CN107063308A - 一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线偏振光旋角检测偏振波动在线补偿装置及方法，该装置包括光学模块和测量控制模块两部分：光学模块由参考光路及信号检测光路组成，主要包括激光器、起偏器、液晶可变相位延迟器、光弹调制器、1/4波片、待测原子气室样品及偏振分光棱镜等部分；测量控制模块由平衡差分探测器、液晶驱动器、光弹控制器、锁相放大器和数据采集与处理单元组成。本发明对含有众多复杂偏振器件的光学检测系统，不需要区分各个器件的误差来源，采用仅考虑输入端特征及输出端信号的“黑箱”式处理模式，实现基于光弹调制的实时消除光旋角检测随机误差的补偿修正，完成高精度、长时间、稳定的信号检测。

Description

一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及偏振光旋角检测的技术领域，具体涉及一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置及稳定控制方法，其是一种实时消除光旋角检测随机误差的基于光弹调制的高精度偏振检测装置及方法。

背景技术

为满足高精度原子自旋陀螺仪的长时间稳定测量需求，利用光学偏振调制检测方法尤其是基于光弹调制的光旋角的高频调制，能够有效提高线偏振面微弱旋转角的检测能力，隔离低频噪声、1/f噪声及系统的慢漂。

然而，在微弱光旋角的长时间、高精度光学检测过程中，各种光学器件如偏振元件、波片和辅助器件(含反射镜、透镜等)随环境变化将会偏离原有光束的偏振态及相位，尤其是随气流及温度变化引起的光束偏振态的随机波动将严重影响长时间、高精度的信号检测。在一个复杂的含有众多光学器件的高精度检测系统中，由于每个器件的变化特性各不相同，想要严格区分各个器件的误差时变规律非常复杂。本发明旨在采用“黑箱式”误差处理方法，不需要区分具体器件的误差来源，仅考虑输入端特征及输出端信号来消除偏振光旋角的随机误差，实时补偿修正光学系统的偏振状态完成高精度长时间的光旋角测量。

本发明是偏振光旋角检测的通用装置及方法，不仅基于高精度原子自旋陀螺的线偏振光旋转角检测，同时适用于其它高精度长时间偏振光旋角的检测系统。

发明内容

本发明目的在于解决微弱光旋角的高精度测量中随机偏振误差问题，提出一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置及方法。该装置包括光学模块和反馈控制模块两部分，光学模块部分由信号检测光路及参考光路组成。由于两部分光路共用光学系统，可通过反馈参考光路的量测信息控制光束偏振态的变化。利用状态预测算法，实时消除光学系统的偏振随机误差，使光学系统的偏振及相位始终维持在初始的稳定工作状态。

本发明采用的技术方案如下：一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置，包括光学模块和测量控制模块两部分，光学模块分为参考光路及信号检测光路，由沿系统光轴设置的激光器、隔离器、整形扩束单元、透光轴沿x的起偏器、快轴与x轴呈45°的液晶可变相位延迟器、快轴与x轴呈45°的光弹调制器、快轴沿x轴的四分之一波片、光楔组、分光镜、待测原子气室样品、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜；第一半波片与第二半波片均是快轴与x轴呈45°的半波片，测量控制模块由第一平衡差分探测器、第二平衡差分探测器、液晶控制器、光弹控制器、锁相放大器及数据采集与处理单元组成，上述各元器件的调节及操作步骤如下：

(1)激光器出射的光经隔离器及整形扩束单元后变成光斑扩大光场均匀的平行光；

(2)光束经起偏器后成为偏振方向沿x轴的线偏振光，依次经过快轴与x轴呈45°的液晶可变相位延迟器、光轴与x轴呈45°的光弹调制器以及快轴沿x轴的四分之一波片；

(3)之后经过偏振无关的分光镜将光束等分成两部分，两者光偏振状态均与入射前保持一致；将透射部分记为参考光路，反射部分进入待测原子气室样品记为信号检测光路，无测试样品时，分别精确调整位于参考光路及信号检测光路的半波片，使各自对应的平衡差分探测器输出为零；

(4)当加入待测原子气室样品整个光学系统正常工作时，参考光路差分探测器输出的特征信号经锁放解调获得的基频信号作为反馈环路的量测量参与后续的控制环路，将信号检测光路探测器采集的信号送至锁相放大器经解调得到含有待测信号的基频信号，随后送至数据采集与处理单元；

