CN108225298B - 一种三频差动谐振式光纤陀螺 - Google Patents

一种三频差动谐振式光纤陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤陀螺技术，具体涉及一种三频差动谐振式光纤陀螺。本发明中对单激光光源进行三路光分束，采用调制和相敏解调技术控制激光光源、两个声光移频器实现三频谐振锁定，在谐振腔内构建双陀螺，通过直接频率计数，再进行差分运算得到陀螺输出信号和自由光谱范围，最终实现三频差动技术。本发明将三束光的频率分开整数倍的FSR，信号检测和锁频电路可滤除背向散射光信号，最终大幅谐振腔降低背向散射光对主要光束的耦合误差的影响；在腔内的双陀螺很多误差属于共模误差，通过差分解调可大幅降低谐振腔内共模误差影响，降低陀螺噪声，提高陀螺性能。

Description

一种三频差动谐振式光纤陀螺
技术领域
本发明属于光纤陀螺技术，具体涉及一种三频差动谐振式光纤陀螺。
背景技术
谐振式光纤陀螺采用的基本原理与激光陀螺和干涉式光纤陀螺相同，仍然是Sagnac效应；但不同的是，谐振式光纤陀螺具有天然的精度优势，它结合了激光陀螺的谐振特性和传统干涉式光纤陀螺的多匝光路特性，因而，谐振式光纤陀螺具有体积更小、精度更高的潜力。
谐振式光纤陀螺已经广泛研究了三十年，其技术进展主要包括偏振波动误差抑制、透射式谐振腔、信号调制和谐振跟踪等。但公开报道中谐振式光纤陀螺的性能仍低于预期。通常谐振式光纤陀螺采用典型的单陀螺方案，该方案中顺逆光束各仅包含一个频率的光，且两束光的频率接近，背向散射光向主光束能量耦合时，容易产生背向散射噪声，造成陀螺误差。
发明内容
本发明目的是：提供一种可大幅降低背向散射噪声，并能够抑制谐振腔内的共模误差，提高陀螺性能的三频差动谐振式光纤陀螺。
本发明的技术方案是：一种三频差动谐振式光纤陀螺，其包括三路激光，所述三路激光由同一光源经分束器分别输出，其中，第一路经谐振腔输入耦合器，输入谐振腔，另外第二路、第三路分别移频后由耦合器合束，再经谐振腔输入耦合器，输入谐振腔，三路激光在谐振腔内进行谐振，且第二路、第三路在谐振腔内的传播方向相同并与第一路在谐振腔内的传播方向相反，谐振腔的三路激光输出分别经各自相敏解调器后用于频率锁定。
所述相敏解调器为基于方波的相敏解调器，解调时，先对与调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对激光输出进行同步解调。
所述第一路谐振器输出激光经相敏解调后对光源进行反馈。
第二路和第三路在进入耦合器合束之前分别设置有移频器，用于将两路的频率分别移动到第一路频率的两侧。
第二路和第三路频率分别移动到第一路频率的两侧的FSR的整数倍处。
第二路和第三路的相敏解调器分别经各自的频率综合振荡器连接各自的移频器。
第二路和第三路的相敏解调器分别经各自的信号调制模块连接各自的相位调制器，且所述相位调制器均与各自移频器连接。
第二路和第三路各自的频率综合振荡器均连接陀螺信号处理及读出模块，对频率综合振荡器的参考信号进行直接计数和三频差动运算。
第一路、第二路和第三路激光输出致耦合器之前均设置有强度伺服器。
本发明技术效果是：本发明中对单激光光源进行三路光分束，采用调制和相敏解调技术控制激光光源、两个声光移频器实现三频谐振锁定，在谐振腔内构建双陀螺，通过直接频率计数，再进行三频差动运算得到陀螺输出信号和自由光谱范围，最终实现三频差动技术。本发明将三束光的频率分开整数倍的FSR，相邻频率差约为几十MHz，信号检测和锁频电路可滤除几十MHz的背向散射光信号，最终大幅谐振腔降低背向散射光对主要光束的耦合误差的影响；在腔内的双陀螺很多误差属于共模误差，通过差分解调可大幅降低谐振腔内共模误差影响，降低陀螺噪声，提高陀螺性能。
附图说明
图1为本发明三频差动谐振式光纤陀螺的结构示意图；
图2为本发明三频差动原理示意图。
其中，1-激光光源、2-激光驱动控制器、3-1×3光纤分束器、4-第一相位调制器、5-第一信号调制模块、6-第一强度伺服器、7-第二相位调制器、8-第二信号调制模块、9-下移频声光移频器、10-第一频率综合振荡器、11-第二强度伺服器、12-第三相位调制器、13-第三信号调制模块、14-上移频声光移频器、15-第二频率综合振荡器、16-第三强度伺服器、17-2×2光纤耦合器、18-谐振腔输入2×2光纤耦合器、19-光纤谐振腔、20-谐振腔输出2×2光纤耦合器、21-第一光电探测器、22-第一相敏解调器、23-第二光电探测器、24-第一带通滤波器、25-第二相敏解调器、26-第二带通滤波器、27-第三相敏解调器、28-陀螺信号处理及读出模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
请参阅图1，本发明三频差动谐振式光纤陀螺包括激光光源1、激光驱动控制器2、1×3光纤分束器3、第一相位调制器4、第一信号调制模块5、第一强度伺服器6、第二相位调制器7、第二信号调制模块8、下移频声光移频器9、第一频率综合振荡器10、第二强度伺服器11、第三相位调制器12、第三信号调制模块13、上移频声光移频器14、第二频率综合振荡器15、第三强度伺服器16、2×2光纤耦合器17、谐振腔输入2×2光纤耦合器18、光纤谐振腔19、谐振腔输出2×2光纤耦合器20、第一光电探测器21、第一相敏解调器22、第二光电探测器23、第一带通滤波器24、第二相敏解调器25、第二带通滤波器26、第三相敏解调器27、陀螺信号处理及读出模块28。
