CN109612451A

CN109612451A - 光学陀螺

Info

Publication number: CN109612451A
Application number: CN201910031082.9A
Authority: CN
Inventors: 张书练; 谈宜东
Original assignee: BEIJING LEICE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING LEICE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2019-04-12

Abstract

本发明涉及一种光学陀螺，包括激光器、激光频率调制装置、光纤环、光电探测器以及测相读角单元。激光器作为激光源，提供初始激光束。激光频率调制装置设置于初始激光束的光路上，得到第一激光束。光纤环包括第一端和第二端。第一端设置于第一激光束的光路上。第一激光束从第一端射入光纤环，从第二端射出。第一激光束再次经过激光频率调制装置后，得到第一调制激光束，并返回激光器。激光器射出混合激光束。光电探测器设置于混合激光束的光路上，将混合激光束转换为电信号。测相读角单元与光电探测器电连接，用于测量第一调制激光束的相位变化，并得到与之对应的光纤环的转角信息。本发明通过使第一调制激光束发生自混合干涉进行放大，抵消了在光纤环内的衰减。

Description

光学陀螺

技术领域

本发明涉及光学设备领域，特别是涉及一种光学陀螺。

背景技术

光学陀螺是基于光学萨格奈克效应的惯性导航设备，广泛运用于陆海空天等诸多惯导运用领域。光学陀螺主要分为激光陀螺和光纤陀螺两大类。但传统的光学陀螺，无论是激光陀螺还是光纤陀螺，仅靠拼部件的质量、提高装调精度等措施来改进光学陀螺的性能有非常大的困难。因此，需要发明一种新的性能大幅度提高的光学陀螺。

发明内容

基于此，有必要针对传统的光学陀螺性能难于进一步提高的问题，发明一种光学陀螺。

一种光学陀螺。所述光学陀螺包括：

激光器，作为激光源，提供初始激光束；

激光频率调制装置，设置于所述初始激光束路径上，用于调制所述初始激光束的频率，得到第一激光束；

光纤环，包括第一端和第二端，所述第一端设置于所述第一激光束的光路上，所述第一激光束从所述第一端射入所述光纤环，绕所述光纤环一周后从所述第二端射出，再次经过所述激光频率调制装置后，得到第一调制激光束并返回所述激光器，所述第一调制激光束和所述激光器内光束混合后射出混合激光束，所述第一调制激光束是被所述激光频率调制装置和被所述光纤环旋转调制的激光束；

光电探测器，设置于所述混合激光束的光路上，将所述混合激光束转换为电信号；以及

测相读角单元，与所述光电探测器电连接，用于测量所述第一调制激光束的相位变化，并得到与之对应的所述光纤环的转角信息。

在其中一个实施例中，所述初始激光束经过所述激光频率调制装置后还得到第二激光束，所述第二激光束与所述第一激光束的调制频率不同，所述第二端设置于所述第二激光束的光路上，所述第二激光束从所述第二端射入所述光纤环，绕所述光纤环一周后从所述第一端射出，再次经过所述激光频率调制装置后，得到第二调制激光束，返回所述激光器。

在其中一个实施例中，所述激光频率调制装置包括第二分光装置，设置于所述激光频率调制装置的侧面，用于将所述第一激光束和所述第二激光束分别传输所述第一端和所述第二端。

在其中一个实施例中，所述激光频率调制装置还包括：

第一光阑，设置于所述第二分光装置与所述第一端之间，用于对经过所述激光频率调制装置的激光束进行筛选，使所述第一激光束进入所述第一端；以及

第二光阑，设置于所述第二分光装置与所述第二端之间，用于对经过所述激光频率调制装置的激光束进行筛选，使所述第二激光束进入所述第二端。

在其中一个实施例中，所述测相读角单元包括信号处理单元，与所述光电探测器电连接，用于测量所述混合激光束的电信号的相位变化。

在其中一个实施例中，所述信号处理单元包括：

第一相位检测元件，与所述光电探测器电连接，用以从所述电信号中解调得到对应于所述第一调制激光束的第一电信号；以及

第二相位检测元件，与所述光电探测器电连接，用以从所述电信号中解调得到对应于所述第二调制激光束的第二电信号。

在其中一个实施例中，所述测相读角单元还包括数据处理单元，与所述信号处理单元电连接，用于根据所述电信号的相位变化计算所述光纤环的转角信息。

在其中一个实施例中，所述测相读角单元还包括把所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位求差，计算所述光纤环的转角信息。

