CN110319828A - 一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法 - Google Patents

一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤传感及信号检测技术领域，具体涉及一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法。将顺、逆两时针两方向的光波分别在两个性能一致的谐振腔内单独传输，并利用马赫‑曾德尔干涉仪改两变谐振腔内光波的传输方向，在谐振曲线两边分别进行信号检测，通过判断受偏振波动小的一段，实现单边信号检测检测技术。本发明把顺、逆两路光波分离开，可消除背向散射噪声的影响，将马赫‑曾德尔干涉仪的频率设置为相位调制频率的二倍，通过单边信号检测技术，能够有效地减弱热致偏振波动噪声的影响，提高陀螺检测精度。

Description

一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法
技术领域
本发明属于光纤传感及信号检测技术领域，具体涉及一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法。
背景技术
谐振式光纤陀螺是基于Sagnac效应引起的两个相反方向谐振频差来完成对角速率测量的。理论上，几十米的光纤谐振腔就可以实现惯性级别的检测精度。与传统干涉式光纤陀螺相比，其在低成本、小型化、集成化方面极具发展潜力。
谐振式光纤陀螺从上世纪80年代开始广泛进行研究，但是目前未进入工程化应用，其主要原因在于谐振式光纤陀螺的性能仍低于预期。传统的谐振式光纤陀螺系统的器件指标难以满足高精度要求，谐振腔内存在的由光纤介质分布不均匀引起的背向散射噪声及温度波动引起的热致偏振耦合噪声极大的限制了光纤陀螺的检测精度。
发明内容
本发明的目的在于提供可以有效抑制背向散射噪声和热致偏振波动噪声对陀螺检测精度带来的影响的一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统。
本发明的目的通过如下技术方案实现：包括激光器LD、第一环形谐振腔FRR1、第二环形谐振腔FRR2、第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3、第四光电探测器PD4、第一加法器EA1和第二加法器EA2；所述的激光器LD通过光纤依次连接相位调制器PM和马赫-曾德尔干涉仪MZI的输入端；所述的马赫-曾德尔干涉仪MZI两输出端分别与第一分束耦合器OC1的输入端和第二分束耦合器OC2的输入端连接；所述的第一分束耦合器OC1的两输出端分别与第一环形器Cir1和第三环形器Cir3连接；所述的第二分束耦合器OC2的两输出端分别与第二环形器Cir2和第四环形器Cir4连接；所述的第一环形谐振腔FRR1与第三耦合器OC3连接；所述的第二环形谐振腔FRR2与第四耦合器OC4连接；所述的第一环形器Cir1、第三耦合器OC3和第二环形器Cir2依次连接；所述的第三环形器Cir3、第四耦合器OC4和第四环形器Cir4依次连接；所述的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4的输入端分别与第一环形器Cir1、第二环形器Cir2、第三环形器Cir3和第四环形器Cir4连接；所述的第一加法器EA1的两个输入端分别与第一光电探测器PD1的输出端和第二光电探测器PD2的输出端连接，第一加法器EA1的输出作为第一锁相放大解调电路FPGA1的输入，经伺服回路控制反馈至激光器LD；所述的第二加法器EA2的两个输入端分别与第三光电探测器PD3的输出端和第四光电探测器PD4的输出端连接，第二加法器EA2的输出端与第二锁相放大解调电路FPGA2连接。
本发明还可以包括：
所述相位调制器PM为LiNbO3相位调制器。
所述的第一环形谐振腔FRR1与第二环形谐振腔FRR2的光纤环长度、光纤环直径、耦合器分光比和耦合器损耗参数一致；所述的第一环形谐振腔FRR1与第二环形谐振腔FRR2上下平行叠放在一起。
本发明的目的还在于提供一种基于双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统的信号检测方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
步骤1：第二环形谐振腔FRR2输出的光波经光电探测器探测后，检测其谐振曲线两端固定频率差对应的方波幅度与理想值是否相等，若对应的频率差的方波幅度与理想值不相等时，系统存在偏振波动噪声；此时通过曲线两边斜率与理想值对比，只利用谐振曲线受到偏振波动影响较小的一边进行信号检测，即[I(f0+2fm+fapplied)-I(f0+2fm-fapplied)]的光强幅度差和[I(f0-2fm-fapplied)-I(f0-2fm+fapplied)]光强幅度差较理想值的差异小的一侧用来进行信号检测，其中，f0为激光器中心频率，fm为相位调制器带来的调制频率，fapplied为设置的频率偏置；
