CN107843248B - 自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法 - Google Patents

自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法 Download PDF

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Abstract

自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法属于光学陀螺技术领域。现有谐振式光学陀螺的结构和工作复杂。本发明本发明的工作光源采用LD，能够减小光学陀螺的体积。采用两个LD工作光源共用一个无源环形谐振腔，避免非互易噪声的产生。相比于现有谐振式光学陀螺，本发明主要由光纤技术领域的常规线路元件构成，例如环行器、隔离器、耦合器和谐振器，结构对称简单，并且，自注入锁定的稳频方式不要求另设调制信号发生器，无需另行以电的方式实现稳频；两个工作光源发出的光在同一无源环形谐振腔沿相反方向谐振，从不同方向出射的两束谐振光在分别由分束耦合器分束，分别用来稳频和陀螺信号的检测。光学陀螺的结构和工作方法均得到简化。

Description

自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法，属于光学陀螺技术领域。
背景技术
陀螺是运载体角速度传感器，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心部件。光学陀螺突出的优点是无运动部件，其中的激光陀螺和干涉式光纤陀螺技术较为成熟，因其具有的高精度使其在高端陀螺领域具有主导地位。但是，这两种光学陀螺仍有其不足，例如体积大、价格昂贵，使其不能满足如微型卫星、战术导弹、汽车导航、机器人、智能手机等对陀螺的小体积、轻重量、低成本要求。
谐振式光学陀螺是又一种光学陀螺，它采用不含有增益介质的无源环形谐振腔作为旋转敏感元件，其环形谐振腔为环长几米至几十米的光纤环、环长为几厘米至几十厘米的光波导环或者直径在几毫米以下的微盘等，相比于使用上千米保偏光纤的干涉式光纤陀螺，以及使用分立光学元件的激光陀螺，谐振式光学陀螺的体积、重量、成本和功耗都显著减小。谐振式光学陀螺只有一个环形谐振腔，有工作光源，而所谓的无源是指来自工作光源的光并非作为种子激光，进入环形谐振腔后并未得到增益。然而，谐振式光学陀螺对工作光源要求高，要求工作光源有尽可能窄的线宽和稳定的输出频率(波长稳定)。而现有窄线宽光纤激光器体积大，与谐振式光学陀螺的微小型发展方向相左。半导体激光器虽然体积小，尤其是分布反馈式(DFB)半导体激光器还能够实现单纵模窄线宽光输出，但是，半导体激光器存在随注入电流波动和环境温度变化其输出频率漂移严重的问题，如不采取稳频措施仍无法用作谐振式光学陀螺的光源。
现有谐振式光学陀螺通过采用调制锁频方法检测环形谐振腔中的谐振频率实现稳频。该方法按调制方式的不同又分为激光器频率直接调制和相位调制两种。这里以激光器频率直接调制为例，说明现有谐振式光学陀螺的工作方式，如图1所示，调制信号发生器产生特定频率的振荡信号，利用该振荡信号调制工作光源激光器，该激光器为可调谐窄线宽激光器，使激光器输出频率在中心频率附近周期性振荡。如此调制后的激光经耦合器C1分成两路，两路光分别经耦合器C2进入环形谐振腔RRC，并在腔中分别沿顺时针环路、逆时针环路相向传输。顺时针回路输出的光经过光电探测器1探测，再由锁相放大器1检测其中调制频率上的信号幅度，检测所得结果由比例积分器反馈给激光器的调谐端，使激光器的中心频率锁定在顺时针环路的谐振频率上。逆时针回路输出的光通过光电探测器2和锁相放大器2探测与检测，获得陀螺的转动信号并输出。可见，所述现有谐振式光学陀螺的结构和工作方法都比较复杂。