在其中一个实施例中，所述光学陀螺包括三个所述光纤环，所述三个光纤环的中心轴互相垂直，所述激光器射出三束初始激光束，所述三束初始激光束经过所述激光频率调制装置后的调制激光束分别传输至所述三个光纤环，然后通过所述激光频率调制装置的调制后，返回所述激光器。

在其中一个实施例中，所述激光频率调制装置包括移频器组。

在其中一个实施例中，所述激光频率调制装置包括第一分光装置，设置于所述激光器的出射激光束的光路上，将所述激光器的出射激光束分别传输至所述激光频率调制装置和所述光电探测器。

上述光学陀螺，包括激光器、激光频率调制装置、光纤环、光电探测器以及测相读角单元。所述激光器射出的初始激光经过所述激光频率调制装置后得到第一激光束，第一激光束从光纤环的第一端进入，从第二端射出。当光纤环发生角度偏转时，所述第一激光束会随之产生相位改变。经过光纤环的第一激光束再次经过所述激光频率调制装置后，得到经过频率调制后的第一调制激光束。所述第一调制激光束返回所述激光器，与所述激光器内原有光场发生自混合干涉效应，之后所述激光器将混合后的混合激光束射出。混合激光束经过所述光电探测器转换为电信号，由所述测相读角单元对所述电信号进行解调处理，得到对应于所述光纤环角度偏移相关的相位变化，从而测出所述光纤环的角速度。所述第一调制激光束经过激光器内的自混合过程后，光强得以数量级倍数增大，可以抵消在所述光纤环内传输造成的衰减。因此，可以使所述光纤环的环路长度增加，从而使得所述第一调制激光束相对于所述第一激光束获得更大的相位差，使得测量结果更加精确，从而提高所述光学陀螺的性能。

上述光学陀螺，还包括所述初始激光束经所述激光频率调制装置后生成的第二激光束。第二激光束从光纤环的第二端进入，从第一端射出，并再次经过所述激光频率调制装置后形成第二调制激光束并回馈至激光器。第二调制激光束在激光器内发生自混后，与所述第一调制激光束自混后形成的混合激光束一同射出。通过所述测相读角单元测得所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位变化并差动相减，可以消除由于外界环境和所述光纤环自身原因比如柔软性等而导致的相位误差，从而使由相位变化计算得到的角速度的精确度更高。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的光学陀螺的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的光学陀螺的结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的激光器增益与移频频率的关系示意图；

图4为本申请一实施例提供的激光器的输出光在时域上的信号；

图5为本申请一实施例提供的激光器的输出光在频域上的信号；

图6为本申请又一实施例提供的光学陀螺的结构示意图；

图7为本申请一实施例提供的移频器组的移频示意图。

附图标号说明：

10 光学陀螺

100 激光器

200 激光频率调制装置

210 第一分光装置

220 第二分光装置

230 第一光阑

240 第二光阑

250 移频器组

251 第一移频器

252 第二移频器

300 光纤环

310 第一端

320 第二端

330 第一耦合元件

340 第二耦合元件

400 光电探测器

20 测相读角单元

500 信号处理单元

510 第一相位检测元件

520 第二相位检测元件

530 信号处理电路

540 第一射频信号发生器

550 第二射频信号发生器

600 数据处理单元

610 模数转换器

620 计算机

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1。本申请一实施例提供一种光学陀螺10。所述光学陀螺10包括激光器100、激光频率调制装置200、光纤环300、光电探测器400以及测相读角单元20。所述激光器100作为激光源，提供初始激光束。所述激光频率调制装置200设置于所述初始激光束路径上，用于调制所述初始激光束的频率，得到第一激光束。所述光纤环300包括第一端310和第二端320。所述第一端310设置于所述第一激光束的路径上。所述第一激光束从所述第一端310射入所述光纤环300，绕所述光纤环300一周后从所述第二端320射出。所述第一激光束再次经过所述激光频率调制装置200后，得到第一调制激光束并返回所述激光器100。所述第一调制激光束和所述激光器100内光束混合后射出混合激光束。所述第一调制激光束是被所述激光频率调制装置200和被所述光纤环300旋转调制的激光束。所述光电探测器400设置于所述混合激光束的光路上，将所述混合激光束转换为电信号。所述测相读角单元20与所述光电探测器400电连接，用于测量所述第一调制激光束的相位变化，并得到与之对应的所述光纤环300的转角信息。

在一个实施例中，所述激光器100为单纵模(激光频率)激光器，从而使所述初始激光束的频率单一，便于准确获取需要的激光束。在一个实施例中，所述激光器100可以为微片激光器，微片激光器谐振腔的腔长较短，容易实现光束质量好、光强亮度大的单纵模单频激光束输出。在一个实施例中，所述微片激光器的尺寸约为Ф3mm×0.5mm，厚度为0.5mm。在一个实施例中，所述微片激光器由808nm波长的LD(激光二极管)泵浦，并输出1.064μm波长的初始激光束。在一个实施例中，所述微片激光器的激光晶体可以为Nd:YAG。