步骤2：将马赫-曾德尔干涉仪MZI的频率设置为相位调制器PM频率的2倍，其中相位调制器PM的周期为T；
步骤3：在第T/4周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器PM后从马赫-曾德尔干涉仪MZI的第一输出端口输出，激光器LD中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内顺时针方向光波的谐振频率f0，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0+2fm频率点处对应传输的逆时针方向光波的强度；
步骤4：在第2T/4周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器后从马赫-曾德尔干涉仪的第二输出端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内逆时针方向光波的谐振频率f0，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0+2fm频率点处对应传输的顺时针方向光波的强度；
步骤5：在第3T/4个周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器后从马赫-曾德尔干涉仪的第一输出端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内顺时针光波的谐振频率，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0-2fm频率点处对应传输的逆时针方向光波的强度；
步骤6：在第4T/4个周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器后从马赫-曾德尔干涉仪的第二输出端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内逆时针方向传输光波的谐振频率，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0-2fm频率点处对应传输的顺时针方向传输光波的强度。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法，由于该系统每一时刻，每个光纤环中只传输一个方向的光波，顺时针或逆时针光波的背向散射效应不会对逆时针或顺时针光波产生影响，能够消除背向散射噪声的影响。本发明基于提出的双环腔结构谐振式光纤陀螺结构，利用谐振曲线受偏振波动影响小的一边进行信号检测，可以明显地降低热致偏振噪声对信号检测的影响。
附图说明
图1为一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统的结构示意图；
图2为本发明的信号检测方法示意图；
图3为传统信号检测方法检测与单边信号检测方法的方波幅度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统，包括两个性能完全一致的环形谐振腔，新增马赫-曾德尔干涉仪用于改变两个谐振腔内光波传输方向。环形谐振腔1输出的光波经光电探测器探测后进行同步锁相放大解调，通过伺服回路反馈至激光器使其锁定环形谐振腔1内光波的谐振频率，对于环形谐振腔2输出的光波，利用单边信号检测方法进行检测，经同步锁相放大解调后作为陀螺的输出。
本发明的双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统，如图1所示。
激光器LD、相位调制器PM、马赫-曾德尔干涉仪MZI由光纤依次连接，MZI两输出端与第一分束耦合器OC1和第二分束耦合器OC2连接。第一分束耦合器OC1、第一环形器Cir1、第三耦合器OC3、第一环形谐振腔FRR1、第二环形器Cir2、第二分束耦合器OC2依次连接构成激光器反馈部分谐振回路。第一分束耦合器OC1的另一输出端、第三环形器Cir3、第四耦合器OC4、第二环形谐振腔FRR2、第四环形器Cir4、第二分束耦合器OC2的另一端依次连接构成光纤环形谐振腔FRR2的检测部分谐振回路。第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4分别由光纤连接第一环形器Cir1、第二环形器Cir2、第三环形器Cir3和第四环形器Cir4。第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的输出电信号连接到第一加法器EA1的两个输入端，第一加法器EA1的输出作为第一锁相放大解调电路的输入，经伺服回路控制反馈至激光器LD。第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4输出电信号连接到第二加法器EA2的两个输入端，第二加法器EA2的输出端再与第二锁相放大解调电路连接。
