CN110360997B - 一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统及方法。本发明首先对激光器输出的光进行相位调制，然后经1×2光开关进行时分复用后输入光学环形谐振腔，并同步的对谐振腔的顺时针和逆时针输出信号进行解调，其中一路解调输出经过伺服回路稳定激光器的频率，另外一路解调输出作为陀螺的转动信号。本发明能有效的抑制谐振式光学陀螺的背向散射噪声，提高了输出信号的信噪比，同时提升了系统的互易性。

Description

一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统及方法
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统及方法。谐振式陀螺包括以光纤环形谐振腔为敏感元件的谐振式光纤陀螺和以光波导谐振腔为核心敏感元件的谐振式集成光学陀螺。
背景技术
谐振式光学陀螺(Resonator Optic Gyro，ROG)是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的微型惯性传感器。无振动部件的谐振式光学陀螺具有小型化，精度高，抗震动等优点。相比微机械陀螺(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)和干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optical Gyroscope，IFOG)，ROG将具有更大的优势。
由于Sagnac效应是一种微弱的效应，并且谐振式光学陀螺中的光学噪声又很强，因此信号检测与噪声抑制技术具有非常重要的地位。背向散射噪声是谐振式光学陀螺中最主要的光学噪声，主要有干涉项与强度项的噪声影响。我们通常将两路的调制频率错开来抑制强度项的噪声影响，但这会破坏系统的互易性；我们通常会用载波抑制的方法来抑制干涉项的噪声的影响，但是载波抑制的方法会降低系统的随机游走，同时载波抑制对调制幅度的控制精度往往要求很高，实现起来比较困难。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一方面公开了一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括由可调谐激光器、相位调制器、光开关、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块构成的信号处理系统。可调谐激光器、相位调制器、光开关通过光纤顺次相连；光开关的两路输出进入光学谐振腔，光学谐振腔的输出与光电转换器相连，光电转换器的输出端口与信号调制解调模块相连；信号调制解调模块产生的调制信号输入到相位调制器，信号调制解调模块产生的解调信号输入到反馈锁定模块，反馈锁定模块与可调谐激光器相连，信号调制解调模块产生的谐振式光学陀螺信号输入到数据记录仪。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经解调后作为解调信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经解调后作为谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。
本发明还公开了另一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光开关、第二相位调制器、衰减器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块和伺服移频模块构成的信号处理系统。可调谐激光器、第一相位调制器和光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第二相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光开关的另外一个输出端口、衰减器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块和可调谐激光器依次相连，光电转换器、信号调制解调模块、伺服移频模块与第二相位调制器依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，分别经过第二相位调制器与衰减器后输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经解调后作为解调信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经解调后传输至伺服移频模块，伺服移频模块产生锯齿波作用在第二相位调制器上，使得光学谐振腔内的顺时针路也工作在谐振频率点上；锯齿波的频率信号作为移频量，同时作为陀螺的转动输出信号。
本发明还公开了另一形式的时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光开关、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块和伺服移频模块构成的信号处理系统。可调谐激光器、第一相位调制器和光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第二相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光开关的另外一个输出端口、第三相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块和可调谐激光器依次相连，光电转换器、信号调制解调模块、伺服移频模块和第二相位调制器依次相连，信号调制解调模块、伺服移频模块和第三相位调制器相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的。
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，分别经过第二相位调制器与第三相位调制器后输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束。这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号。信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调。
(4)陀螺信号输出：顺时针路信号与逆时针路信号分别解调后相加作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器。顺时针路信号与逆时针路信号分别解调后相减，传输到伺服移频模块产生两个频率一致但是斜率互为相反数的锯齿波，分别作用在第二相位调制器与第三相位调制器。两路解调后的差值信号作为陀螺的输出信号。
本发明具有的有益效果：