其中，光纤谐振腔19逆时针光输出端口连接第一光电探测器21，分别第一光电探测器21顺次经第一相敏解调器22、激光驱动控制器2连接激光光源1，光纤谐振腔19顺时针光输出端口连接第二光电探测器23，分别第二光电探测器23顺次经第一带通滤波器24、第二相敏解调器25、第一频率综合振荡器10连接下移频声光移频器9，同时，分别第二光电探测器23还顺次经第二带通滤波器26、第三相敏解调器27、第二频率综合振荡器15连接上移频声光移频器14；激光光源1输出端经1×3光纤分束器3分为三路，第一路顺次经第一相位调制器4、第一强度伺服器6进入光纤谐振腔19，第二路顺次经第二相位调制器7、下移频声光移频器9、第二强度伺服器11进入光纤谐振腔19，第三路顺次经第三相位调制器12、上移频声光移频器14、第三强度伺服器16进入光纤谐振腔19；第一信号调制模块5设置在第一相位调制器4和第一相敏解调器22之间，第二信号调制模块8设置在第二相位调制器7和第二相敏解调器25之间，第三信号调制模块13设置在第三相位调制器12和第三相敏解调器27之间。所述陀螺信号处理及读出模块28连接第一频率综合振荡器10和第二频率综合振荡器15，用于输出陀螺信号。
本发明采用单激光器三光分束和上、下移频的声光移频器实现的三频差动技术。该技术将三束光的频率分开整数倍的FSR(Free spectral range,自由光谱范围)，相邻频率差约为几十MHz，信号检测和锁频电路可滤除几十MHz的背向散射光信号，最终大幅谐振腔降低背向散射光对主要光束的耦合误差的影响；在腔内的双陀螺很多误差属于共模误差，通过差分解调可大幅降低谐振腔内共模误差影响，降低陀螺噪声，提高陀螺性能。
如图1所示，激光光源1输出端经1×3光纤分束器3分为三路，第一路为逆时针光路，第二路和第三路组成顺时针光路。
第一信号调制模块5产生调制信号，输入至第一相位调制器4，第一相位调制器4输出的光波相位产生调制，再输入至第一强度伺服器6。第一强度伺服器6大幅降低第一路光波(逆时针光波)的残余强度调制、同时减小相对强度噪声，并通过谐振腔输入2×2光纤耦合器18输入至光纤谐振腔19。第一路光波(逆时针光波)在谐振腔中谐振，通过谐振腔输出2×2光纤耦合器20输出，并经第一光电探测器21转换为光强电信号。第一相敏解调器22先对与第一相位调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对逆时针激光输出的交流光强信号进行同步解调，再根据解调误差控制激光驱动控制器2，驱动激光器器输出光波产生频率移动，使得第一路光波频率fccw锁定至谐振腔逆时针第q个谐振峰处，如图2所示。这种调制解调方案通过检测光强间接检测频率，实现频率微弱信号检测，提高了检测灵敏度；该调制方案将调制信号施加在相位调制器上，而将反馈控制信号施加在激光光源上，与调制信号和反馈信号同时施加在激光光源上的直接调制方案相比，提高了激光光源的输出稳定性。
第二信号调制模块8产生调制信号，输入至第二相位调制器7，第二相位调制器7输出的光波相位产生调制，再输入至下移频声光移频器9。第一频率综合振荡器10输出信号的初始频率与第二频率综合振荡器15输出信号的固定频率基本相同，驱动下移频声光移频器9，使得第二路光波(顺时针光波)产生频率移动，再输入至第二强度伺服器11。第二强度伺服器11大幅降低第二路光波的残余强度调制、同时减小相对强度噪声，并通过谐振腔输入2×2光纤耦合器18输入至光纤谐振腔19。第二路光波在谐振腔中谐振，通过谐振腔输出2×2光纤耦合器20输出，并经第二光电探测器23转换为光强电信号。第二相敏解调器25先对与第二相位调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对顺时针激光输出的交流光强信号进行同步解调，再根据解调误差控制第一频率综合振荡器10，驱动下移频声光移频器9产生光波频率移动，使得第二路光波频率fcw1锁定至谐振腔顺时针第q-1个谐振峰处，如图2所示。
第三信号调制模块13产生调制信号，输入至第三相位调制器12，第三相位调制器12输出的光波相位产生调制，再输入至上移频声光移频器14。第二频率综合振荡器15输出信号的初始频率与第一频率综合振荡器10输出信号的固定频率基本相同，驱动上移频声光移频器14，使得第三路光波(顺时针光波)产生频率移动，再输入至第三强度伺服器16。第三强度伺服器16大幅降低第二路光波的残余强度调制、同时减小相对强度噪声，并通过谐振腔输入2×2光纤耦合器18输入至光纤谐振腔19。第三路光波在谐振腔中谐振，通过谐振腔输出2×2光纤耦合器20输出，并经第二光电探测器23转换为光强电信号。第三相敏解调器27先对与第三相位调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对顺时针激光输出的交流光强信号进行同步解调，再根据解调误差控制第二频率综合振荡器15，驱动上移频声光移频器14产生光波频率移动，使得第二路光波频率fcw2锁定至谐振腔顺时针第q+1个谐振峰处，如图2所示。
由图2可知，3束光频率fccw、fcw1、fcw2，2个声光移频器移频量fAOM1、fAOM2，和谐振腔中顺、逆时针激光Sagnac的频率差Δf，即陀螺输出的关系是：
fAOM1＝fCCW-fCW1＝fFSR-Δf
fAOM2＝fCCW-fCW2＝-fFSR-Δf
通过检测2个声光移频器移频量fAOM1、fAOM2并进行差分计算，得到自由频率谱宽fFSR和陀螺输出Δf：
Figure GDA0003041753810000051
Figure GDA0003041753810000052
第一频率综合振荡器10、第二频率综合振荡器15输出的参考频率信号输入至陀螺信号处理及读出模块28，通过直接频率计数，再进行三频差动运算得到陀螺输出信号和自由光谱范围。与常规三路光间的光学拍频计数检测方案相比，本发明方案利用声光移频器移频量的直接计数方案结构简单、所用器件少，不会引入额外误差，因此具有显著的技术进步。

