CN109781089A - 基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，包括：耦合器C1，用于将一激光束平分为第一、二激光束；第一、二部分反射单元，分别用于接收第一、二激光束；耦合器C4，用于接收第一及二方向激光束，其分别为第一激光束经第一部分反射单元、第二激光束经第二部分反射单元透射的光束；光学谐振腔，用于接收经耦合器C4输出的光束；耦合器C2、C3，分别用于接收耦合器C4输出的第二、一方向激光束；第一、二光电探测器，分别用于接收耦合器C2、C3输出的第二、一方向激光束，并分别转换为电信号；以及信号处理电路，用于进行求差运算处理，以确定光学陀螺的转动角速度。本公开简化了光学陀螺系统复杂度，提高了陀螺输出的线性度。

Description

基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺

技术领域

本公开涉及光学传感以及信号检测技术领域，尤其涉及一种基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺。

背景技术

目前，针对光学陀螺仪，主要的研究方向是如何减小器件的尺寸，降低制造成本，提高集成度。谐振式光学陀螺利用Sagnac效应来检测转动角速度，具有理论精度高，易于小型化，抗振动等优点。

然而，传统的谐振式光学陀螺，通过检测顺逆时针光路的谐振频率差来探测转动角速度，其主要分为单路锁定和双闭环两种。通常需要用到相位调制器对入射光进行调制，还需要采用复杂的算法进行解调和反馈控制。因此，现有的谐振式光学陀螺往往存在系统复杂，制造成本高的缺陷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，简化了谐振式光学陀螺的系统复杂度，有利于小型化；所采用的器件少，有利于减小制造成本；利用法诺谐振的线性区域读取转动信号，有利于提高陀螺输出的线性度。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，包括：耦合器C1，用于将一激光光束平分为第一激光光束及第二激光光束；第一部分反射单元，与所述耦合器C1连接，用于接收所述第一激光光束；第二部分反射单元，与所述耦合器C1连接，用于接收所述第二激光光束；耦合器C4，用于接收第一方向激光光束及第二方向激光光束；其中，所述第一方向激光光束为所述第一激光光束经第一部分反射单元透射的光束，所述第二方向激光光束为第二激光光束经第二部分反射单元透射的光束；光学谐振腔，设置于所述第一部分反射单元与所述第二部分反射单元之间，用于接收经耦合器C4输出的激光光束，形成谐振效应；耦合器C2，设置于所述第一部分反射单元与所述耦合器C4之间，用于接收从光学谐振腔传输至耦合器C4、经耦合器C4输出的第二方向激光光束；耦合器C3，设置于所述第二部分反射单元与所述耦合器C4之间，用于接收从光学谐振腔传输至耦合器C4、经耦合器C4输出的第一方向激光光束；第一光电探测器，与所述耦合器C2连接，用于接收所述耦合器C2输出的所述第二方向激光光束，并转换为第一电信号；第二光电探测器，与所述耦合器C3连接，用于接收所述耦合器C3输出的所述第一方向激光光束，并转换为第二电信号；以及信号处理电路，与所述第一光电探测器及第二光电探测器连接，用于接收所述第一电信号及第二电信号并进行求差运算处理，以确定光学陀螺的转动角速度。

在一些实施例中，所述第一方向为顺时针方向，所述第二方向为逆时针方向。

在一些实施例中，所述的光学谐振腔为反射式光学谐振腔。

在一些实施例中，所述的光学谐振腔为光纤或者集成光学器件。

在一些实施例中，所述的第一部分反射单元及第二部分反射单元的反射率小于1。

在一些实施例中，所述的第一部分反射单元及第二部分反射单元包含光纤端面镀膜、波导横向偏移结构、布拉格光栅反射镜。

在一些实施例中，所述耦合器C1、耦合器C2、耦合器C3均为3dB耦合器。

在一些实施例中，所述激光器、耦合器C1、耦合器C2、第一部分反射单元、光学谐振腔、耦合器C3，耦合器C4及第二部分反射单元之间通过光纤或者光波导连接。

在一些实施例中，在光学陀螺转动时，Sagnac效应使法诺谐振曲线发生的顺、逆时针偏移量分别为：±Δf＝4AΩ/nLλ；其中，A为谐振环闭合面积，Ω为转动角速度，L为谐振环长度，n为光路有效折射率，λ为真空中波长。