1.本发明提供的时分复用的谐振式光学陀螺的检测方法通过光开关错开光学谐振腔内顺时针路光与逆时针路光的传输，使得同一时间内只有一束光在光学谐振腔内传输，能够很好的从源头上抑制谐振式光学陀螺的背向散射噪声。背向散射噪声是谐振式光学陀螺中最主要的噪声源，因此时分复用的谐振式光学陀螺能极大地提升谐振式光学陀螺的零偏稳定性与随机游走；
2.本发明提供的时分复用的谐振式光学陀螺的检测方法使用同一频率在同一相位调制器上调制，在光路上有很好的互易性，能很好的消除谐振式光学陀螺中的互易性噪声，提升陀螺检测系统的信噪比；
3.本发明提供的时分复用的谐振式光学陀螺的检测方法实施起来简单，降低了陀螺检测系统对调制幅度的控制精度要求，提高了陀螺检测系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明的第一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统的结构示意图；
图2是本发明的第二种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统的结构示意图；
图3是本发明的第三种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统的结构示意图；
图4是信号解调后输出的曲线示意图；
图5是图1和图2所示的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图；
图6是图3所示的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图；
图7是一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统的具体实施案例示意图；
图中：1、可调谐激光器，2、相位调制器，3、光开关，4、第一环形器，5、第二环形器，6、光学谐振腔，7、第一光电探测器，8、第二光电探测器，9、信号调制解调模块，10、反馈锁定模块，11、数据记录仪。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
如图1所示，一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括由可调谐激光器、相位调制器、光开关、光学谐振腔、光电转换器构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块构成的信号处理系统。可调谐激光器、相位调制器、光开关通过光纤顺次相连；光开关的两路输出进入光学谐振腔，光学谐振腔的输出与光电转换器相连，光电转换器的输出端口与信号调制解调模块相连；信号调制解调模块产生的调制信号输入到相位调制器，信号调制解调模块产生的解调信号输入到反馈锁定模块，反馈锁定模块与可调谐激光器相连，信号调制解调模块产生的谐振式光学陀螺信号输入到数据记录仪。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经解调后作为解调信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经解调后作为谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。
如图2所示，一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光开关、第二相位调制器、衰减器、光学谐振腔、光电转换器构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块和伺服移频模块构成的信号处理系统。可调谐激光器、第一相位调制器和光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第二相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光开关的另外一个输出端口、衰减器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块和可调谐激光器依次相连，光电转换器、信号调制解调模块、伺服移频模块与第二相位调制器依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，分别经过第二相位调制器与衰减器后输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经解调后作为解调信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经解调后传输至伺服移频模块，伺服移频模块产生锯齿波作用在第二相位调制器上，使得光学谐振腔内的顺时针路也工作在谐振频率点上；锯齿波的频率信号作为移频量，同时作为陀螺的转动输出信号。
如图3所示，一种时分复用的谐振式光学陀螺的检测系统，它包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光开关、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换器构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块和伺服移频模块构成的信号处理系统。可调谐激光器、第一相位调制器和光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第二相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光开关的另外一个输出端口、第三相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块和可调谐激光器依次相连，光电转换器、信号调制解调模块、伺服移频模块和第二相位调制器依次相连，信号调制解调模块、伺服移频模块和第三相位调制器相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的。
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，分别经过第二相位调制器与第三相位调制器后输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束。这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号。信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调。
(4)陀螺信号输出：顺时针路信号与逆时针路信号分别解调后相加作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器。顺时针路信号与逆时针路信号分别解调后相减，传输到伺服移频模块产生两个频率一致但是斜率互为相反数的锯齿波，分别作用在第二相位调制器与第三相位调制器。两路解调后的差值信号作为陀螺的输出信号。
