CN110440786B - 单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法 - Google Patents

单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法。由光源发出的光经耦合器分为两束光后，分别进入两个Y波导集成光学芯片的输入端，其中Y波导会将光束一分为二后输出，两束光分别按顺时针、逆时针方向经光纤传感环后返回Y分束器合成形成干涉，经两Y波导集成光学芯片输入端送至耦合器，然后用光电检测器将两个Y波导产生的干涉光转化为电信号，信号处理单元和模拟开光实现一个本征周期内处理两个陀螺信号，同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信息。本发明不需要对光纤陀螺内部结构进行大的改变就能实现双轴速率检测。

Description

单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺仪，尤其涉及单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法。
背景技术
光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由光源发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的不同，决定了敏感元件的角位移。
光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本相对较低。
光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：当光束在一个环形的通道中行进时，若环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动方向行进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向行进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的行进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的这种变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度。
公开号为CN108332736A的发明专利公开了一种半导体超辐射二极管光源光电探测管复用的光纤陀螺仪，由光源发出的光经分束器一分为二，其中一束进入Y波导集成光学芯片点输入端，经Y波导集成光学芯片中的Y分束器将光束一分为二后输出，其中上光束按顺时针方向经过光纤传感环后返回Y波导集成光学芯片；下光束按逆时针方向经过光纤传感环后返回Y波导集成光学芯片；这两束顺时针光和逆时针光由Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，经芯片输入端至分束器一分为二，其中一束由光电探测器变为电信号，经过信号处理单元，生产反馈加到Y波导集成光学芯片中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。这种陀螺的缺点是无法提供多轴的一个转速信息，随着光纤陀螺技术的不断发展，多轴光纤陀螺受到了广泛关注，在多个特殊领域需要两个或两个以上方向的信息，本发明的目的是提供单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法，可用于测量双轴的转速信息。
发明内容
本发明的目的是提供单光源双轴光纤陀螺仪及其双轴电信号解调方法，可以同时测量两个陀螺的转速信息。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单光源双轴光纤陀螺仪，包括光源、耦合器、第一Y波导集成光学芯片、第二Y波导集成光学芯片、第一光纤传感环、第二光纤传感环、光电探测器、信号处理单元；所述光源的输出端和光电探测器的接收端分别与耦合器同一侧的两个端口光纤连接，耦合器另一侧的端口分别与第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片的输入端连接，第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片的输出端分别连接第一光纤传感环和第二光纤传感环；由光源发出的光经耦合器分别进入第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片的输入端，第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片上均集成有起偏器、Y分束器和相位调制器，Y分束器将光束一分为二，其中从第一Y波导集成光学芯片输出的上光束按顺时针方向经过第一光纤传感环后返回第一Y波导集成光学芯片，下光束按逆时针方向经过第一光纤传感环后返回第一Y波导集成光学芯片；顺逆时针两束光由第一Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，返回至耦合器；从第二Y波导集成光学芯片输出的上光束按顺时针方向经过第二光纤传感环后返回第二Y波导集成光学芯片，下光束按逆时针方向经过第二光纤传感环后返回第二Y波导集成光学芯片，顺逆时针两束光由第二Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，返回至耦合器；返回至耦合器后的两束光合成形成干涉并从耦合器输出，由光电探测器将干涉后的光信号转变为电信号，送入信号处理单元；信号处理单元产生分别加在两个相位调制器上的信号，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
进一步的，第一光纤传感环和第二光纤传感环中光线的长度要求为整数倍的关系。
本发明还公开了一种所述单光源双轴光纤陀螺仪的双轴电信号解调方法，包括如下步骤：
步骤一、第一Y波导集成光学芯片中的相位调制器和第二Y波导集成光学芯片中的相位调制器上的调制电压为方形波，分别为第一调制电压和第二调制电压，并且相差半个渡越周期；