Claims (8)

1.一种三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，包括三路激光，所述三路激光由同一光源经分束器分别输出，其中，第一路经谐振腔输入耦合器，输入谐振腔，另外第二路、第三路分别移频后由耦合器合束，再经谐振腔输入耦合器，输入谐振腔，三路激光在谐振腔内进行谐振，且第二路、第三路在谐振腔内的传播方向相同并与第一路在谐振腔内的传播方向相反，谐振腔的三路激光输出分别经各自相敏解调器后用于频率锁定；
第一路、第二路和第三路激光输出致耦合器之前均设置有强度伺服器；强度伺服器用于降低光波的残余强度调制、同时减小相对强度噪声；
三路激光中第一路为逆时针光路，第二路和第三路组成顺时针光路；
第一相敏解调器先对与第一相位调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对逆时针激光输出的交流光强信号进行同步解调，再根据解调误差控制激光驱动控制器，驱动激光器输出光波产生频率移动，使得第一路光波频率fccw锁定至谐振腔逆时针第q个谐振峰处；
第二相敏解调器先对与第二相位调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对顺时针激光输出的交流光强信号进行同步解调，再根据解调误差控制第一频率综合振荡器，驱动下移频声光移频器产生光波频率移动，使得第二路光波频率fcw1锁定至谐振腔顺时针第q-1个谐振峰处；
第三相敏解调器先对与第三相位调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对顺时针激光输出的交流光强信号进行同步解调，再根据解调误差控制第二频率综合振荡器，驱动上移频声光移频器产生光波频率移动，使得第三路光波频率fcw2锁定至谐振腔顺时针第q+1个谐振峰处；
q为大于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述相敏解调器为基于方波的相敏解调器，解调时，先对与调制信号同频的方波进行调相，再用调相后的方波对激光输出进行同步解调。
3.根据权利要求1所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，第一路谐振器输出激光经相敏解调后对光源进行反馈。
4.根据权利要求1所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，第二路和第三路在进入耦合器合束之前分别设置有移频器，用于将两路的频率分别移动到第一路频率的两侧。
5.根据权利要求4所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，第二路和第三路频率分别移动到第一路频率的两侧的FSR的整数倍处。
6.根据权利要求1所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，第二路和第三路的相敏解调器分别经各自的频率综合振荡器连接各自的移频器。
7.根据权利要求6所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，第二路和第三路的相敏解调器分别经各自的信号调制模块连接各自的相位调制器，且所述相位调制器均与各自移频器连接。
8.根据权利要求7所述的三频差动谐振式光纤陀螺，其特征在于，第二路和第三路各自的频率综合振荡器均连接陀螺信号处理及读出模块，对频率综合振荡器的参考信号进行直接计数和三频差动运算。
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