在一个实施例中，所述激光器100发出的初始激光束频率可以设为ω。在一个实施例中，所述初始激光束ω经过所述激光频率调制装置200后，可以得到未经衍射的频率为ω的激光束，以及经过衍射后的频率为ω-Ω的激光束。Ω为所述激光频率调制装置200的移频量。在一个实施例中，可以选择所述频率为ω或ω-Ω中的任一频率的激光束作为所述第一激光束。可以理解，所述第一激光束可以作为环绕所述光纤环300转动的顺时针光，也可以作为逆时针光。在一个实施例中，当所述第一激光束的频率为ω时，再次经过所述激光频率调制装置200进行移频后，得到的所述第一调制激光束的频率为ω-Ω。在一个实施例中，当所述第一激光束的频率为ω-Ω时，再次经过所述激光频率调制装置200后，得到的所述第一调制激光束的频率为ω-2Ω。

可以理解，所述光纤环300为光纤绕制而成的环状物。根据萨格纳克效应，所述第一激光束在所述光纤环300内传输时，随着所述光纤环300的转动，所述第一激光束的相位发生对应的变化。所述光纤环300的匝数越多，光程越长，所述第一激光束对所述光纤环300的转角变化就越敏感。在一个实施例中，所述测相读角单元20内包括相位解调电路，可以对所述光电探测器400转换得到的激光电信号进行同步解调，得到在经过所述光纤环300后的所述第一调制激光束的相位变化量，从而进一步计算得到所述光纤环300对应的角速率。

在本实施例中，所述激光器100射出的初始激光束经过所述激光频率调制装置200后得到第一激光束，第一激光束从光纤环300的第一端310进入，从第二端320射出。当光纤环300发生角度偏转时，所述第一激光束会随之产生相位改变。经过光纤环300的第一激光束再次经过所述激光频率调制装置200后，得到经过频率调制后的第一调制激光束。所述第一调制激光束返回所述激光器100，与所述激光器100内原有光场发生自混合干涉效应，之后所述激光器100将混合后的混合激光束射出，经过所述光电探测器400转换为电信号，由所述测相读角单元20对所述电信号进行解调处理，得到对应于所述光纤环300角度偏移相关的相位变化，从而测出所述光纤环300的角速度。所述第一调制激光束经过激光器100内的自混合过程后，光强得以数量级倍数增大，可以抵消在所述光纤环300内传输造成的衰减。因此，可以使所述光纤环300的环路长度增加，从而使得所述第一调制激光束相对于所述第一激光束获得更大的相位差，使得测量结果更加精确，从而提高所述光学陀螺10的性能。

在一个实施例中，所述第一激光束的频率为ω-Ω时，所述第一调制激光(ω-2Ω)返回所述激光器100和所述激光器100内的光混合。所述激光器100内的光被所述第一调制激光束相位调制，激光功率(强度)随光环路的长度(相位)变化改变正弦波输出。所述激光器100输出激光的正弦波相位的改变与所述第一调制激光束的位相改变成正比。在一个实施例中，所述第一激光束沿顺时针在所述光纤环300内传播。

按照激光自混合的原理，在本申请中所述激光器100中的谐振腔称为内腔。当所述激光器100为微片激光器时，所述内腔长即为微片的物理厚度。而激光光路的其余部分，即从所述激光器100至所述光纤环300，再返回所述激光器100的光束通路，称为外腔。根据激光器100的移频光回馈速率方程理论，激光频率ω被移频成ω+2Ω后，引起的所述激光器100输出强度的相对调制为：

其中，ΔI为所述激光器100光强被所述光纤环300旋转调制后的信号。I_s为激光器100稳态(即不被调制时)输出光强。κ为外腔有效反射系数。为固定的附加相位偏移，包括整个光环路的固定相位。为所述第一激光束在所述光纤环300内环路长度改变而形成的回馈光相位的改变，包括了外界转速，磁场等造成的光纤的物理长度改变(相位改变)，且有ω为光的角频率。τ为回馈光在光纤环300内的时延，它由所述光纤环300的长度决定。可以得到由所述光纤环300旋转导致的所述第一激光束的相位变化量为：

当所述光纤环300旋转时，物理长度的改变由萨格纳克效应决定：

Δl_cw＝+LDβ/4c (3)