在现有技术中还有一种以自注入锁定方式稳频的光学陀螺，如申请号为CN02112846.4的一件名为“自注入锁定光纤激光陀螺”的发明专利就公开了一种这样的技术方案。该方案由DFB光纤激光器分别向两个有源光纤环中注入种子激光，将两个环形腔中的谐振频率锁定，使两个环形腔中的激光工作在线宽很窄的单纵模状态。但是，该方案需要使用带有增益的环形腔，属于激光陀螺，以有源方式工作，需要两个泵浦激光器和一个种子激光器，陀螺结构较为复杂；此外，相对于使用一个谐振腔的陀螺，该方案采用两个环形谐振腔必将增加很多非互易噪声，如温度引起的腔长和折射率的变化等，从而降低陀螺的传感精度和工作稳定性。
发明内容
本发明的目的在于简化谐振式光学陀螺的结构和工作方法，减小光学陀螺的体积，同时确保光源输出频率稳定，并且，避免非互易噪声的产生，为此我们发明了一种自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法，采用两个LD工作光源，共用一个无源环形谐振腔，在实现输出频率稳定的前提下，简化光学陀螺的结构和工作方法。
本发明之自注入锁定谐振式光学陀螺其特征在于，如图2所示，
左工作光源LD1由光纤连接到左环行器Cir1的一个端口1，左环行器Cir1为顺时针环行器；左环行器Cir1、输入耦合器C1、无源环形谐振腔RRC、输出耦合器C2、左分束耦合器C3、左环行器Cir1依次连接构成左工作光源LD1的外谐振回路，环形谐振方向为顺时针方向，其中，左环行器Cir1的下一个端口2连接输入耦合器C1，左分束耦合器C3连接左环行器Cir1的再下一个端口3；在左工作光源LD1的外谐振回路中沿谐振方向设置左隔离器ISO1；
右工作光源LD2由光纤连接到右环行器Cir2的一个端口1，右环行器Cir2为逆时针环行器；右环行器Cir2、输入耦合器C1、无源环形谐振腔RRC、输出耦合器C2、右分束耦合器C4、右环行器Cir2依次连接构成右工作光源LD2的外谐振回路，环形谐振方向为逆时针方向，其中，右环行器Cir2的下一个端口2连接输入耦合器C1，右分束耦合器C4连接右环行器Cir2的再下一个端口3；在右工作光源LD2的外谐振回路中沿谐振方向设置右隔离器ISO2；
左分束耦合器C3、右分束耦合器C4还分别连接到合束耦合器C5，合束耦合器C5再与光电探测器PD光学连接，光电探测器PD再与差频信号检测电路EC电学连接。
本发明之自注入锁定谐振式光学陀螺工作方法其特征在于，如图2所示，
首先，自注入锁定稳频：由左工作光源LD1发出的光经左环行器Cir1进入左工作光源LD1的外谐振回路，在无源环形谐振腔RRC中沿顺时针方向环形谐振，自输出耦合器C2输出，由左分束耦合器C3分束，直通光束返回左工作光源LD1的内腔，将左工作光源LD1的输出频率锁定在无源环形谐振腔RRC的顺时针谐振频率上；同时，由右工作光源LD2发出的光经右环行器Cir2进入右工作光源LD2的外谐振回路，在无源环形谐振腔RRC中沿逆时针方向环形谐振，自输出耦合器C2输出，由右分束耦合器C4分束，直通光束返回右工作光源LD2的内腔，将右工作光源LD2的输出频率锁定在无源环形谐振腔RRC的逆时针谐振频率上；
其次，测量旋转角速度：由左分束耦合器C3分束后的旁通光束、由右分束耦合器C4分束后的旁通光束经合束耦合器C5合束后由光电探测器PD转变为电信号，差频信号检测电路EC从该电信号中测得两束旁通光束之间的频率差，根据该频率差与陀螺旋转角速度的正比关系，完成旋转角速度的测量。
本发明其技术效果在于，本发明的工作光源采用LD，能够减小光学陀螺的体积。采用两个LD工作光源共用一个无源环形谐振腔，避免非互易噪声的产生。相比于现有谐振式光学陀螺，本发明主要由光纤技术领域的常规线路元件构成，例如环行器、隔离器、耦合器和谐振器，结构对称简单，并且，自注入锁定的稳频方式不要求另设调制信号发生器，无需另行以电的方式实现稳频；两个工作光源发出的光在同一无源环形谐振腔沿相反方向谐振，从不同方向出射的两束谐振光在分别由分束耦合器分束，分别用来稳频和陀螺信号的检测；可见，光学陀螺的结构和工作方法均得到简化。
附图说明
