CN105222808B - 一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法 - Google Patents
一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法。法拉第执行器放在1/4波片、光弹调制器前面。检测激光依次通过起偏器、法拉第调制器、碱金属气室、1/4波片、光弹调制器和检偏器，1/4波片的快轴与起偏器光轴同向，光弹调制器的快轴与起偏器光轴成45度角，检偏器与起偏器光轴成90度角。通过PID控制器控制闭环法拉第执行器的偏转角，使锁相放大器的输出保持为零，此时待测的转角由闭环法拉第执行器的输出角读出。待测转角仅与闭环法拉第执行器的转角相关，与光强和光弹调制幅度无关，从而在原理上隔离了这些参数波动对检测系统的影响，使得闭环光弹调制检测的标度因数易于稳定，提高原子陀螺仪的检测精度。
Description
技术领域
本发明属于涉及原子陀螺检测方法技术领域，具体涉及一种适合于SERF原子自旋陀螺、核磁共振陀螺的基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法。
背景技术
原子自旋进动的检测最终可以映射为线偏振检测激光的偏振面转角检测。目前，针对SERF原子自旋陀螺仪、核磁共振陀螺仪的线偏振转角的检测方法，主要包括三种：差法拉第调制法、光弹调制法以及差分偏振法。
差分偏振法具有结构简单、易于实现的优点。但是，由于缺乏调制作用，当待测原子自旋进动角为低频信号时，检测系统的1/f等噪声较大，系统的信噪比较差。
法拉第调制法将待测的低频角信号调制成高频信号，从而隔离了低频区1/f等噪声的影响，提高检测系统的信噪比。这一方法使得检测回路中产生大量的热量，使法拉第磁光玻璃温度上升。这导致法拉第调制幅度的下降，降低检测系统的信噪比。
光弹调制法与法拉第调制法类似，采用光弹调制代替法拉第调制，在系统输出中依然包含光强和调制幅度这些标度因数，标度因数难以稳定，降低检测精度。但还没有一种原子陀螺检测方法可以隔离检测激光光强波动、法拉第调制幅度波动、光弹调制幅度波动等干扰，实现原子陀螺的高精度检测，进而提高原子陀螺的精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，从而隔离检测激光光强波动、法拉第调制幅度波动、光弹调制幅度波动等干扰，实现原子陀螺的高精度检测，进而提高原子陀螺的精度。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，包括以下步骤：
(1)一束检测激光依次通过起偏器、法拉第调制器、原子气室、1/4波片、光弹调制器、检偏器和光电探测器，并使1/4波片的快轴与起偏器光轴同向，光弹调制器的快轴与起偏器光轴成45度角，检偏器与起偏器光轴成90度角，使1/4波片、光弹调制器、检偏器、原子气室、法拉第调制器的琼斯矩阵分别满足以下关系：
其中，G1/4λ为1/4波片的琼斯矩阵，GPEM为光弹调制器的琼斯矩阵，GJP为检偏器的琼斯矩阵，Gcell为原子气室的琼斯矩阵，GFld为法拉第调制器的琼斯矩阵，θ为激光与原子气室发生相互作用使得线偏振面旋转的角度，即待测角度；δ为光弹调制器中振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间的延迟量，即光弹调制器调制幅度，φ为法拉第调制器使激光的线偏振面偏转的角度；
(2)通过琼斯矩阵计算，经过检偏器输出的光矢量E2为：
其中，从激光经过起偏器后振动矢量为A为振幅，I0＝A2,I0为检测激光器输出光强；
经检偏器输出进入光电探测器的光强I为：
其中，ω为光弹调制器的调制频率；
(3)将光电探测器接收的信号输入锁相放大器，光弹调制器的调制频率作为锁相放大器的参考频率信号，提取锁相放大器的基频信号ILock-in，通过贝塞尔函数展开后，锁相放大器提取的基频信号为：
(4)将锁相放大器的基频信号ILock-in输入到PID控制器，PID控制器的输出控制法拉第调制器；
(5)通过PID控制器控制调节法拉第调制器的偏转角φ，使锁相放大器基频输出ILock-in保持为零，待测转角θ由法拉第调制器的输出的角度φ读出，θ＝φ，φ＝KU，其中，K为常数，U为PID控制器输出。
进一步的，如上所述的一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法中：所述的光弹调制器无相位残余角。
进一步的，如上所述的一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法中：步骤(3)中所述的锁相放大器提取的基频信号未进行小角度线性化。
本发明技术方案的有益效果在于：相对传统现有技术，本发明技术方案可以隔离检测激光光强波动、法拉第调制幅度波动、光弹调制幅度波动等干扰，实现原子陀螺的高精度检测，进而提高原子陀螺的精度。
附图说明
图1为本发明的一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法原理示意图。
图中：1——起偏器，2——法拉第调制器，3——原子气室，4——1/4波片，5——光弹调制器，6——检偏器，7——光电探测器，8——锁相放大器，9——PID控制器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