激光器LD发出的光波传输进相位调制器PM进行移频，频移后的光波经过马赫-曾德尔干涉仪MZI进行周期性切换进入第一分束耦合器OC1或第二分束耦合器OC2。经第一分束耦合器OC1分成功率相等的两束光波分别经过第一环形器Cir1和第三环形器Cir3进入第一环形谐振腔FRR1和第二环形谐振腔FRR2内进行谐振。在第一环形谐振腔FRR1内传输的光波经过谐振和多波干涉后通过第二环形器Cir2输入到第二光电探测器PD2；在第二环形谐振腔FRR2内传输的光波经过谐振和多波干涉后通过第四环形器Cir4输入到第四光电探测器PD4。
经第二分束耦合器OC2分成功率相等的两束光波分别经过第二环形器Cir2和第四环形器Cir4进入第一环形谐振腔FRR1和第二环形谐振腔FRR2内进行谐振。在第一环形谐振腔FRR1内传输的光波经过谐振和多波干涉后通过第一环形器Cir1输入到第一光电探测器PD1；在第二环形谐振腔FRR2内传输的光波经过谐振和多波干涉后通过第三环形器Cir3输入到第三光电探测器PD3。
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2将光波幅度信号转化成电信号后，共同进入第一加法器EA1，输出后进行进一步锁相同步解调，再通过伺服回路控制调节激光器输出的中心频率，使其锁定在第一环形谐振腔FRR1内光波的谐振频率上。第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4将光波幅度信号转化为电信号，共同输入到第二加法器EA2，输出后进行进一步解调可得Sagnac效应引起的频差，将其作为谐振式光纤陀螺的输出信。由谐振频差与旋转角速率的比例关系，经由电路解调可直接解算出旋转角速率。
所述的激光器、环形器、耦合器、环形谐振腔以及光纤的工作波长相同，均为1550nm。所述的激光器为连续可调窄线宽激光器，线宽为3kHz，功率为10mW。所述的第一分束耦合器OC1和第二分束耦合器OC2，分光比为50:50。所述第三耦合器OC3和第四耦合器OC4为2×2单模光纤耦合器，耦合比都为4：96，强度直通耦合系数为0.96，强度旁通耦合系数为0.04；分束耦合器和2×2耦合器的耦合系数kc＝0.06，耦合器损耗αc＝0.12dB，耦合器偏振轴熔接角度误差约为6°。光电探测器是带有尾纤的PIN光电探测器。所述的相位调制为三角波调制，频率为fm＝60kHz。所述的马赫-曾德尔干涉仪光路可使两个环形谐振腔内光波的方向进行周期性切换，频率fMZI＝120kHz为相位调制器频率fm的2倍。
激光器LD发出的激光由光纤连接到相位调制器PM、马赫-曾德尔干涉仪MZI、第一分束耦合器OC1和第二分束耦合器OC2、第一环形谐振腔FRR1和第二环形谐振腔FRR2、两个2×2耦合器第三耦合器OC3和第四耦合器OC4、四个环形器依次连接构成谐振光路，第一环形器Cir1、第二环形器Cir2、第三环形器Cir3和第四环形器Cir4分别与第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4相连接，第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2连接至第一加法器EA1，第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4连接至第二加法器EA2，光电探测器和锁相放大解调电路构成谐振陀螺电路部分。
激光器、耦合器、环形器、环形谐振腔、马赫-曾德尔干涉仪和相位调制器均为具有保偏特性的器件。激光器用于产生连续可调窄线宽激光光束。
相位调制器为LiNbO3相位调制器，置于激光器和马赫-曾德尔干涉仪之间，相位调制器可对激光器输出光波进行等效移频，进行周期性频率调制。
马赫-曾德尔干涉仪是一种电光效应光开关，可以切换光波的输出端口并设置切换频率，周期性的改变两谐振腔内光波传输的方向。
环形谐振腔包括一个光纤环和一个2×2耦合器，将光纤环的两端分别与耦合器交叉的两端熔接，形成一个闭合回路。
采用光纤环长度、光纤环直径、耦合器分光比、耦合器损耗等参数一致的两环形谐振腔，两个光纤环形谐振腔是上下平行叠放在一起的，保证这两个光纤环形谐振腔性能一致且受温度波动影响相同。
光电探测器是光路和电路部分之间的桥梁，完成光电信号之间的转换。
激光器发出的光波经相位调制器调制后通过分束耦合器分成两束功率相同的光波，再分别进入两个谐振腔内谐振。第一环形谐振腔FRR1输出的光波经光电探测器探测，解调后反馈至激光器，使激光器中心频率始终锁定第一环形谐振腔FRR1内光波的谐振频率。第二环形谐振腔FRR2输出的光波经光电探测器探测后，检测其谐振曲线两端固定频率差对应的方波幅度与理想值是否相等，若对应的频率差的方波幅度与理想值不相等时，系统存在偏振波动噪声。此时，采取单边信号检测方法，即只利用谐振曲线受到偏振波动影响较小的一边进行信号检测，通过锁相放大解调电路解算出激光器中心频率和第二环形谐振腔FRR2内光波谐振频率差值，根据频差与旋转角速率的关系，即可获得陀螺的旋转角速率信息。