式(3)中，β为光纤环300旋转速率。L为光环路长度。D为所述光纤环300的直径。光程和相位的关系为：

根据式(4)与式(3)即可由所述第一调制激光束的相位变化量得到所述光线环的角速率。式(1)中的G是激光强度的增益项，与所述激光器100的增益介质有关，也与调制频率有关。在一个实施例中，在所述激光器100确定时，增益项G与激光调制频率的关系如图3所示。所述激光器100可以对所述第一调制激光束放大几个数量级，使得所述激光器100对回馈光的灵敏度大大提高。在一个实施例中，当所述激光器100为微片Nd:YAG激光器时，增益因子G可以达到10⁶，即微弱的回馈光信号即可在微片激光谐振腔内被放大10⁶倍数量级。因此本实施例所述的光学陀螺10对光在环路中的光损耗冗余很大，即光纤环300可以很长。

同时，因为所述第一调制激光束在所述激光器100内进行自混合时，所混合的是所述初始激光束发生相位变化后的调制激光束和所述激光器100内未发生相位变化的调制激光束，而在光纤环300路上混入的噪声都不被放大。因此，信噪比提高了几个数量级，噪声容易被消除。在一个实施例中，当所述激光频率调制装置200的调制频率即Ω为40kHz时，测得所述激光器100发生自混后输出的混合激光束在时域上的信号如图4所示，在频域上的信号如图5所示。可以看到，图4中得到的信号波形为标准的正弦。从图5可以得知，所述激光器100的输出混合激光束的光强信号的信噪比很高。

在一个实施例中，所述初始激光束经过所述激光束调制装置200后还得到第二激光束。所述第二激光束与所述第一激光束的调制频率不同。所述第二端320设置于所述第二激光束的光路上。所述第二激光束从所述第二端320射入所述光纤环300，绕所述光纤环300一周后从所述第一端310射出，再次经过所述激光频率调制装置200后，得到第二调制激光束。所述第二调制激光束返回所述激光器100。

可以理解，与所述第一调制激光束相同，所述第二调制激光束受到所述光纤环300的旋转影响，发生对应的相位改变。当所述第二调制激光束进入所述激光器100后，与原存在于所述激光器100内的频率相同、相位不同的激光发生自混。所述第一调制激光束和所述第二调制激光束自混合后形成从所述激光器100内射出的混合激光束。所述混合激光束被所述光电探测器400探测到，并转换为对应的电信号，通过所述测相读角单元20进行处理，可以解调得到所述第一调制激光束和所述第二调制激光束分别与所述光纤环300旋转对应的相位变化。

在一个实施例中，所述第一激光束频率为ω-Ω，所述第一调制激光束频率为ω-2Ω，所述第二激光束频率为ω，所述第二调制激光束频率为ω-Ω。在一个实施例中，所述激光频率调制装置200由驱动源提供移频电信号。所述移频电信号的相位表达式为：

所述第二调制激光束与激光器100内的光自混合后，得到的光强为：

式(6)和(1)的差别仅是没有Ω前面的系数2。所述第二调制激光束在所述光纤环300内传播一周中发生的相位改变为为固定相位变化量。式(6)与式(5)差动，应用同步解调方法即可求得所述第二调制激光束因为所述光纤环300发生旋转而造成的相位变化量：

当所述光纤环300旋转时，光环路长度改变由萨格纳克效应决定，对应于所述第二激光束有：

Δl_ccw＝-LDβ/4c (8)

式(8)与式(3)中的“-”和“+”分别表示光环路长度的减少和增加。所述第二激光束的光程与相位的关系为：

式(8)代入式(9)即可得到相位变化量与角速率的关系。

当所述第一调制激光束与所述第二调制激光束都进入所述激光器100后，所述激光器100发出的混合激光束的相对功率调制信号为:

式(10)中所述第一调制激光束自混合的光与所述第二调制激光束自混合的光一起被光电探测器400探测，再通过所述测相读角单元20对电信号进行处理。

请一并参见图2。在一个实施例中，所述测相读角单元20包括信号处理单元500。所述信号处理单元500与所述光电探测器400电连接，用于测量所述混合激光束的电信号的相位变化。可以理解，所述信号处理单元500中包括相位解调电路，用于对所述电信号进行相位解调，以得到其相位变化。

在一个实施例中，所述信号处理单元500包括第一相位检测元件510和第二相位检测元件520。所述第一相位检测元件510与所述光电探测器400电连接，用以从所述电信号中解调得到对应于所述第一调制激光束的第一电信号。所述第二相位检测元件520与所述光电探测器400电连接，用以从所述电信号中解调得到对应于所述第二调制激光束的第二电信号。