步骤二、在信号处理单元中，每一个调制电压周期设置四个采样点，其中第一调制电压和第二调制电压均为高电压时作为第一采样点，第一调制电压为高电压且第二调制电压为低电压时作为第二采样点，第一调制电压和第二调制电压均为低电压时作为第三采样点，第一调制电压为低电压且第二调制电压为高电压时作为第四采样点；
步骤三、使用第一采样点和第二采样点作为一组信号，第三采样点和第四采样点作为一组信号，将两组信号做差，可以将从第二Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号完全滤除；同样的，将第一采样点和第三采样点作为一组信号，第二采样点和第四采样点作为一组信号，两组信号做差，可以将从第一Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号完全滤除，从而将从第一Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号和从第二Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号分别提取出来，实现双轴光纤陀螺的转速信息输出。
本发明的有益效果：传统的光纤陀螺仪方案中只有一个光学集成芯片和光纤传感环，实现一根轴的轴速检测，而简单的采取单轴光纤陀螺进行组合，其体积较大，重量较重，无法达到系统的使用要求；本发明通过两个Y波导输出的信号经过耦合器后会叠加，并公开了一种调制和解调方法来实现分离叠加信号，可以同时测量两个陀螺的转速信息。能够大大地降低双轴光纤陀螺的制作成本，并且不需要对光纤陀螺内部结构进行大的改变就能实现双轴速率检测，有效地减小了双轴光纤陀螺仪的体积和重量。
附图说明
图1是传统单轴光纤陀螺仪结构示意图；
图2是双轴光纤陀螺仪结构示意图；
附图标记：1光源，2耦合器，3第一Y波导集成光学芯片，4第一光纤传感环，5光电探测器，6信号处理单元，7第二Y波导集成光学芯片，8第二光纤传感环；
图3是加在两个Y波导集成光学芯片中的相位调制器上的电压；
图4是一个渡越周期内的四个采样点。
具体实施方式
传统的单轴光纤陀螺仪结构示意图如图1所示，由光源1发出的光经耦合器进入第一Y波导集成光学芯片3的输入端，第一Y波导集成光学芯片上集成有起偏器、Y分束器和相位调制器，第一Y波导集成光学芯片3中的Y分束器将光束一分为二，其中上光束按顺时针方向经过第一光纤传感环4后返回；下光束按逆时针方向经过第一光纤传感环4后返回；返回的顺逆两束光由第一Y波导集成光学芯片3中的Y分束器合成形成干涉，经第一Y波导集成光学芯片3输入端返回至耦合器2后一分为二，其中一束由光电探测器5变为电信号，经过信号处理单元6，生产反馈加到第一Y波导集成光学芯片3中相位调制器上，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
本实施例提供了一种可用于测量双轴转速信息的光纤陀螺仪，其结构如图2所示，双轴光纤陀螺仪包括光源1、耦合器2、第一Y波导集成光学芯片3、第一光纤传感环4、光电探测器5、信号处理单元6、第二Y波导集成光学芯片7、第二光纤传感环8；所述光源的输出端和光电探测器的接收端分别与耦合器一端的端口光纤连接，耦合器另一端分别与第一Y波导集成光学芯片3和第二Y波导集成光学芯片7的一端连接，第一Y波导集成光学芯片3和第二Y波导集成光学芯片7的另一端分别连接第一光纤传感环4和第二光纤传感环8；由光源1发出来的光经耦合器2一分为二，两束光分别进入第一光学集成芯片3和第二光学集成芯片7的输入端，第一Y波导集成光学芯片3和第二光学芯片7上均集成有起偏器、Y分束器和相位调制器，Y分束器将光束一分为二，其中从第一Y波导集成光学芯片射出的上光束按顺时针方向经过第一光纤传感环后返回第一Y波导集成光学芯片，下光束按逆时针方向经过第一光纤传感环后返回返回第一Y波导集成光学芯片，顺逆时针两束光由第一Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，返回至耦合器2；从第二Y波导集成光学芯片射出的上光束按顺时针方向经过第二光纤传感环后返回第二Y波导集成光学芯片，下光束按逆时针方向经过第二光纤传感环后返回第二Y波导集成光学芯片，顺逆时针两束光由第二Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，返回至耦合器2；返回至耦合器2后的两束光合成形成干涉并从耦合器一端输出，由光电探测器将干涉后的光信号变为电信号，送入信号处理单元6；信号处理单元产生加在两个相位调制器上的信号，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号。
调制电压信号如图3所示，第一Y波导集成光学芯片的调制信号和第二Y波导集成光学芯片的调制信号相互正交；由于返回至耦合器2后的两束光会合成形成干涉，由光电探测器将干涉后的光信号变为电信号并送入信号处理单元之后，需要分别得到从第一Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号以及从第二Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号，进一步将双轴的转速信息提取出来。
在信号处理单元中，每一个调制电压周期设置四个采样点，采样点如图4所示，采样点1中第一调制电压和第二调制电压均为高电压，采样点2中第一调制电压为高电压且第二调制电压为低电压，采样点3中第一调制电压和第二调制电压均为低电压，采样点4中第一调制电压为低电压且第二调制电压为高电压。可以通过四个采样点之间的关系将干涉后的光信号分离，在信号处理单元中，使用第一采样点和第二采样点作为一组信号，第三采样点和第四采样点作为一组信号，将两组信号做差，可以将从第二Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号完全滤除，同样的，将第一采样点和第三采样点作为一组信号，第二采样点和第四采样点作为一组信号，两组信号做差，可以将从第一Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号完全滤除，从而可以将双轴的转速信息分别提取出来，实现双轴光纤陀螺的转速信息输出。