首先，该信号检测方法检测需要判断谐振曲线受偏振影响小的一边，通过曲线两边斜率与理想值对比，即[I(f0+2fm+fapplied)-I(f0+2fm-fapplied)]的光强幅度差和[I(f0-2fm-fapplied)-I(f0-2fm+fapplied)]的光强幅度差较理想值差异小的一侧可以用来进行信号检测，其中，f0为激光器中心频率，fm为相位调制器带来的调制频率，fapplied为设置的频率偏置。
将相位调制周期T分为T/4，2T/4，3T/4和4T/4四个部分。在第T/4周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器PM后从马赫-曾德尔干涉仪MZI的1端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内顺时针方向光波的谐振频率f0，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0+2fm频率点处对应传输的逆时针方向光波的强度；在第2T/4周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器PM后从马赫-曾德尔干涉仪MZI的2端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1逆时针方向光波的谐振频率f0，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0+2fm频率点处对应传输的顺时针方向光波的强度；在第3T/4个周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器PM后从马赫-曾德尔干涉仪MZI的1端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内顺时针光波的谐振频率，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0-2fm频率点处对应传输的逆时针方向光波的强度；在第4T/4个周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器PM后从马赫-曾德尔干涉仪MZI的2端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内逆时针方向传输光波的谐振频率，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0-2fm频率点处对应传输的顺时针方向传输光波的强度。在这里马赫-曾德尔干涉仪MZI的两个输出端口先后顺序无具体限制。上述方法通过判断并选取受偏振波动影响较小的谐振曲线的一边即可完成对信号的检测。
参照图2，在一个完整的调制周期T内，第T/4，2T/4，3T/4和4T/4周期分别检测①、②、③、④处的光强，可以检测两次方波幅度。在第T/4、2T/4周期内分别检测谐振腔2内顺、逆时针方向谐振曲线的右边，在相位调制的第3T/4、4T/4期内分别检测谐振腔FRR2内顺、逆时针方向谐振曲线的左边。
本发明属于光纤传感及信号检测技术领域，具体涉及一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统及其信号检测方法。由于该系统每一时刻，每个光纤环中只传输一个方向的光波，顺/逆时针光波的背向散射效应不会对逆/顺时针光波产生影响，能够消除背向散射噪声的影响。本发明基于提出的双环腔结构谐振式光纤陀螺结构，利用谐振曲线受偏振波动影响小的一边进行信号检测，可以明显地降低热致偏振噪声对信号检测的影响。
将顺、逆两时针两方向的光波分别在两个性能一致的谐振腔内单独传输，并利用马赫-曾德尔干涉仪改两变谐振腔内光波的传输方向，在谐振曲线两边分别进行信号检测，通过判断受偏振波动小的一段，实现单边信号检测检测技术。本发明把顺、逆两路光波分离开，可消除背向散射噪声的影响，将马赫-曾德尔干涉仪的频率设置为相位调制频率的二倍，通过单边信号检测技术，可有效地减弱热致偏振波动噪声的影响，提高陀螺检测精度。

Claims (4)