(5)液晶可变相位延迟器的延迟量由液晶控制器给定；光弹调制器的调制幅度及调制频率由光弹控制器输入，并由其供给锁相放大器参考信号。

本发明还提供一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置的稳定控制方法，该方法利用上述的线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置，可消除光旋角检测随机误差，该方法包含以下步骤：

(1)利用参考光路输出的特征信号，其中包括光学系统中各个器件产生的随机偏振及相位误差信息，送入锁相放大器解调后得到的基频幅值做为量测量，通过控制液晶可变相位延迟器，进而控制整个系统的光束偏振状态，跟踪及修正偏振的随机变化；

(2)利用参考光路的量测信息，通过状态预测反馈，实时消除光学系统中偏振光旋角检测随机误差，完成对偏振光旋角长时间、高精度的稳定测量。

其中，所述步骤(2)中状态预测反馈算法的步骤为：

(2.1)采样时间t＝0时，初始化：

对初始参考光路的基频解调信号进行采样，生成N个服从参考光路基频解调信号幅值分布的数据点：i＝1,…,N,

其分布特性满足：

其中，为的期望值，P₀为的方差。将分布取N个数据点均值对应的基频解调信号幅值，记为

(2.2)在采样时间t＝1时刻，

利用(2.1)中生成的服从分布的信号(i＝1,…,N)进行下一时刻的采样，记录此时参考光路基频解调信号为

(2.3)采样时间t≥2时，步骤如下：

①采样及状态预测：

利用(2.1)中生成的服从分布的信号(i＝1,…,N)进行下一时刻的采样，记录此时的信号为用状态预测反馈算法对状态进行预测，得到更新的状态即：

其中，为k-1时刻状态对应的第i个数据点，为k-1时刻的状态信号经锁相放大器解调后的基频幅值，为k-2时刻状态对应的第i个数据点，为k-2时刻的状态信号经锁相放大器解调后的基频幅值；为利用状态预测算法根据k-1和k-2时刻输出信号预测出的k时刻状态的估计值；为实际测得的k时刻参考光路信号的状态；为实际测量值与状态预测值之间的偏离值，此值实时反映了参考光路中因偏振相位变化引起的输出信号状态的变化信息；

②反馈控制

将利用状态预测得到的k时刻状态估计值作为液晶相位延迟器(5)的反馈信号，通过液晶控制器来控制液晶相位延迟器的偏振轴方向，将k时刻的偏转角实时拉回到k-1时刻的位置，通过此方法能够实时消除因气流、环境温度因素带来的主光路中偏振角的随机误差，获得长时间、高精度偏振光旋角稳定测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明线偏振光旋角检测偏振波动误差补偿，根据参考光路中偏振光旋角的量测信息进行实时补偿信号检测光路的随机误差，可通过控制液晶可变相位延迟器，实时跟踪系统的误差变化，解决系统中偏振光旋角随气流、环境温度带来的随机漂移问题。

(2)本发明采用状态预测反馈算法，实时补偿系统的随机波动，确保信号输出的长期稳定性。

附图说明

图1为本发明线偏振光旋角检测偏振波动误差补偿装置框图；

图2为本发明实施方法步骤流程图。

图中附图标记含义为：1为激光器，2为隔离器，3为整形扩束单元，4为起偏器，5为液晶可变相位延迟器，6为光弹调制器，7为四分之一波片，8为光楔组，9为分光镜，10为待测原子气室样品，11为第一半波片，12为第一偏振分光棱镜，13为第一平衡差分探测器，14为第二半波片，15为第二偏振分光棱镜，16为第二平衡差分探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明线偏振光旋角检测偏振波动误差补偿装置实施框图。由图可见，本发明线偏振光旋角检测偏振波动误差补偿装置实施结构框图分为光学模块及测量控制模块两部分：光学模块由参考光路及信号检测光路组成，包括激光器1、隔离器2、整形扩束单元3、起偏器4、液晶可变相位延迟器5、光弹调制器6、四分之一波片7、光楔组8、分光镜9、待测原子气室样品10、第一半波片11、第二半波片14、第一偏振分光棱镜12、第二偏振分光棱镜15组成；测量控制模块由第一平衡差分探测器13、第二平衡差分探测器16、液晶控制器、光弹控制器、锁相放大器及数据采集与处理单元。上述各元器件的位置关系如下：沿光轴放置的激光器1出射的光经隔离器2及整形扩束单元3后变成光斑扩大光场均匀的平行光；通过起偏器4后线偏振光沿x轴，依次经过快轴与x轴呈45°的液晶可变相位延迟器5、光轴与x轴呈45°的光弹调制器6及快轴沿x轴的四分之一波片7后进入用来调整光束在样品位置的光楔组8；通过偏振无关分光镜9将光束分成反射光及透射光两部分，其中反射部分作为检测信号光入射待测原子气室样品10后经与x轴呈45°的第一半波片11进入第一偏振分光棱镜12，通过第一平衡差分探测器13完成信号检测的偏振差分检测；经分光镜9透射的光作为参考光经过与x轴呈45°的第二半波片14入射第二偏振分光棱镜15通过第二平衡差分探测器16完成参考光路的偏振差分检测。将信号检测光路的差分探测器输出含有待测原子气室样品10信息的信号直接送至锁相放大器解调，其基频信号幅值进入数据采集与处理单元；而参考光路经差分探测器输出信号进入锁放解调后得到的基频信号幅值做为反馈控制环路的量测量，通过控制液晶可变相位延迟器，实时跟踪系统的误差变化。

