CN109556593B - 一种角速度测量装置、方法及其载具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角速度测量装置、方法及其载具，测量光梳信号通过第一分光器分成在测量回路中相向传输的第一光梳信号和第二光梳信号后在第一分光器上并输出合光光梳信号，所述合光光梳信号与所述的本振光梳信号发生多外差干涉并输出干涉信号，当测量回路旋转时，第一光梳信号和第二光梳信号在第一分光器上发生Sagnac效应，通过与本振光梳信号进行多外差干涉后对干涉信号进行分析，即可获得测量回路旋转的绝对角速度，本发明上述实施方式只需使用一个单点探测器即可能够准确、快速测量绝对角速度。

Description

一种角速度测量装置、方法及其载具

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种角速度测量装置，方法及其载具。

背景技术

应用Sagnac效应(萨格纳克效应)的Sagnac干涉仪是一种高精度的干涉仪，Sagnac干涉仪用于测量相对角速度。

Sagnac干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿方向相反的闭合光路传播，最后汇合到分束器回到探测器。当所述的闭合光路在惯性空间内绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因为光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。该光程差对应的位相差与旋转角度之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，可以确定旋转相对角速度。

在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动，两束光的光程变化皆相等，因此接收端探测不到光强变化。它的优势在于，因为两束光处在相同的环境中，所以可以屏蔽外界环境对光路的影响，即具有互易性。但上述激光Sagnac干涉仪只能测量相对角速度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可以测量绝对角速度的角速度测量装置，方法及其载具。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

本发明的第一方面，提供了一种角速度测量装置，包括：

信号光频梳发射器，用于发射测量光梳信号；

本振光频梳发射器，用于发射本振光梳信号，所述本振光梳信号与测量光梳信号之间具有重复频率差和重叠的光谱范围；

第一分光器，接收来自信号光频梳发射器的测量光梳信号，并将所述的测量光梳信号分成第一光梳信号和第二光梳信号；

测量臂光路，包括互通的两个端口，所述的两个端口分别接收来自第一分光器的第一光梳信号和第二光梳信号，所述第一光梳信号和第二光梳信号在测量臂光路内的传输方向相反，所述测量臂光路与第一分光器之间构成测量回路，第一光梳信号和第二光梳信号通过测量臂光路后合光于第一分光器上并输出合光光梳信号；

第二分光器，接收来自本振光频梳发射器的本振光梳信号和来自第一分光器的合光光梳信号，所述的本振光梳信号和合光光梳信号在第二分光器上发生多外差干涉并输出干涉信号；

测量装置，用于接收所述的干涉信号，并根据所述干涉信号计算出绝对角速度。

具体地，所述测量装置包括探测器、高速数据采集器、干涉信号截取模块、快速傅立叶变换运算模块、公式计算模块，所述探测器、高速数据采集器、干涉信号截取模块、快速傅立叶变换运算模块和公式计算模块依次连接。

所述探测器用于接收干涉信号，优选为高带宽探测器。

所述高速数据采集器为高速数据采集卡，用于采集高带宽探测器所检测到的干涉信号。

优选地，结合本发明第一方面的一种实施方式，高带宽探测器产生的电压信号先经过一个带宽为重复频率一半的低通滤波器，再使用高速数据采集器进行采集，这样可以去除信号中的非相干部分，直接得到连续的干涉信号，高速数据采集器的采样周期也可以随意设定，而且也具有抗混叠的效果。

结合本发明第一方面的另一种实施方式，高速数据采集器直接采集高带宽探测器所产生的电压信号，这时高速数据采集器的采样周期为本振光梳信号的重复频率，并通过调相使得采样信噪比最大。

单个干涉周期为处理周期，每个处理周期进行一次角速度计算，所述干涉信号截取模块在每个干涉周期的干涉信号，在一个干涉周期能截取到两个明显的干涉信号，并计算记录两段时间区间对应的时间差t₀。

所述快速傅立叶变换运算模块将截取出的两段干涉信号进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k。

由于相频谱的斜率差等于信号的时移，通过斜率k和已知的既定时移，可通过以下公式求出单个干涉周期信号计算的绝对角速度为：

其中，c为光速，A为测量回路围成的面积，Δf_r为测量光梳信号与本振光梳信号之间的重复频率差，f_s为测量光梳信号的重复频率，Δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号中心对应的精确时间差，即Δτ＝k+t₀。