在一些实施例中，所述法诺谐振曲线包括一线性响应区域，所述光学谐振腔设置于所述第一部分反射单元及第二部分反射单元之间，用于将激光器的初始频率调至该线性响应区域中心位置；若线性响应区域的斜率为k mW/Hz，第一和第二光电探测器的响应为qV/mW，则所述信号处理电路输出为8AΩkq/nLλV，由此获得转动角速度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本公开基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺简化了谐振式光学陀螺的系统复杂度，有利于小型化。

(2)本公开基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺所用的器件少，有利于减小制造成本。

(3)本公开基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺利用法诺谐振的线性区域读取转动信号，有利于提高陀螺输出的线性度。

附图说明

通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。

图1为依据本公开实施例基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺的结构示意图。

图2为依据本公开实施例基于法诺谐振效应的频率响应曲线示意图。

图3为依据本公开实施例Sagnac效应引起的频率响应曲线变化示意图。

<符号说明>

C1、C2、C3、C4均为耦合器；5为光学谐振腔；6为第一部分反射单元；7为第二部分反射单元。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供了一种基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺。图1为依据本公开实施例基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺的结构示意图。如图1所示，所述基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，包括：

激光器，为可调谐激光器，用于提供激光光束，该激光光束为窄线宽光束；

耦合器C1，与所述激光器连接，用于将所述激光光束平均分成两束，第一激光光束及第二激光光束；

第一部分反射单元6，与所述耦合器C1连接，用于接收所述第一激光光束；

第二部分反射单元7，与所述耦合器C1连接，用于接收所述第二激光光束；

耦合器C4，用于接收第一部分反射单元6及第二部分反射单元7传输的光信号，包括所述第一激光光束经所述第一部分反射单元6透射的光束(第一方向激光光束)及所述第二激光光束经所述第二部分反射单元7透射的光束(第二方向激光光束)；

光学谐振腔5，设置于所述第一部分反射单元6与所述第二部分反射单元7之间，接收经耦合器C4输出的激光光束，形成谐振效应；

耦合器C2，设置于所述第一部分反射单元6与所述耦合器C4之间，用于接收经光学谐振腔5及耦合器C4输出的所述第二方向激光光束；

耦合器C3，设置于所述第二部分反射单元7与所述耦合器C4之间，用于接收经光学谐振腔5及耦合器C4输出的所述第一方向激光光束；

第一光电探测器，与所述耦合器C2连接，用于接收所述耦合器C2输出的所述第二方向激光光束，并转换为第一电信号；

第二光电探测器，与所述耦合器C3连接，用于接收所述耦合器C3输出的所述第一方向激光光束，并转换为第二电信号；

信号处理电路，与所述第一光电探测器及第二光电探测器连接，用于接收第一光电探测器输出的第一电信号及第二光电探测器输出的第二电信号，并对二电信号做求差运算，从而确定光学陀螺的转动角速度。

所述第一方向为顺时针方向(沿耦合器C1—第一部分反射单元6—耦合器C4—光学谐振腔5的光传输路径)，所述第二方向为逆时针方向(沿耦合器C1—第二部分反射单元7—耦合器C4—光学谐振腔5的光传输路径)。

其中，由于耦合器C4将所述第一方向激光光束及第二方向激光光束耦合进光学谐振腔5，光束在光学谐振腔5中会产生谐振效应；同时，所述第一部分反射单元及第二部分反射单元之间形成法布里波罗谐振腔，光学谐振腔5经耦合器C4输出再经第一部分反射单元6和第二部分反射单元7反射的光束在法布里波罗谐振腔中也会产生谐振效应，两者迭加而形成法诺谐振效应。

本公开光学陀螺中，所述可调谐激光器、耦合器C1、耦合器C2、第一部分反射单元6、光学谐振腔5、耦合器C3，耦合器C4、及第二部分反射单元7构成所述光学陀螺的光学器件部分；所述第一光电探测器1、第二光电探测器2、及信号处理电路构成所述光学陀螺的电学器件部分。

具体的，所述的各部分反射单元(第一部分反射单元6及第二部分反射单元7)的反射率小于1。更具体而言，所述的各部分反射单元包含但不限于光纤端面镀膜、波导横向偏移结构、布拉格光栅反射镜等。