所述过程中，无待测原子气室样品10时，精调信号检测光路中的第一半波片光轴位置使差分探测器输出信号为零，消除光功率波动等的系统共模误差；对参考光路同样，调整其第二半波片使差分探测器输出为零。两部分光路中非共用器件，第一平衡差分探测器13，第二平衡差分探测器16，第一偏振分光棱镜12，第二偏振分光棱镜15及第一半波片11，第二半波片14应进行严格筛选确保其具有很好的一致性。

所述的线偏振光旋角检测偏振波动误差补偿装置及采用状态预测反馈算法的测量控制，可消除高精度光旋角检测中随机偏振误差实现在线实时误差的补偿。该测量控制方法的实施步骤流程见图2，包括以下步骤：

步骤A.利用参考光路输出的特征信号，其中包括光学系统中各个器件产生的随机偏振及相位误差信息，送入锁相放大器解调后得到的基频幅值做为量测量，通过控制液晶可变相位延迟器，进而控制整个系统的光束偏振状态，跟踪并修正偏振的随机变化。

步骤B.利用参考光路获得的量测信息，通过状态预测反馈，实时跟踪光学系统中偏振光旋角检测的随机误差，并实现测量系统随机误差的在线修正，完成对陀螺仪的长时间、高精度稳定测量。所述步骤B中利用状态预测反馈算法的步骤为：

(B.1)采样时间t＝0时，初始化：

对初始参考光路的基频解调信号进行采样，生成N个服从参考光路基频解调信号幅值分布的数据点：i＝1,…,N,

其分布特性满足：

其中，为的期望值，P₀为的方差。将分布取N个数据点均值对应的基频解调信号幅值，记为

(B.2)在采样时间t＝1时刻，

利用(B.1)中生成的服从分布的信号(i＝1,…,N)进行下一时刻的采样，记录此时参考光路基频解调信号为

(B.3)采样时间t≥2时，步骤如下：

①采样及状态预测：

利用(B.2)中生成的服从分布的信号(i＝1,…,N)进行下一时刻的采样，记录此时的信号为用状态预测反馈算法对状态进行预测，得到更新的状态即：

其中，为k-1时刻状态对应的第i个数据点，为k-1时刻的状态信号经锁相放大器解调后的基频幅值，为k-2时刻状态对应的第i个数据点，为k-2时刻的状态信号经锁相放大器解调后的基频幅值；为利用状态预测算法根据k-1和k-2时刻输出信号预测出的k时刻状态的估计值；为实际测得的k时刻参考光路信号的状态；为实际测量值与状态预测值之间的偏离值，此值实时反映了参考光路中因偏振相位变化引起的输出信号状态的变化信息。