Claims (1)

1.一种单光源双轴光纤陀螺仪的双轴电信号解调方法，所述的单光源双轴光纤陀螺仪包括光源（1）、耦合器（2）、第一Y波导集成光学芯片（3）、第二Y波导集成光学芯片（7）、第一光纤传感环（4）、第二光纤传感环（8）、光电探测器（5）、信号处理单元（6）；所述光源的输出端和光电探测器的接收端分别与耦合器同一侧的两个端口光纤连接，耦合器另一侧的端口分别与第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片的输入端连接，第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片的输出端分别连接第一光纤传感环和第二光纤传感环；由光源发出的光经耦合器（2）分别进入第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片的输入端，第一Y波导集成光学芯片和第二Y波导集成光学芯片上均集成有起偏器、Y分束器和相位调制器，Y分束器将光束一分为二，其中从第一Y波导集成光学芯片输出的上光束按顺时针方向经过第一光纤传感环后返回第一Y波导集成光学芯片，下光束按逆时针方向经过第一光纤传感环后返回第一Y波导集成光学芯片；顺逆时针两束光由第一Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，返回至耦合器；从第二Y波导集成光学芯片输出的上光束按顺时针方向经过第二光纤传感环后返回第二Y波导集成光学芯片，下光束按逆时针方向经过第二光纤传感环后返回第二Y波导集成光学芯片，顺逆时针两束光由第二Y波导集成光学芯片中的Y分束器合成形成干涉，返回至耦合器；返回至耦合器后的两束光合成形成干涉并从耦合器输出，由光电探测器（5）将干涉后的光信号转变为电信号，送入信号处理单元（6）；信号处理单元产生分别加在两个相位调制器上的信号，并同时输出陀螺仪相对于惯性参考系的转动信号；
其特征在于，所述的双轴电信号解调方法包括如下步骤：
步骤一：第一Y波导集成光学芯片中的相位调制器和第二Y波导集成光学芯片中的相位调制器上的调制电压为方形波，分别为第一调制电压和第二调制电压，并且相差半个渡越周期；
步骤二：在信号处理单元中，每一个调制电压周期设置四个采样点，其中第一调制电压和第二调制电压均为高电压时作为第一采样点，第一调制电压为高电压且第二调制电压为低电压时作为第二采样点，第一调制电压和第二调制电压均为低电压时作为第三采样点，第一调制电压为低电压且第二调制电压为高电压时作为第四采样点；
步骤三：使用第一采样点和第二采样点作为一组信号，第三采样点和第四采样点作为一组信号，将两组信号做差，能够将从第二Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号完全滤除；同样的，将第一采样点和第三采样点作为一组信号，第二采样点和第四采样点作为一组信号，两组信号做差，能够将从第一Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号完全滤除，从而将从第一Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号和从第二Y波导集成光学芯片返回至耦合器的信号分别提取出来，实现双轴光纤陀螺的转速信息输出。
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