如附图1所示，本发明一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，包括以下步骤：
(1)一束检测激光依次通过起偏器、法拉第调制器、原子气室、1/4波片、光弹调制器、检偏器和光电探测器，并使1/4波片的快轴与起偏器光轴同向，光弹调制器的快轴与起偏器光轴成45度角，检偏器与起偏器光轴成90度角，使1/4波片、光弹调制器、检偏器、原子气室、法拉第调制器的琼斯矩阵分别满足以下关系：
其中，G1/4λ为1/4波片的琼斯矩阵，GPEM为光弹调制器的琼斯矩阵，GJP为检偏器的琼斯矩阵，Gcell为原子气室的琼斯矩阵，GFld为法拉第调制器的琼斯矩阵，θ为激光与原子气室发生相互作用使得线偏振面旋转的角度，即待测角度；δ为光弹调制器中振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间的延迟量，即光弹调制器调制幅度，φ为法拉第调制器使激光的线偏振面偏转的角度；
(2)通过琼斯矩阵计算，经过检偏器输出的光矢量E2为：
其中，从激光经过起偏器后振动矢量为A为振幅，I0＝A2,I0为检测激光器输出光强；
经检偏器输出进入光电探测器的光强I为：
其中，ω为光弹调制器的调制频率；
(3)将光电探测器接收的信号输入锁相放大器，光弹调制器的调制频率作为锁相放大器的参考频率信号，提取锁相放大器的基频信号ILock-in，通过贝塞尔函数展开后，锁相放大器提取的基频信号为：
在本实施例中，在本实施例中，所述的光弹调制器无相位残余角；步骤(3)中所述的锁相放大器提取的基频信号未进行小角度线性化。
(4)将锁相放大器的基频信号ILock-in输入到PID控制器，PID控制器的输出控制法拉第调制器；
(5)通过PID控制器控制调节法拉第调制器的偏转角φ，使锁相放大器基频输出ILock-in保持为零，待测转角θ由法拉第调制器的输出的角度φ读出，θ＝φ，φ＝KU，其中，K为常数，U为PID控制器输出。
由于本发明技术方案中待测转角θ与光强和光弹调制幅度δ无关，从而在原理上隔离了这些参数波动对检测系统的影响，使得闭环光弹调制检测的标度因数易于稳定。
Claims (3)
1.一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)一束检测激光依次通过起偏器、法拉第调制器、原子气室、1/4波片、光弹调制器、检偏器和光电探测器，并使1/4波片的快轴与起偏器光轴同向，光弹调制器的快轴与起偏器光轴成45度角，检偏器与起偏器光轴成90度角，使1/4波片、光弹调制器、检偏器、原子气室、法拉第调制器的琼斯矩阵分别满足以下关系：
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其中，G1/4λ为1/4波片的琼斯矩阵，GPEM为光弹调制器的琼斯矩阵，GJP为检偏器的琼斯矩阵，Gcell为原子气室的琼斯矩阵，GFld为法拉第调制器的琼斯矩阵，θ为激光与原子气室发生相互作用使得线偏振面旋转的角度，即待测角度；δ为光弹调制器中振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间的延迟量，即光弹调制器调制幅度，φ为法拉第调制器使激光的线偏振面偏转的角度；
(2)通过琼斯矩阵计算，经过检偏器输出的光矢量E2为：
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其中，从激光经过起偏器后振动矢量为A为振幅，I0＝A2,I0为检测激光器输出光强；δ(t)为光弹调制器中振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间的随时间变化的延迟量；
经检偏器输出进入光电探测器的光强I为：
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其中，ω为光弹调制器的调制频率；
(3)将光电探测器接收的信号输入锁相放大器，光弹调制器的调制频率作为锁相放大器的参考频率信号，提取锁相放大器的基频信号ILock-in，通过贝塞尔函数展开后，锁相放大器提取的基频信号为：
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(4)将锁相放大器的基频信号ILock-in输入到PID控制器，PID控制器的输出控制法拉第调制器；
(5)通过PID控制器控制调节法拉第调制器的偏转角φ，使锁相放大器基频输出ILock-in保持为零，待测转角θ由法拉第调制器的输出的角度φ读出，θ＝φ，φ＝KU，其中，K为常数，U为PID控制器输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，其特征在于：所述的光弹调制器无相位残余角。
3.根据权利要求1所述的一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，其特征在于：步骤(3)中所述的锁相放大器提取的基频信号未进行小角度线性化。
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