②反馈控制

将利用状态预测得到的k时刻状态估计值作为液晶可变相位延迟器5的反馈信号，通过液晶控制器控制液晶相位延迟器的偏振轴方向，将k时刻系统的光束偏转方向实时拉回到k-1时刻的位置。通过此方法能够实时消除因气流、环境温度等因素带来的主光路中偏振角的随机误差，获得长时间、高精度偏振光旋角稳定测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置，其特征在于：包括光学模块和测量控制模块两部分，光学模块分为参考光路及信号检测光路，由沿系统光轴设置的激光器(1)、隔离器(2)、整形扩束单元(3)、透光轴沿x的起偏器(4)、快轴与x轴呈45°的液晶可变相位延迟器(5)、快轴与x轴呈45°的光弹调制器(6)、快轴沿x轴的四分之一波片(7)、光楔组(8)、分光镜(9)、待测原子气室样品(10)、第一半波片(11)、第二半波片(14)、第一偏振分光棱镜(12)和第二偏振分光棱镜(15)；第一半波片(11)与第二半波片(14)均是快轴与x轴呈45°的半波片，测量控制模块由第一平衡差分探测器(13)、第二平衡差分探测器(16)、液晶控制器、光弹控制器、锁相放大器及数据采集与处理单元组成，上述各元器件的调节及操作步骤如下：

①激光器(1)出射的光经隔离器(2)及整形扩束单元(3)后变成光斑扩大光场均匀的平行光；

②光束经起偏器(4)后成为偏振方向沿x轴的线偏振光，依次经过快轴与x轴呈45°的液晶可变相位延迟器(5)、光轴与x轴呈45°的光弹调制器(6)以及快轴沿x轴的四分之一波片(7)；

③之后经过偏振无关的分光镜(9)将光束等分成两部分，两者光偏振状态均与入射前保持一致；将透射部分记为参考光路，反射部分进入待测原子气室样品(10)记为信号检测光路，无测试样品时，分别精确调整位于参考光路及信号检测光路的半波片，使各自对应的平衡差分探测器输出为零；

④当加入待测原子气室样品(10)整个光学系统正常工作时，参考光路差分探测器输出的特征信号经锁相放大器解调获得的基频信号作为反馈环路的量测量参与后续的控制环路，将信号检测光路探测器采集的信号送至锁相放大器经解调得到含有待测信号的基频信号，随后送至数据采集与处理单元；

⑤液晶可变相位延迟器(5)的延迟量由液晶控制器给定；光弹调制器(6)的调制幅度及调制频率由光弹控制器输入，并由其供给锁相放大器参考信号。

2.一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置的稳定控制方法，该方法利用权利要求1所述的线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置，可消除光旋角检测随机误差，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(1)利用参考光路输出的特征信号，其中包括光学系统中各个器件产生的随机偏振及相位误差信息，送入锁相放大器解调后得到的基频幅值做为量测量，通过控制液晶可变相位延迟器，进而控制整个系统的光束偏振状态，跟踪及修正偏振的随机变化；

(2)利用参考光路的量测信息，通过状态预测反馈，实时消除光学系统中偏振光旋角检测随机误差，完成对偏振光旋角长时间、高精度的稳定测量。

3.根据权利要求2所述的一种线偏振光旋角检测偏振波动误差在线补偿装置的稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中状态预测反馈算法的步骤为：

(2.1)采样时间t＝0时，初始化：

对初始参考光路的基频解调信号进行采样，生成N个服从参考光路基频解调信号幅值分布的数据点：i＝1,…,N,

其分布特性满足：

其中，为的期望值，P₀为的方差。将分布取N个数据点均值对应的基频解调信号幅值，记为

(2.2)在采样时间t＝1时刻，

利用(2.1)中生成的服从分布的信号(i＝1,…,N)进行下一时刻的采样，记录此时参考光路基频解调信号为

(2.3)采样时间t≥2时，步骤如下：

①采样及状态预测：

利用(2.1)中生成的服从分布的信号(i＝1,…,N)进行下一时刻的采样，记录此时的信号为用状态预测反馈算法对状态进行预测，得到更新的状态即：

其中，为k-1时刻状态对应的第i个数据点，为k-1时刻的状态信号经锁相放大器解调后的基频幅值，为k-2时刻状态对应的第i个数据点，为k-2时刻的状态信号经锁相放大器解调后的基频幅值；为利用状态预测算法根据k-1和k-2时刻输出信号预测出的k时刻状态的估计值；为实际测得的k时刻参考光路信号的状态；为实际测量值与状态预测值之间的偏离值，此值实时反映了参考光路中因偏振相位变化引起的输出信号状态的变化信息；

②反馈控制

将利用状态预测得到的k时刻状态估计值作为液晶相位延迟器(5)的反馈信号，通过液晶控制器来控制液晶相位延迟器的偏振轴方向，将k时刻的偏转角实时拉回到k-1时刻的位置，通过此方法能够实时消除因气流、环境温度因素带来的主光路中偏振角的随机误差，获得长时间、高精度偏振光旋角稳定测量。