图1为现有采用调制锁频方法稳频的谐振式光学陀螺结构及工作方法示意图。图2为本发明之自注入锁定谐振式光学陀螺及其工作方法示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之自注入锁定谐振式光学陀螺如图2所示，左工作光源LD1由光纤连接到左环行器Cir1的一个端口1，左环行器Cir1为顺时针环行器；左环行器Cir1、输入耦合器C1、无源环形谐振腔RRC、输出耦合器C2、左分束耦合器C3、左环行器Cir1依次连接构成左工作光源LD1的外谐振回路，环形谐振方向为顺时针方向，其中，左环行器Cir1的下一个端口2连接输入耦合器C1，左分束耦合器C3连接左环行器Cir1的再下一个端口3；在左工作光源LD1的外谐振回路中沿谐振方向设置左隔离器ISO1；右工作光源LD2由光纤连接到右环行器Cir2的一个端口1，右环行器Cir2为逆时针环行器；右环行器Cir2、输入耦合器C1、无源环形谐振腔RRC、输出耦合器C2、右分束耦合器C4、右环行器Cir2依次连接构成右工作光源LD2的外谐振回路，环形谐振方向为逆时针方向，其中，右环行器Cir2的下一个端口2连接输入耦合器C1，右分束耦合器C4连接右环行器Cir2的再下一个端口3；在右工作光源LD2的外谐振回路中沿谐振方向设置右隔离器ISO2；左分束耦合器C3、右分束耦合器C4还分别连接到合束耦合器C5，合束耦合器C5再与光电探测器PD光学连接，光电探测器PD再与差频信号检测电路EC电学连接。
所述工作光源、环行器、隔离器、耦合器、谐振腔、光电探测器以及光纤的工作波长相同，例如都为1550nm。所述左工作光源LD1、右工作光源LD2内设DFB和隔离器，内设DFB的LD带宽为1MHz，输出功率10mW，内设的隔离器用于防止瑞利背向散射引起噪声和强反射光引起混沌效应。所述左环行器Cir1、右环行器Cir2为三端口光纤环行器。所述无源环形谐振腔RRC为闭合的单模光纤环，与工作光源的带宽对应，腔长为10m。所述输入耦合器C1、输出耦合器C2均为2×2单模光纤耦合器，耦合比都为1:99，强度直通系数为0.99，强度旁通耦合系数为0.01。左分束耦合器C3和右分束耦合器C4的耦合比都为10:90，强度直通耦合系数为0.9，强度旁通耦合系数为0.1。合束耦合器C5的耦合比为50:50。左隔离器ISO1在左工作光源LD1的外谐振回路中的设置位置为以下三个之一：左环行器Cir1与输入耦合器C1之间，输出耦合器C2与左分束耦合器C3之间，左分束耦合器C3与左环行器Cir1之间；与此对应，右隔离器ISO2在右工作光源LD2的外谐振回路中的设置位置为以下三个之一：右环行器Cir2与输入耦合器C1之间，输出耦合器C2与右分束耦合器C4之间，右分束耦合器C4与右环行器Cir2之间。所述左隔离器ISO1、右隔离器ISO2都为两级光纤隔离器，隔离度大于30dB。光电探测器PD为带有光纤尾纤的PIN光电探测器。
所述左隔离器ISO1、右隔离器ISO2的作用是保持光在外谐振回路中单向导通，避免两个外谐振回路中光互窜，表现为来自两个工作光源的光只从输入耦合器C1进入无源环形谐振腔RRC。
本发明之自注入锁定谐振式光学陀螺工作方法如图2所示，首先，自注入锁定稳频：由左工作光源LD1发出的光经左环行器Cir1进入左工作光源LD1的外谐振回路，在无源环形谐振腔RRC中沿顺时针方向环形谐振，自输出耦合器C2输出，由左分束耦合器C3分束，直通光束返回左工作光源LD1的内腔，将左工作光源LD1的输出频率锁定在无源环形谐振腔RRC的顺时针谐振频率上；同时，由右工作光源LD2发出的光经右环行器Cir2进入右工作光源LD2的外谐振回路，在无源环形谐振腔RRC中沿逆时针方向环形谐振，自输出耦合器C2输出，由右分束耦合器C4分束，直通光束返回右工作光源LD2的内腔，将右工作光源LD2的输出频率锁定在无源环形谐振腔RRC的逆时针谐振频率上；其次，测量旋转角速度：由左分束耦合器C3分束后的旁通光束、由右分束耦合器C4分束后的旁通光束经合束耦合器C5合束后由光电探测器PD转变为电信号，差频信号检测电路EC从该电信号中测得两束旁通光束之间的频率差，根据该频率差与陀螺旋转角速度的正比关系，完成旋转角速度的测量。