所述的光学谐振腔为光纤或者集成光学器件。所述的光学器件部分中的各个器件通过光纤或者光波导连接。

所述的耦合器C1、耦合器C2、耦合器C3均为3dB耦合器。

以下结合所述基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺的结构，详细介绍其工作原理。

可调谐激光器发出窄线宽光束，经过耦合器C1平均分成两束，分别经过两个部分反射单元，然后在耦合器C4分别从顺时针方向和逆时针方向(其中，经耦合器C1、第一部分反射单元6至耦合器C4传输路径的光束，相对光学谐振腔呈顺时针方向；经耦合器C1、第二部分反射单元7至耦合器C4传输路径的光束，相对光学谐振腔呈逆时针方向)与光学谐振腔发生耦合，最后分别经由耦合器C2和耦合器C3的两个方向的光信号分别被两个光电探测器探测到(其中，上述顺时针方向光束从光学谐振腔5依次经C4、第二部分反射单元7及耦合器C3输出被第二光电探测器2探测；上述逆时针方向光束从光学谐振腔5依次经C4、第一部分反射单元6及耦合器C2输出被第一光电探测器1探测)，最后信号处理电路对光电探测器输出的电信号做一个差运算。利用两个光电探测器探测到的光强差读取陀螺转动信号。

由于将光学谐振腔结构放置在两个部分反射单元之间，将会引起法诺谐振现象，如图2所示。法诺谐振曲线包括一段线性度非常高的线性响应区域，将可调谐激光器的初始频率调至该线性区域中心位置。

如图3所示，当陀螺仪发生转动的时候，由于Sagnac效应，整个频率响应曲线会发生偏移，顺逆时针分别偏移：

±Δf＝4AΩ/nLλ

其中，A为谐振环闭合面积，Ω为转动角速度，L为谐振环长度，n为光路有效折射率，λ为真空中波长。

若线性区域的斜率为k mW/Hz，光电探测器响应为qV/mW，则最后信号处理电路输出为8AΩkq/nLλV。由此可以获得转动角速度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，包括：

耦合器C1，用于将一激光光束平分为第一激光光束及第二激光光束；

第一部分反射单元，与所述耦合器C1连接，用于接收所述第一激光光束；

第二部分反射单元，与所述耦合器C1连接，用于接收所述第二激光光束；

耦合器C4，用于接收第一方向激光光束及第二方向激光光束；其中，所述第一方向激光光束为所述第一激光光束经第一部分反射单元透射的光束，所述第二方向激光光束为第二激光光束经第二部分反射单元透射的光束；

光学谐振腔，设置于所述第一部分反射单元与所述第二部分反射单元之间，用于接收经耦合器C4输出的激光光束，形成谐振效应；

耦合器C2，设置于所述第一部分反射单元与所述耦合器C4之间，用于接收从光学谐振腔传输至耦合器C4、经耦合器C4输出的所述第二方向激光光束；

耦合器C3，设置于所述第二部分反射单元与所述耦合器C4之间，用于接收从光学谐振腔传输至耦合器C4、经耦合器C4输出的所述第一方向激光光束；

第一光电探测器，与所述耦合器C2连接，用于接收所述耦合器C2输出的所述第二方向激光光束，并转换为第一电信号；

第二光电探测器，与所述耦合器C3连接，用于接收所述耦合器C3输出的所述第一方向激光光束，并转换为第二电信号；以及

信号处理电路，与所述第一光电探测器及第二光电探测器连接，用于接收所述第一电信号及第二电信号并进行求差运算处理，以确定光学陀螺的转动角速度。

2.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述第一方向为顺时针方向，所述第二方向为逆时针方向。

3.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述的光学谐振腔为反射式光学谐振腔。

4.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述的光学谐振腔为光纤或者集成光学器件。

5.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述的第一部分反射单元及第二部分反射单元的反射率小于1。

6.根据权利要求5所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述的第一部分反射单元及第二部分反射单元包含光纤端面镀膜、波导横向偏移结构、布拉格光栅反射镜。

7.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述耦合器C1、耦合器C2、耦合器C3均为3dB耦合器。

8.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述激光器、耦合器C1、耦合器C2、第一部分反射单元、光学谐振腔、耦合器C3，耦合器C4及第二部分反射单元之间通过光纤或者光波导连接。

9.根据权利要求1所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，在光学陀螺转动时，Sagnac效应使法诺谐振曲线发生的顺、逆时针偏移量分别为：

±Δf＝4AΩ/nLλ

其中，A为谐振环闭合面积，Ω为转动角速度，L为谐振环长度，n为光路有效折射率，λ为真空中波长。

10.根据权利要求9所述的基于法诺谐振效应的谐振式光学陀螺，其中，所述法诺谐振曲线包括一线性响应区域，所述光学谐振腔设置于所述第一部分反射单元及第二部分反射单元之间，用于将激光器的初始频率调至该线性响应区域中心位置；若线性响应区域的斜率为k mW/Hz，第一和第二光电探测器的响应为qV/mW，则所述信号处理电路输出为8AΩkq/nLλV，由此获得转动角速度。