如图4所示，给出了时分复用的谐振式光学陀螺的仿真的解调曲线图。横坐标表示激光器频率与光学谐振腔的谐振频率差，纵坐标表示解调输出的电压值。
如图5所示，给出了图1和图2所示的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图，激光器频率始终稳定在逆时针光束的谐振频率，顺时针和逆时针光束的谐振频率差即为谐振式光学陀螺的转动信号。
如图6所示，给出了图3所示的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图，激光器频率始终稳定在逆时针光束的谐振频率和顺时针光束的谐振频率的均值，顺时针和逆时针光束的谐振频率差即为谐振式光学陀螺的转动信号。
如图7所示，是一种时分复用的谐振式光学陀螺的实时案例，其中可调谐激光器、相位调制器与光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第一环形器与光学谐振腔通过光纤顺次相连，光开关的另一个输出端口、第二环形器与光学谐振腔通过光纤顺次相连，第一环形器、第一光电探测器与信号调制解调模块相连，第二环形器、第二光电探测器与信号调制解调模块相连，信号调制解调模块、反馈锁定模块与可调谐激光器相连，信号调制解调模块与数据记录仪相连。本案例中使用光学相位调制器作为调制器，光电探测器作为光电转换器，在基于FPGA的开发平台上进行代码编写实现信号调制解调模块，反馈锁定模块，使用数字万用表或者个人电脑作为数据记录仪。

Claims (3)

1.一种基于时分复用的谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，所述的谐振式光学陀螺检测系统包括可调谐激光器、相位调制器、光开关、光学谐振腔、光电转换器构成的光学系统以及由信号调制解调模块、反馈锁定模块构成的信号处理系统；可调谐激光器、相位调制器、光开关通过光纤顺次相连；光开关的两路输出进入光学谐振腔，光学谐振腔的输出与光电转换器相连，光电转换器的输出端口与信号调制解调模块相连；信号调制解调模块产生的调制信号输入到相位调制器，信号调制解调模块产生的解调信号输入到反馈锁定模块，反馈锁定模块与可调谐激光器相连，信号调制解调模块产生的谐振式光学陀螺信号输入到数据记录仪；
其特征在于，所述的检测方法包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经解调后作为解调信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经解调后作为谐振式光学陀螺信号，输出至数据记录仪。
2.一种基于时分复用的谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，所述的谐振式光学陀螺检测系统包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光开关、第二相位调制器、衰减器、光学谐振腔、光电转换器构成的光学系统以及由信号调制解调模块、反馈锁定模块和伺服移频模块构成的信号处理系统；可调谐激光器、第一相位调制器和光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第二相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光开关的另外一个输出端口、衰减器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块和可调谐激光器依次相连，光电转换器、信号调制解调模块、伺服移频模块与第二相位调制器依次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连；
其特征在于，所述的检测方法包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，分别经过第二相位调制器与衰减器后输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：逆时针路信号，经解调后作为解调信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号，经解调后传输至伺服移频模块，伺服移频模块产生锯齿波作用在第二相位调制器上，使得光学谐振腔内的顺时针路也工作在谐振频率点上；锯齿波的频率信号作为移频量，同时作为陀螺的转动输出信号。
3.一种基于时分复用的谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，所述的谐振式光学陀螺检测系统包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光开关、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换器构成的光学系统以及由信号调制解调模块、反馈锁定模块和伺服移频模块构成的信号处理系统；可调谐激光器、第一相位调制器和光开关通过光纤顺次相连，光开关的一个输出端口、第二相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光开关的另外一个输出端口、第三相位调制器、光学谐振腔和光电转换器通过光纤顺次相连，光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块和可调谐激光器依次相连，光电转换器、信号调制解调模块、伺服移频模块和第二相位调制器依次相连，信号调制解调模块、伺服移频模块和第三相位调制器相连；
其特征在于，所述的检测方法包括以下步骤：
(1)相位调制：可调谐激光器发出的激光经相位调制器调制，其中，相位调制器的驱动信号是信号调制解调模块产生的调制信号U1(t)；
(2)光开关的时分复用：经过相位调制的光，输入1×2的光开关中产生相互切换的两束光，达到时分复用的目的；
(3)信号的解调：经过光开关后形成的相互切换的光束，分别经过第二相位调制器与第三相位调制器后输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束；这两束光分别进入光电转换器转换成为电信号；信号调制解调模块产生与U1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
(4)陀螺信号输出：顺时针路信号与逆时针路信号分别解调后相加作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对其进行比例和积分运算处理后反馈控制可调谐激光器；顺时针路信号与逆时针路信号分别解调后相减，传输到伺服移频模块产生两个频率一致但是斜率互为相反数的锯齿波，分别作用在第二相位调制器与第三相位调制器；两路解调后的差值信号作为陀螺的输出信号。
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