第一光耦合器11，然后经过90°连接器15变成垂直偏振光，然后再依次通过光纤环形腔14、第二光耦合器12，之后进入第二电光调制器10进行电光调制后重新送回保偏掺铒光纤3放大，形成逆时针方向的谐振环路。
逆时针回路的光信号频率为：
Figure 655887DEST_PATH_IMAGE003
，顺时针回路的光信号频率为：
Figure 392899DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 978601DEST_PATH_IMAGE005
为逆时针回路的光程长度，
Figure 408446DEST_PATH_IMAGE006
为顺时针回路的光程长度，环形腔周长为光波波长的q倍。 
步骤2：光载微波陀螺顺时针谐振环路中的光经过第一光电探测器16将光信号转换成微波信号，之后送入第一微波再生锁模控制电路18进行锁频控制运算，然后通过第一压控振荡器20反馈控制第一电光调制器9，从而将顺时针谐振环路的振荡频率锁定；光载微波陀螺逆时针谐振环路中的光经过第二光电探测器17将光信号转换成微波信号，之后送入第二微波再生锁模控制电路控制电路19进行锁频控制运算，然后通过第二压控振荡器21反馈控制第二电光调制器10，从而将逆时针谐振环路的振荡频率锁定。 
步骤3：差频检测和信号处理电路13检测顺时针谐振环路与逆时针谐振环路的谐振频率差Δf。 
步骤4、根据萨格纳克效应，通过以下公式，即可获得旋转角速度
Figure 712388DEST_PATH_IMAGE001
： 
Figure 987512DEST_PATH_IMAGE007
，则 
Figure 630983DEST_PATH_IMAGE002
 
其中，S为环形光路包围的面积，λ为微波振荡中心频率对应的波长，L为环形腔周长。
在可以感受萨格纳克效应的环路部分，顺时针光与逆时针光在同一段光纤中的偏振态是完全相同的，保证了很好的互易性。在线型腔部分，顺时针光是由水平偏振态经45°旋光镜变成垂直偏振态返回，而逆时针光是由垂直偏振态经45°旋光镜变成水平偏振态返回，尽管同一偏振态的光在同一段光纤回路中的传播方向相反，但顺时针光与逆时针光往返于线型腔的总光程是完全相等的，因此线型腔部分也可以保证很好的互易性。因此，本方案提出的光载微波陀螺在整个环路中均具有很好的互易性。 
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种采用双向全互易耦合光电振荡器的角速度检测方法，其特征在于，该方法能够实现双向谐振光载微波陀螺的角速度连续测量，所述光载微波陀螺包括980nm泵浦激光器（1）、第一980/1550波分复用器（2）、保偏掺铒光纤（3）、第二980/1550波分复用器（4）、控制光引出线（5）、光滤波器（6）、45°旋光镜（7）、偏振分束/合束器（8）、第一电光调制器（9）、第二电光调制器（10）、第一光纤耦合器（11）、第二光纤耦合器（12）、差频检测和信号处理电路（13）、光纤环形腔（14）、90°连接器（15）、第一光电探测器（16）、第二光电探测器（17）、第一微波再生锁模控制电路（18）、第二微波再生锁模控制电路控制电路（19）、第一压控振荡器（20）、第二压控振荡器（21）等部分；
以偏振分束/合束器（8）为分界，整个光载微波陀螺结构分成了环路部分和线型腔部分，且以90°连接器（15）为分界，将环路部分的两段光纤分别记作L1与L2；
光载微波陀螺的线型腔部分的光路具体为：驱动电流控制的激光器（1）输出的光经过第一980/1550波分复用器（2）后送入保偏掺铒光纤（3）放大，然后经过第二980/1550波分复用器（4）将光分成两部分，一部分为控制光，由控制光引出线（5）引出，另一部分为工作光，继续经过光滤波器（6）的滤波选频以及45°旋光镜（7）反射，将偏振态旋转90°，进入偏振分束/合束器（8）的光为两束偏振态正交的工作光（分别记作水平偏振态与垂直偏振态），并在环路部分形成顺时针与逆时针两个方向的谐振环路；