因此上式可变为：

结合本发明第一方面，测量臂光路的第一种实施方式，包括多个反射镜，所述的多个反射镜之间组成所述的测量臂光路。

结合本发明第一方面，测量臂光路的第二种实施方式，所述测量臂光路为光纤环。

进一步，第一分光器和/或第二分光器为分光棱镜。结合测量臂光路的第一种实施方式，测量臂光路两端的反射镜作为端口分别对应于分光棱镜的反射侧和透射侧。结合测量臂光路的第一种实施方式，光纤环的两个端口分别对应于分光棱镜的反射侧和透射侧。

进一步，所述信号光频梳发射器与第一分光器之间，和/或本振光频梳发射器与第二分光器之间设置有平行光整形器。所述平行光整形器为凸透镜。

进一步，所述第一分光器与第二分光器之间设置有用于将合光光梳信号处理为偏振光状态的第一偏振模块，本振光频梳发射器与第二分光器之间设置有用于将发射本振光梳信号处理为偏振光状态的第二偏振模块。

所述第一偏振模块和二偏振模块为将合光光梳信号和发射本振光梳信号变为S线偏光的S偏振片。

本发明的第二方面，提供了一种角速度测量方法，包括以下步骤：

发射测量光梳信号和本振光梳信号；

测量光梳信号通过第一分光器分成第一光梳信号和第二光梳信号；

第一光梳信号和第二光梳信号在测量回路相向传输，并合光于第一分光器上并形成合光光梳信号；

第二分光器接收自本振光频梳发射器的本振光梳信号和来自第一分光器的合光光梳信号，本振光梳信号和合光光梳信号在第二分光器上发生多外差干涉并输出干涉信号；

获取所述的干涉信号并计算出绝对角速度。

进一步，所述绝对角速度的计算方法包括：

截取一个干涉周期中的先后两段干涉信号，计算两次干涉信号中心对应的精确时间差Δτ，

通过以下公式求出单个干涉周期信号计算的绝对角速度Ω，

其中，c为光速，A为测量回路围成的面积，Δf_r为测量光梳信号与本振光梳信号之间的重复频率差，f_s为测量光梳信号的重复频率，Δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号中心对应的精确时间差。

进一步，所述精确时间差Δτ通过以下步骤计算得到：

获取所截取的一个干涉周期内的两个干涉信号两段时间区间对应的时间差t₀；

对截取出的两段干涉信号进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k；

两次干涉信号中心对应的精确时间差Δτ＝k+t₀。

本发明的第三方面，提供了一种载具，应用本发明第一方面的角速度测量装置。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

根据本发明上述实施方式所提供的一种角速度测量装置、方法及其载具，通过具有重复频率差和重叠的光谱范围的测量光梳信号和本振光梳信号，测量光梳信号通过第一分光器分成在测量回路中相向传输的第一光梳信号和第二光梳信号后在第一分光器上并输出合光光梳信号，所述合光光梳信号与所述的本振光梳信号发生多外差干涉并输出干涉信号，当测量回路旋转时，第一光梳信号和第二光梳信号在第一分光器上发生Sagnac效应，第一光梳信号和第二光梳信号的光程发生变化，并且具有不同的相位延迟，合光光梳信号的单脉冲会分裂成时移恒定的双脉冲，通过与本振光梳信号进行多外差干涉后对干涉信号进行分析，即可获得测量回路旋转的绝对角速度，本发明上述实施方式只需使用一个单点探测器即可能够准确、快速测量绝对角速度。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1为本发明一个实施例所提供角速度测量装置的系统原理图；

图2是本发明一个实施例所提供的测量装置的原理框图；

图3是本发明一个实施例所提供的角速度测量方法的方法流程图；

图4是本发明一个实施例所提供的角速度测量原理示意图。

具体实施方式

参照图1-图2，本发明的一个实施例，提供一种角速度测量装置600，包括：

信号光频梳发射器100，用于发射测量光梳信号101；

本振光频梳发射器200，用于发射本振光梳信号201，所述本振光梳信号201与测量光梳信号101之间具有重复频率差和重叠的光谱范围；

第一分光器300，接收来自信号光频梳发射器100的测量光梳信号101，并将所述的测量光梳信号101分成第一光梳信号102和第二光梳信号103；

测量臂光路500，包括互通的两个端口501，所述的两个端口501分别接收来自第一分光器300的第一光梳信号102和第二光梳信号103，所述第一光梳信号102和第二光梳信号103在测量臂光路500内的传输方向相反，所述测量臂光路500与第一分光器300之间构成测量回路，第一光梳信号102和第二光梳信号103通过测量臂光路500后合光于第一分光器300上并输出合光光梳信号301；