可以理解，所述第一相位检测元件510和所述第二相位检测元件520的种类不限，只要可以将所述电信号中的第一电信号和第二电信号分别提取出来即可。在一个实施例中，所述第一相位检测元件510和所述第二相位检测元件520可以为锁定放大器。在一个实施例中，所述第一相位检测元件510和所述第二相位检测元件520可以为滤波器。

在本实施例中，所述第一相位检测元件510和第二相位检测元件520可以从所述光电探测器400得到的电信号中，将所述第一电信号和所述第二电信号分离出来，用于同步解调得到所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的光纤环300路相位变化量和

在一个实施中，所述测相读角单元20还包括信号处理电路530，与所述光电探测器400电连接。所述第一相位检测元件510和所述第二相位检测元件520分别与所述信号处理电路530电连接。所述信号处理电路530可以对所述电信号做初步处理，便于提取所述第一电信号和所述第二电信号。

在一个实施例中，所述测相读角单元20还包括数据处理单元600。所述数据处理单元600与所述信号处理单元500电连接，用于根据所述电信号的相位变化计算所述光纤环300的转角信息。在一个实施例中，所述数据处理单元600包括模数转换器610以及与所述模数转化器连接的计算机620。所述模数转换器610与所述信号处理单元500电连接，用于将所述电信号转换为数字信号，并传输给所述计算机620进行数据处理，计算角速率。所述计算机620可以进行数据计算，并提供数据显示、控制。

在本实施例中，所述数据处理单元600可以计算得到所述第一电信号和所述第二电信号的相位变化，并根据所述相位变化计算得到对应的所述光纤环300的转角信息。

在一个实施例中，所述测相读角单元20还包括把所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位求差，计算所述光纤环300的转角信息。可以理解，所述测相读角单元20内的电路结构不限，只要可以实现得到所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位差的目的，并根据所述相位差计算所述光纤环300的转角信息即可。在一个实施例中，所述信号处理电路530用于测得所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位，并传输给所述数据处理单元600，所述数据处理单元600对得到的两相位求差，并计算对应的所述光纤环300的转角信息。

具体计算所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位差的步骤如下：

将所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位变化进行差动相减，可以得到两束激光的相位差：

因为所述第一激光束与所述第二激光束完全共路，所述混合激光束的固定相位变化量可以抵消可得：

即可得到角速率与所述第一调制激光束和所述第二调制激光束之间的位相差的关系：

进一步可得：

其中，D为假定圆形光路直径。L为所述光纤环300环路的长度。c为光速。为光的波长(或宽带光源的平均波长)。由式(14)可知，本申请利用了萨格纳克效应产生与陀螺角速度成正比的顺、逆时针位相差，由相位差就可以计算得到对应的所述光纤环300的角速度。

本实施例通过经过所述光纤环300和所述激光频率调制装置200后形成的不同调制频率的所述第一调制激光束和所述第二调制激光束，回馈至所述激光器100内与所述激光器100内原有光场发生自混合干涉，再通过所述测相读角单元20测得两束调制激光束的相位变化并差动相减，从而得到对应的所述光纤环300的角速率。通过上述把两束调制激光束的相位变化差动相减的过程，可以消除调制激光束相位变化中的固定相位变化，比如消除由于所述光纤环300的柔软性、外界的温度以及震动等因素导致的相位变化，从而使得到的相位差误差更小，计算得到的角速率精确度更高。

这一技术方案相对于传统的光学陀螺10具有如下优势：

(1)使得所述第一调制激光束和所述第二调制激光束放大了几个数量级，从而使所述光学陀螺10能承受更大的光纤传输损耗，即可几个数量级地增加光纤的长度，极大地增加了探测的灵敏度和精度。

所述第一调制激光束的自混合干涉信号即所述第一电信号可以表示为：

P_SM＝P₀κG(2Ω)cos(2Ωt-Δφ) (15)

所述第二调制激光束的自混合干涉信号即所述第一电信号可以表示为：

P_SM＝P₀κG(Ω)cos(Ωt-Δφ) (16)

式(15)和(16)为光功率表达式。其中，P₀是没有回馈时所述激光器100输出的激光功率。κ是顺时针和逆时针光返回到激光器100的比例系数。G是放大因子，这是所述光学陀螺10特有的性质，G的存在决定了本申请所述光学陀螺10具有突出的特点：高敏感度。

图3为增益项G随移频频率2Ω变化的分布图。增益项G在2Ω＝ω_r时达到最大值：

G(ω_r)＝2η(γ_c/γ) (17)