Claims (10)

1.一种自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于：
左工作光源(LD1)由光纤连接到左环行器(Cir1)的一个端口(1)，左环行器(Cir1)为顺时针环行器；左环行器(Cir1)、输入耦合器(C1)、无源环形谐振腔(RRC)、输出耦合器(C2)、左分束耦合器(C3)、左环行器(Cir1)依次连接构成左工作光源(LD1)的外谐振回路，环形谐振方向为顺时针方向，其中，左环行器(Cir1)的下一个端口(2)连接输入耦合器(C1)，左分束耦合器(C3)连接左环行器(Cir1)的再下一个端口(3)；在左工作光源(LD1)的外谐振回路中沿谐振方向设置左隔离器(ISO1)；
右工作光源(LD2)由光纤连接到右环行器(Cir2)的一个端口(1)，右环行器(Cir2)为逆时针环行器；右环行器(Cir2)、输入耦合器(C1)、无源环形谐振腔(RRC)、输出耦合器(C2)、右分束耦合器(C4)、右环行器(Cir2)依次连接构成右工作光源(LD2)的外谐振回路，环形谐振方向为逆时针方向，其中，右环行器(Cir2)的下一个端口(2)连接输入耦合器(C1)，右分束耦合器(C4)连接右环行器(Cir2)的再下一个端口(3)；在右工作光源(LD2)的外谐振回路中沿谐振方向设置右隔离器(ISO2)；
左分束耦合器(C3)、右分束耦合器(C4)还分别连接到合束耦合器(C5)，合束耦合器(C5)再与光电探测器(PD)光学连接，光电探测器(PD)再与差频信号检测电路(EC)电学连接。
2.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，所述工作光源、环行器、隔离器、耦合器、谐振腔、光电探测器以及光纤的工作波长相同。
3.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，所述左工作光源(LD1)、右工作光源(LD2)内设DFB和隔离器。
4.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，所述左环行器(Cir1)、右环行器(Cir2)为三端口光纤环行器。
5.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，所述无源环形谐振腔(RRC)为闭合的单模光纤环，与工作光源的带宽对应，腔长为10m。
6.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，所述输入耦合器(C1)、输出耦合器(C2)均为2×2单模光纤耦合器，耦合比都为1:99，强度直通系数为0.99，强度旁通耦合系数为0.01。
7.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，左分束耦合器(C3)和右分束耦合器(C4)的耦合比都为10:90，强度直通耦合系数为0.9，强度旁通耦合系数为0.1。
8.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，合束耦合器(C5)的耦合比为50:50。
9.根据权利要求1所述的自注入锁定谐振式光学陀螺，其特征在于，左隔离器(ISO1)在左工作光源(LD1)的外谐振回路中的设置位置为以下三个之一：左环行器(Cir1)与输入耦合器(C1)之间，输出耦合器(C2)与左分束耦合器(C3)之间，左分束耦合器(C3)与左环行器(Cir1)之间；与此对应，右隔离器(ISO2)在右工作光源(LD2)的外谐振回路中的设置位置为以下三个之一：右环行器(Cir2)与输入耦合器(C1)之间，输出耦合器(C2)与右分束耦合器(C4)之间，右分束耦合器(C4)与右环行器(Cir2)之间；所述左隔离器(ISO1)、右隔离器(ISO2)都为两级光纤隔离器，隔离度大于30dB。
10.一种自注入锁定谐振式光学陀螺工作方法，其特征在于：
首先，自注入锁定稳频：由左工作光源(LD1)发出的光经左环行器(Cir1)进入左工作光源(LD1)的外谐振回路，在无源环形谐振腔(RRC)中沿顺时针方向环形谐振，自输出耦合器(C2)输出，由左分束耦合器(C3)分束，直通光束返回左工作光源(LD1)的内腔，将左工作光源(LD1)的输出频率锁定在无源环形谐振腔(RRC)的顺时针谐振频率上；同时，由右工作光源(LD2)发出的光经右环行器(Cir2)进入右工作光源(LD2)的外谐振回路，在无源环形谐振腔(RRC)中沿逆时针方向环形谐振，自输出耦合器(C2)输出，由右分束耦合器(C4)分束，直通光束返回右工作光源(LD2)的内腔，将右工作光源(LD2)的输出频率锁定在无源环形谐振腔(RRC)的逆时针谐振频率上；
其次，测量旋转角速度：由左分束耦合器(C3)分束后的旁通光束、由右分束耦合器(C4)分束后的旁通光束经合束耦合器(C5)合束后由光电探测器(PD)转变为电信号，差频信号检测电路(EC)从该电信号中测得两束旁通光束之间的频率差，根据该频率差与陀螺旋转角速度的正比关系，完成旋转角速度的测量。
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