1.一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统，其特征在于：包括激光器LD、第一环形谐振腔FRR1、第二环形谐振腔FRR2、第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3、第四光电探测器PD4、第一加法器EA1和第二加法器EA2；所述的激光器LD通过光纤依次连接相位调制器PM和马赫-曾德尔干涉仪MZI的输入端；所述的马赫-曾德尔干涉仪MZI两输出端分别与第一分束耦合器OC1的输入端和第二分束耦合器OC2的输入端连接；所述的第一分束耦合器OC1的两输出端分别与第一环形器Cir1和第三环形器Cir3连接；所述的第二分束耦合器OC2的两输出端分别与第二环形器Cir2和第四环形器Cir4连接；所述的第一环形谐振腔FRR1与第三耦合器OC3连接；所述的第二环形谐振腔FRR2与第四耦合器OC4连接；所述的第一环形器Cir1、第三耦合器OC3和第二环形器Cir2依次连接；所述的第三环形器Cir3、第四耦合器OC4和第四环形器Cir4依次连接；所述的第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2、第三光电探测器PD3和第四光电探测器PD4的输入端分别与第一环形器Cir1、第二环形器Cir2、第三环形器Cir3和第四环形器Cir4连接；所述的第一加法器EA1的两个输入端分别与第一光电探测器PD1的输出端和第二光电探测器PD2的输出端连接，第一加法器EA1的输出作为第一锁相放大解调电路FPGA1的输入，经伺服回路控制反馈至激光器LD；所述的第二加法器EA2的两个输入端分别与第三光电探测器PD3的输出端和第四光电探测器PD4的输出端连接，第二加法器EA2的输出端与第二锁相放大解调电路FPGA2连接。
2.根据权利要求1所述的一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统，其特征在于：所述相位调制器PM为LiNbO3相位调制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统，其特征在于：所述的第一环形谐振腔FRR1与第二环形谐振腔FRR2的光纤环长度、光纤环直径、耦合器分光比和耦合器损耗参数一致；所述的第一环形谐振腔FRR1与第二环形谐振腔FRR2上下平行叠放在一起。
4.基于权利要求1所述的一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺系统的一种双环腔结构的谐振式光纤陀螺的信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：第二环形谐振腔FRR2输出的光波经光电探测器探测后，检测其谐振曲线两端固定频率差对应的方波幅度与理想值是否相等，若对应的频率差的方波幅度与理想值不相等时，系统存在偏振波动噪声；此时通过曲线两边斜率与理想值对比，只利用谐振曲线受到偏振波动影响较小的一边进行信号检测，即[I(f0+2fm+fapplied)-I(f0+2fm-fapplied)]的光强幅度差和[I(f0-2fm-fapplied)-I(f0-2fm+fapplied)]光强幅度差较理想值的差异小的一侧用来进行信号检测，其中，f0为激光器中心频率，fm为相位调制器带来的调制频率，fapplied为设置的频率偏置；
步骤2：将马赫-曾德尔干涉仪MZI的频率设置为相位调制器PM频率的2倍，其中相位调制器PM的周期为T；
步骤3：在第T/4周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器PM后从马赫-曾德尔干涉仪MZI的第一输出端口输出，激光器LD中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内顺时针方向光波的谐振频率f0，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0+2fm频率点处对应传输的逆时针方向光波的强度；
步骤4：在第2T/4周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器后从马赫-曾德尔干涉仪的第二输出端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内逆时针方向光波的谐振频率f0，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0+2fm频率点处对应传输的顺时针方向光波的强度；
步骤5：在第3T/4个周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器后从马赫-曾德尔干涉仪的第一输出端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内顺时针光波的谐振频率，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0-2fm频率点处对应传输的逆时针方向光波的强度；
步骤6：在第4T/4个周期内，激光器LD输出的光波经过相位调制器后从马赫-曾德尔干涉仪的第二输出端口输出，激光器中心频率锁定第一环形谐振腔FRR1内逆时针方向传输光波的谐振频率，同时检测第二环形谐振腔FRR2中f0-2fm频率点处对应传输的顺时针方向传输光波的强度。
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