其中，在一个实施例中，γ_c/γ对于微片激光器可达到10⁶量级。这表示微片激光器具有极高的回馈光灵敏度，微弱的回馈光信号即可在谐振腔内被放大10⁶倍量级。激光束在所述光纤环300内的损耗可以通过所述激光器100的放大作用补偿回来。在一个实施例中，所述激光器100输出的波长为1.064微米，是光纤的透射窗口之一，也有利于增加光纤长度。

(2)压缩测得的角速率的随机游走：

由图3可知，与传统的光纤陀螺干涉信号相比，本申请的自混合干涉条纹信号的信噪比要高出40～60dB，从而大幅度压缩散粒噪声，减小随机游走误差，提高精度。另外，所述激光器100在发生自混合干涉时，相当于一个窄带的相干探测器，仅敏感由所述器产生的并送入所述光纤环300光路的光，对于其它散射光具有天然的屏蔽性，进一步地压缩散粒噪声，减小随机游走误差。

(3)方便信号提取：

所述第一调制激光束和所述第二调制激光束进入所述激光器100，分别发生自混合干涉。所述激光器100会输出两列对应的自混合干涉条纹。即使没有经过调制的初始激光束，在经过所述光纤环300后产生了相位变化，也会和所述激光器100内的初始激光束发生自混合干涉，产生两列顺逆时针“干涉”条纹。本实施例可以通过所述激光频率调制装置200将调制叠加在条纹上，方便分别提取。

(4)可以消除误差，增加测量精度：

所述第一调制激光束与所述第二调制激光束发生的相位变化包括：光纤环300旋转导致的相位改变(非互易)，光纤长度温漂导致的相位改变(互易)，偏振耦合导致的相位改变(互易)。与传统的光纤陀螺相比，本申请实施例中通过两束调制激光，可以分别独立敏感角速率，相当于是两个陀螺。而两束调制信号差动相减，可以消除互易的误差源(如温度漂移、外界振动使光纤的长度伸缩，非光纤段空气光路的气流等)，大大地提高零漂稳定性和测量精度。

(5)无偏振耦合误差：

所述第一调制激光束与所述第二调制激光束分别工作在不同的调制频率，在频域上实现了对分别顺逆时针方向旋转的光的区分和隔离，因此，可以消除传统的光纤陀螺偏振耦合带来的误差。在一个实施例中，所述光纤环300可以采用非偏振光纤，降低成本。

(6)消除“竞争”，解决“锁区”问题：

传统的激光陀螺由于角速率造成的激光器100的顺、逆时针光之间的频率差并不很大，两频率间隔越近，对增益的争夺越烈，增益不够维持两频率同时工作，一个熄灭，只留有一个频率工作，形成“锁区”现象。竞争是在两个模(激光频率)之间产生的。

本申请实施例中，在所述初始激光束的频率上，通过所述激光频率调制装置200进行外调制，而得到的所述第一调制激光束和所述第二调制激光束。所述第一调制激光束和所述第二调制激光束并不会产生竞争，可以一起工作。可以类比于光通信中，一个载波频率上加上几路电话的调制，几路电话也同时工作。因此，克服了传统的激光陀螺内，顺时针激光和逆时针激光会发生“竞争”的问题，不必采用额外方式去减少“竞争”，从而简化所述光学陀螺10的结构。

在一个实施例中，所述激光频率调制装置200包括第二分光装置220。所述第二分光装置220设置于所述激光频率调制装置200的侧面，用于将所述第一激光束和所述第二激光束分别传输所述第一端310和所述第二端320。

在一个实施例中，所述第二分光装置220可以为分光镜。在一个实施例中，所述分光镜呈45°角倾斜放置，被分开的一束激光透射所述分光镜后输入所述第一端310，另一束激光反射后输入所述第二端320。可以理解，所述分光镜还可以使经过所述光纤环300后的所述第一激光束和所述第二激光束都反向输入所述激光频率调制装置200，进行频率调制。

在一个实施例中，所述激光频率调制装置200还包括第一光阑230和第二光阑240。所述第一光阑230设置于所述第二分光装置220与所述第一端310之间，用于对经过所述激光频率调制装置200的激光进行筛选，使所述第一激光束进入所述第一端310。所述第二光阑240设置于所述第二分光装置220与所述第二端320之间，用于对经过所述激光频率调制装置200的激光进行筛选，使所述第二激光束进入所述第二端320。

可以理解，所述第一光阑230和所述第二光阑240具有挡光作用，使目标激光通过。在一个实施例中，所述第一光阑230和所述第二光阑240可以为孔径光阑或视场光阑。在一个实施例中，所述第一光阑230和所述第二光阑240可以为具有通孔的挡光板。