第二分光器400，接收来自本振光频梳发射器200的本振光梳信号201和来自第一分光器300的合光光梳信号301，所述的本振光梳信号201和合光光梳信号301在第二分光器400上发生多外差干涉并输出干涉信号401；

测量装置600，用于接收所述的干涉信号401，并根据所述干涉信号401计算出绝对角速度。

其中所述的本振光频梳发射器200和信号光频梳发射器100，采用频率稳定的光频梳激光器作为本振光频梳发射器200和信号光频梳发射器100的激光器光源。本振光频梳发射器200和信号光频梳发射器100发射的光线具有微小的重复频率差和重叠的光谱范围。其中所述光频梳激光器可以采用飞秒级别的激光器，这样可以发射出飞秒频率光梳信号，可以每1mm得到一次测量结果，具有非常好的实时性。

参照图2、图4所示，所述测量装置600包括探测器、高速数据采集器、干涉信号401截取模块、快速傅立叶变换运算模块、公式计算模块，所述探测器、高速数据采集器、干涉信号401截取模块、快速傅立叶变换运算模块和公式计算模块依次连接。

所述探测器用于接收干涉信号401，优选为高带宽探测器。

所述高速数据采集器为高速数据采集卡，用于采集高带宽探测器所检测到的干涉信号401。

优选地，本发明的一种实施方式，所述高带宽探测器产生的电压信号先经过一个带宽为重复频率一半的低通滤波器，再使用高速数据采集器进行采集，这样可以去除信号中的非相干部分，直接得到连续的干涉信号401，高速数据采集器的采样周期也可以随意设定。

本发明的另一种实施方式，所述高速数据采集器直接采集高带宽探测器所产生的电压信号，这时高速数据采集器的采样周期为本振光梳信号201的重复频率，并通过调相使得采样信噪比最大。

光频梳信号在时域表现为飞秒级的载波包络脉冲，将信号光频梳作为Sagnac干涉仪的光源，当测量回路旋转时，第一光梳信号102和第二光梳信号103在第一分光器300上发生Sagnac效应，第一光梳信号102和第二光梳信号103的光程发生变化，并且具有不同的相位延迟，两束光产生两个位置不同的干涉信号401，合光光梳信号301的单脉冲会分裂成时移恒定的双脉冲，这些干涉信号401的幅值大小近似相同，但这个时移非常微小，使用一般的探测方法很难准确测量，因此还需使用一个和信号光频梳有微小重复频率差的本振光梳信号201与两组测量光脉冲进行多外差干涉，如果以本振光的脉冲信号作为启动采样的外时钟，采集到的点就是本振光和两组测量光脉冲的互相关函数，得到的两组互相关函数之间的时延和原本的时延之间存在一个固定倍数关系，分别拟合傅里叶变换相频谱的斜率即可求出两组互相关函数之间的时延，即通过与本振光梳信号201进行多外差干涉后对干涉信号401进行分析，即可获得测量回路旋转的绝对角速度。

单个干涉周期为处理周期，每个处理周期进行一次角速度计算，所述干涉信号401截取模块在每个干涉周期的干涉信号401，在一个干涉周期能截取到两个明显的干涉信号401，并计算记录两段时间区间对应的时间差t₀。

所述快速傅立叶变换运算模块将截取出的两段干涉信号401进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k。

由于相频谱的斜率差等于信号的时移，通过斜率k和已知的既定时移，可通过以下公式求出单个干涉周期信号计算的绝对角速度为：

其中，c为光速，A为测量回路围成的面积，Δf_r为测量光梳信号101与本振光梳信号201之间的重复频率差，f_s为测量光梳信号101的重复频率，Δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号401中心对应的精确时间差，即Δτ＝k+t₀。

因此上式可变为：

结合本发明测量臂光路500的第一种实施方式，包括多个反射镜502，所述的多个反射镜502之间组成所述的测量臂光路500。由反射镜502组成的测量臂光路500，具有成本低，容易校正的作用。