光载微波陀螺顺时针谐振环路具体为：进入偏振分束/合束器（8）的垂直偏振态的光沿顺时针方向（CW）经过第二电光调制器（10）（不调制），再通过第二光耦合器（12）进入光纤环形腔（14），然后经过90°连接器（15）将偏振方向改变90°，由垂直偏振光变为水平偏振光后经过第一光耦合器（11）分成两束，其中一束经过第一电光调制器（9）调制后重新进入偏振分束/合束器（8）形成顺时针方向的谐振环路；另一束送入第一光电探测器（16），将光信号转换成微波信号，之后经过第一微波再生锁模控制电路（18）及第一压控振荡器（20）反馈控制第一电光调制器（9）进行顺时针谐振环路的频率锁定；
光载微波陀螺逆时针谐振环路具体为：进入偏振分束/合束器（8）的水平偏振态的光沿逆时针方向（CCW）经过第一电光调制器（9）（不调制）、第一光耦合器（11），然后经过90°连接器（15），将偏振方向改变90°，由水平偏振光变为垂直偏振光后进入光纤环形腔（14），然后经过第二光耦合器（12）分成两束，其中一束经过第二电光调制器（10）调制后重新进入偏振分束/合束器（8）形成逆时针方向的振荡回路；另一束送入第二光电探测器（17），将光信号转换成微波信号，之后经过第二微波再生锁模控制电路（19）及第二压控振荡器（21）反馈控制第二电光调制器（10）进行逆时针谐振环路的频率锁定；
该方法包括以下步骤：
步骤1：激光器（1）射出的水平偏振光经过第一980/1550波分复用器（2）送入保偏掺铒光纤（3）放大后，再经过光滤波器（6）滤波选频，然后经过45°旋光镜（7）反射变成垂直偏振光，然后再通过光滤波器（6）、第二980/1550波分复用器（4）、保偏掺铒光纤（3）、第一980/1550波分复用器（2）返回，之后进入偏振分束/合束器（8），并沿顺时针方向依次进入第二电光调制器（10）、第二光耦合器（12）、光纤环形腔（14），然后经过90°连接器（15）变成水平偏振光，然后通过第一光耦合器（11）进入第一电光调制器（9）进行电光调制后重新送回保偏掺铒光纤（3）放大，形成顺时针方向的谐振环路；激光器（1）射出的垂直偏振光经过第一980/1550波分复用器（2）送入保偏掺铒光纤（3）放大后，再经过光滤波器（6）滤波选频，然后经过45°旋光镜（7）反射变成水平偏振光，然后再通过光滤波器（6）、第二980/1550波分复用器（4）、保偏掺铒光纤（3）、第一980/1550波分复用器（2）返回，之后进入偏振分束/合束器（8），并沿逆时针方向依次进入第一电光调制器（9）、第一光耦合器（11），然后经过90°连接器（15）变成垂直偏振光，然后再依次通过光纤环形腔（14）、第二光耦合器（12），之后进入第二电光调制器（10）进行电光调制后重新送回保偏掺铒光纤（3）放大，形成逆时针方向的谐振环路；
步骤2：光载微波陀螺顺时针谐振环路中的光经过第一光电探测器（16）将光信号转换成微波信号，之后送入第一微波再生锁模控制电路（18）进行锁频控制运算，然后通过第一压控振荡器（20）反馈控制第一电光调制器（9），从而将顺时针谐振环路的振荡频率锁定；光载微波陀螺逆时针谐振环路中的光经过第二光电探测器（17）将光信号转换成微波信号，之后送入第二微波再生锁模控制电路控制电路（19）进行锁频控制运算，然后通过第二压控振荡器（21）反馈控制第二电光调制器（10），从而将逆时针谐振环路的振荡频率锁定；
步骤3：差频检测和信号处理电路（13）检测顺时针谐振环路与逆时针谐振环路的谐振频率差Δf；
步骤4：通过以下公式，即可获得旋转角速度                                                
Figure 2013104495846100001DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 661435DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，S为环形光路包围的面积，λ为微波振荡中心频率对应的波长，L为环形腔周长。
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