在本实施例中，所述第一光阑230和所述第二光阑240可以滤除不必要激光束，保证工作激光束的纯净。

在一个实施例中，所述光纤环300包括第一耦合元件330和第二耦合元件340。所述第一耦合元件330设置于所述第一端310，用于将所述第一激光束耦合入所述光纤环300。所述第二耦合元件340设置于所述第二端320，用于将所述第二激光束耦合入所述光纤环300。在一个实施例中，所述第一耦合元件330和所述第二耦合元件340可以采用耦合透镜。

请一并参见图6。在一个实施例中，所述光学陀螺10包括三个所述光纤环300。所述三个光纤环300的中心轴互相垂直。所述激光器100射出三束初始激光束。所述三束初始激光束经过所述激光频率调制装置200后的调制激光束分别传输至所述三个光纤环300，然后再次通过所述激光频率调制装置200的调制后，返回所述激光器100。

在一个实施例中，所述三个光纤环300的中心轴可以构成笛卡尔直角坐标系，从而使所述光学陀螺10敏感空间中任一方向的转角。在一个实施例中，所述激光器100射出的三束初始激光束，每束所述初始激光束分别产生所述第一激光束和所述第二激光束。在一个实施例中，所述三束初始激光的排列方式不限，可以根据需要进行设计。在一个实施例中，所述三束初始激光的排列方式可以为轴对称排列，也可以是中心对称排列。

在本实施例中，所述三个光纤环300的三个中心轴即为所述光学陀螺10的敏感轴。所述光学陀螺10的三束初始激光通过所述激光频率调制装置200后，可以产生所述第一激光束和/或所述第二激光束，并作为每个所述光纤环300的顺时针光和/或逆时针光，测量每个敏感轴的角速度。

在一个实施例中，所述光学陀螺10只需要在所述第一耦合透镜和所述第二耦合透镜后设置三个光纤环300即可，其他光路结构可以共用，因此可以使所述激光陀螺的结构更简单、减小体积，有利于大规模应用。

在一个实施例中，所述激光频率调制装置200包括移频器组。可以理解，所述移频器组可以包括多个移频器，并按照需要对多个移频器进行排列组合。在一个实施例中，所述移频器组内的移频器可以为声光移频器、电光移频器或磁光移频器中的一种或几种的组合。

在本实施例中，通过所述移频器组可以实现更多移频量的选择，以达到最佳的测量效果。

请一并参见图2和图7。在一个实施例中，所述移频器组包括沿所述初始激光束的光路依次设置的第一移频器与第二移频器。在一个实施例中，所述第一移频器与所述第二移频器均为声光移频器。在一个实施例中，所述光学陀螺10还包括第一射频信号发生器540和第二射频信号发生器550。所述第一射频信号发生器540与所述第一移频器连接，作为驱动信号源，提供所述第一移频器的第一调制信号。所述第二射频信号发生器550与所述第二移频器连接，作为驱动信号源，提供所述第二移频器的第二调制信号。

在一个实施例中，所述初始激光束频率为ω，经过所述第一移频器后，得到未经衍射的ω光与衍射后的ω-Ω₁光。Ω₁为所述第一移频器的移频量。ω光再次经过所述第二移频器后得到未经衍射的ω光与衍射后的ω-Ω₂光。Ω₂为所述第二移频器的移频量。ω-Ω₁光再次经过所述第二移频器后得到未经衍射的ω-Ω₁与衍射后的ω-Ω光。其中Ω＝Ω₁+Ω₂，即为所述移频器组的移频量。所述第一激光束即为ω光，所述第二激光束即为ω-Ω光。当所述第一激光束和所述第二激光束经过所述光纤环300后再次经过所述移频器组，将再次分别增加Ω的移频量。所述第一激光束频率由ω变为ω-Ω，得到所述第一调制激光束。所述第二激光束频率由ω-Ω变为ω-2Ω，变为所述第二调制激光束。

在一个实施例中，所述第一射频信号发生器540还与所述第一相位检测装置连接，以提供第一调制信号与所述第一电信号进行比较，得到相位变化。在一个实施例中，所述第二射频信号发生器550还与所述第二相位检测装置连接，以提供第二调制信号与所述第二电信号进行比较，得到相位变化。

在一个实施例中，所述激光频率调制装置200包括第一分光装置210。所述第一分光装置210设置于所述激光器100的出射激光的光路上，将所述激光器100的出射激光束分别传输至所述激光频率调制装置200和所述光电探测器400。在一个实施例中，所述第一分光装置210可以为分光镜。在一个实施例中，所述分光镜呈45°角倾斜放置，被分开的一束激光透射所述分光镜后输入所述激光频率调制装置200，另一束激光反射后输入所述光电探测器400。