结合本发明测量臂光路500的第二种实施方式，所述测量臂光路500为光纤环。通过光纤环，能便于安装，稳定性也较好。

第一分光器300和/或第二分光器400为分光棱镜。结合测量臂光路500的第一种实施方式，测量臂光路500两端的反射镜502作为端口501分别对应于分光棱镜的反射侧和透射侧。结合测量臂光路500的第一种实施方式，光纤环的两个端口501分别对应于分光棱镜的反射侧和透射侧。

所述信号光频梳发射器100与第一分光器300之间，和/或本振光频梳发射器200与第二分光器400之间设置有平行光整形器700。所述平行光整形器700为凸透镜。

所述第一分光器300与第二分光器400之间设置有用于将合光光梳信号301处理为偏振光状态的第一偏振模块81，本振光频梳发射器200与第二分光器400之间设置有用于将发射本振光梳信号201处理为偏振光状态的第二偏振模块82。

所述第一偏振模块81、二偏振模块包括将合光光梳信号301和发射本振光梳信号201变为S线偏光的S偏振片801和波片802，本振光梳信号201、合光光梳信号301通过依次通过波片802和S偏振片801输出，通过波片802和S偏振片801的组合，能提高整个光路系统的信噪比。

所述第二分光器400与测量装置600之间设置有窄带滤光片，干涉信号401通过一个窄带滤光片后被高带宽探测器接收，通过使用滤光片可以保证双光频梳的多外差干涉不发生频谱混叠。

优选地，使用中心波长和带宽可调的滤光片，优化中心波长和带宽时需要依据探测器信号的时域波形和频谱位置，当时域干涉部分点数足够多且频谱中心位于光频梳重频的四分之一位置时，信号混叠达到最小，双光频梳测量角速度系统可达到最大精度。

干涉光路在调节时需要遵守以下步骤：在四分之一波片和S偏振片801之间放一个光功率计，旋转信号光频梳对应的S偏振片801直到光功率最大，接着旋转信号光频梳对应的半波片直到光功率最大。之后将光功率计移动到第二分光器400和滤光片之间，遮住本振光频梳发射器200，记录此时的光功率。打开本振光频梳发射器200，遮住信号光频梳发射器100，调节本振光频梳发射器200对应的S偏振片801直到光功率最大，再旋转本振光频梳发射器200对应的半波片使得光功率和之前记录的光功率大小相等，此时打开信号光后整个系统的信噪比被优化到最大。

参照图3、图4所示，本发明的一个实施例，提供了一种角速度测量方法，包括以下步骤：

发射测量光梳信号101和本振光梳信号201；

测量光梳信号101通过第一分光器300分成第一光梳信号102和第二光梳信号103；

第一光梳信号102和第二光梳信号103在测量回路相向传输，并合光于第一分光器300上并形成合光光梳信号301；

第二分光器400接收自本振光频梳发射器200的本振光梳信号201和来自第一分光器300的合光光梳信号301，本振光梳信号201和合光光梳信号301在第二分光器400上发生多外差干涉并输出干涉信号401；

获取所述的干涉信号401并计算出绝对角速度。

进一步，所述绝对角速度的计算方法包括：

截取一个干涉周期中的先后两段干涉信号401，计算两次干涉信号401中心对应的精确时间差Δτ，

通过以下公式求出单个干涉周期信号计算的绝对角速度Ω，

其中，c为光速，A为测量回路围成的面积，Δf_r为测量光梳信号101与本振光梳信号201之间的重复频率差，f_s为测量光梳信号101的重复频率，Δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号401中心对应的精确时间差。