在一个实施例中，所述光学陀螺10还包括准直元件。所述准直元件设置于所述激光器100与所述第一分光装置210之间，用于对所述初始激光束进行准直聚焦后射入所述激光频率调制装置200。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种光学陀螺，其特征在于，所述光学陀螺包括：

激光器(100)，作为激光源，提供初始激光束；

激光频率调制装置(200)，设置于所述初始激光束路径上，用于调制所述初始激光束的频率，得到第一激光束；

光纤环(300)，包括第一端(310)和第二端(320)，所述第一端(310)设置于所述第一激光束的光路上，所述第一激光束从所述第一端(310)射入所述光纤环(300)，绕所述光纤环(300)一周后从所述第二端(320)射出，再次经过所述激光频率调制装置(200)后，得到第一调制激光束并返回所述激光器(100)，所述第一调制激光束和所述激光器(100)内光束混合后射出混合激光束，所述第一调制激光束是被所述激光频率调制装置(200)和被所述光纤环(300)旋转调制的激光束；

光电探测器(400)，设置于所述混合激光束的光路上，将所述混合激光束转换为电信号；以及

测相读角单元(20)，与所述光电探测器(400)电连接，用于测量所述第一调制激光束的相位变化，并得到与之对应的所述光纤环(300)的转角信息。

2.根据权利要求1所述的光学陀螺，其特征在于，所述初始激光束经过所述激光频率调制装置(200)后还得到第二激光束，所述第二激光束与所述第一激光束的调制频率不同，所述第二端(320)设置于所述第二激光束的光路上，所述第二激光束从所述第二端(320)射入所述光纤环(300)，绕所述光纤环(300)一周后从所述第一端(310)射出，再次经过所述激光频率调制装置(200)后，得到第二调制激光束，返回所述激光器(100)。

3.根据权利要求2所述的光学陀螺，其特征在于，所述激光频率调制装置(200)包括第二分光装置(220)，设置于所述激光频率调制装置(200)的侧面，用于将所述第一激光束和所述第二激光束分别传输所述第一端(310)和所述第二端(320)。

4.根据权利要求3所述的光学陀螺，其特征在于，所述激光频率调制装置(200)还包括：

第一光阑(230)，设置于所述第二分光装置(220)与所述第一端(310)之间，用于对经过所述激光频率调制装置(200)的激光束进行筛选，使所述第一激光束进入所述第一端(310)；以及

第二光阑(240)，设置于所述第二分光装置(220)与所述第二端(320)之间，用于对经过所述激光频率调制装置(200)的激光束进行筛选，使所述第二激光束进入所述第二端(320)。

5.根据权利要求2所述的光学陀螺，其特征在于，所述测相读角单元(20)包括信号处理单元(500)，与所述光电探测器(400)电连接，用于测量所述混合激光束的电信号的相位变化。

6.根据权利要求5所述的光学陀螺，其特征在于，所述信号处理单元(500)包括：

第一相位检测元件(510)，与所述光电探测器(400)电连接，用以从所述电信号中解调得到对应于所述第一调制激光束的第一电信号；以及

第二相位检测元件(520)，与所述光电探测器(400)电连接，用以从所述电信号中解调得到对应于所述第二调制激光束的第二电信号。

7.根据权利要求5所述的光学陀螺，其特征在于，所述测相读角单元(20)还包括数据处理单元(600)，与所述信号处理单元(500)电连接，用于根据所述电信号的相位变化计算所述光纤环的转角信息。

8.根据权利要求2所述的光学陀螺，其特征在于，所述测相读角单元(20)还包括把所述第一调制激光束和所述第二调制激光束的相位求差，计算所述光纤环(300)的转角信息。

9.根据权利要求2所述的光学陀螺，其特征在于，包括三个所述光纤环(300)，所述三个光纤环(300)的中心轴互相垂直，所述激光器(100)射出三束初始激光束，所述三束初始激光束经过所述激光频率调制装置(200)后的调制激光束分别传输至所述三个光纤环(300)，然后通过所述激光频率调制装置(200)的调制后，返回所述激光器(100)。

10.根据权利要求1所述的光学陀螺，其特征在于，所述激光频率调制装置(200)包括移频器组(250)。

11.根据权利要求1所述的光学陀螺，其特征在于，所述激光频率调制装置(200)包括第一分光装置(210)，设置于所述激光器(100)的出射激光束的光路上，将所述激光器(100)的出射激光束分别传输至所述激光频率调制装置(200)和所述光电探测器(400)。