进一步，所述精确时间差Δτ通过以下步骤计算得到：

获取所截取的一个干涉周期内的两个干涉信号401两段时间区间对应的时间差t₀；

对截取出的两段干涉信号401进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k；

两次干涉信号401中心对应的精确时间差Δτ＝k+t₀。

本发明的一个实施例，提供了一种载具，应用本发明上述实施方式中的角速度测量装置600。

其中所述载具可以为海陆空的载具，例如飞行器、船只、游轮、车辆等。

根据本发明上述实施方式所提供的一种角速度测量装置600、方法及其载具，通过具有重复频率差和重叠的光谱范围的测量光梳信号101和本振光梳信号201，测量光梳信号101通过第一分光器300分成在测量回路中相向传输的第一光梳信号102和第二光梳信号103后在第一分光器300上并输出合光光梳信号301，所述合光光梳信号301与所述的本振光梳信号201发生多外差干涉并输出干涉信号401，当测量回路旋转时，第一光梳信号102和第二光梳信号103在第一分光器300上发生Sagnac效应，第一光梳信号102和第二光梳信号103的光程发生变化，并且具有不同的相位延迟，合光光梳信号301的单脉冲会分裂成时移恒定的双脉冲，通过与本振光梳信号201进行多外差干涉后对干涉信号401进行分析，即可获得测量回路旋转的绝对角速度，本发明上述实施方式只需使用一个单点探测器即可能够准确、快速测量绝对角速度。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种角速度测量装置，其特征在于，包括：

信号光频梳发射器，用于发射测量光梳信号；

本振光频梳发射器，用于发射本振光梳信号，所述本振光梳信号与测量光梳信号之间具有重复频率差和重叠的光谱范围；

第一分光器，接收来自信号光频梳发射器的测量光梳信号，并将所述的测量光梳信号分成第一光梳信号和第二光梳信号；

测量臂光路，包括互通的两个端口，所述的两个端口分别接收来自第一分光器的第一光梳信号和第二光梳信号，所述第一光梳信号和第二光梳信号在测量臂光路内的传输方向相反，所述测量臂光路与第一分光器之间构成测量回路，第一光梳信号和第二光梳信号通过测量臂光路后合光于第一分光器上并输出合光光梳信号；

第二分光器，接收来自本振光频梳发射器的本振光梳信号和来自第一分光器的合光光梳信号，所述的本振光梳信号和合光光梳信号在第二分光器上发生多外差干涉并输出干涉信号；

测量装置，用于接收所述的干涉信号，并根据所述干涉信号计算出绝对角速度。

2.根据权利要求1所述的一种角速度测量装置，其特征在于，所述测量装置包括探测器、高速数据采集器、干涉信号截取模块、快速傅立叶变换运算模块、公式计算模块，所述探测器、高速数据采集器、干涉信号截取模块、快速傅立叶变换运算模块和公式计算模块依次连接。

3.根据权利要求1所述的一种角速度测量装置，其特征在于，包括多个反射镜，所述的多个反射镜之间组成所述的测量臂光路。

4.根据权利要求1或3所述的一种角速度测量装置，其特征在于，所述的第一分光器和/或第二分光器为分光棱镜。

5.根据权利要求1所述的一种角速度测量装置，其特征在于，所述第一分光器与第二分光器之间设置有用于将合光光梳信号处理为偏振光状态的第一偏振模块，本振光频梳发射器与第二分光器之间设置有用于将发射本振光梳信号处理为偏振光状态的第二偏振模块。

6.一种角速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

发射测量光梳信号和本振光梳信号；

测量光梳信号通过第一分光器分成第一光梳信号和第二光梳信号；

第一光梳信号和第二光梳信号在测量回路相向传输，并合光于第一分光器上并形成合光光梳信号；

第二分光器接收自本振光频梳发射器的本振光梳信号和来自第一分光器的合光光梳信号，本振光梳信号和合光光梳信号在第二分光器上发生多外差干涉并输出干涉信号；

获取所述的干涉信号并计算出绝对角速度。

7.根据权利要求6所述的一种角速度测量方法，其特征在于，所述绝对角速度的计算方法包括：

截取一个干涉周期中的先后两段干涉信号，计算两次干涉信号中心对应的精确时间差Δτ，

通过以下公式求出单个干涉周期信号计算的绝对角速度Ω，

其中，c为光速，A为测量回路围成的面积，Δf_r为测量光梳信号与本振光梳信号之间的重复频率差，f_s为测量光梳信号的重复频率，Δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号中心对应的精确时间差。

8.根据权利要求7所述的一种角速度测量方法，其特征在于，所述精确时间差Δτ通过以下步骤计算得到：

获取所截取的一个干涉周期内的两个干涉信号两段时间区间对应的时间差t₀；

对截取出的两段干涉信号进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k；

两次干涉信号中心对应的精确时间差Δτ＝k+t₀。

9.一种载具，其特征在于，应用权利要求1-5任一所述的角速度测量装置。

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