CN110631571B - 一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪及信号检测闭环控制方法 - Google Patents

一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪及信号检测闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪及信号检测闭环控制方法。激光从带尾纤的激光器1中发出后经光纤输入到光纤电光调制器2，对光功率进行调制后进入光纤分束器3中分成两束检测光，分别经过光纤准直器4和8后输出两束空间光，沿陀螺仪的x轴和y轴传播，经过起偏器5和9后变为线偏振光进入气室，出气室后再经过半波片10和15进入到偏振平衡分束探测器13和23中；偏振平衡分束探测器13和23的输出端分别连接到锁相放大器17和18的输入端，锁相放大器17和18的输出端连接到磁场补偿与控制系统19，磁场补偿与控制系统19分别连接x磁场控制线圈7和y磁场控制线圈6。本发明可以抑制SERF陀螺仪的标度因数误差，简化其结构并减小其体积，提高陀螺仪的综合性能。

Description

一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪及信号检测闭环控制方法
技术领域
本发明涉及量子精密测量领域，特别涉及一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪及信号检测闭环控制方法。
背景技术
高精度、小体积、低成本的陀螺仪一直是惯性导航领域的研究重点。无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)陀螺仪具有理论精度高的特点，并且可以采用微机电加工技术实现小型化和批量生产。因此，SERF陀螺仪具有成为一种高精度、小型化和低成本陀螺仪的潜力，从而引起了广泛的研究兴趣。零偏稳定性是评价陀螺仪性能的重要指标，标度因数误差是限制SERF陀螺仪零偏稳定性的重要误差项之一。现有技术中提供的SERF陀螺仪检测方案可以分为开环检测方案和基于法拉第调制的光学闭环检测方案。在开环检测方案中，通常采用对检测光功率进行闭环控制的方案抑制检测光功率波动导致的标度因数误差。但是，由于光功率控制精度受环境温度影响很大，当陀螺的输出偏置不为零时，光功率波动会引入标度因数误差，限制陀螺精度的提高。在基于法拉第调制的光学闭环检测方案中，采用法拉第调制器作为执行器，将陀螺的输出偏置实时补偿到零，可以完全抑制标度因数误差。但是法拉第调制器体积较大不利于系统小型化且其晶体易受温度波动影响而性能不稳定；另外，上述闭环检测方案需要使用两套法拉第调制器，导致陀螺的结构复杂，可靠性降低。现有技术中提供的双轴SERF陀螺仪信号检测方案多采用空间光分束器进行分光，器件稳定性易受环境影响且光路结构复杂，体积较大，同样限制陀螺仪的进一步小型化。
发明内容
本发明解决的问题是：提供一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪及信号检测闭环控制方法，抑制陀螺标度因数误差，减小陀螺体积，降低其结构复杂度，并提高其可靠性。
本发明的技术方案为：
一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪，其特征在于，包括带尾纤的激光器1、光纤EOM 2及其控制器20、光纤分束器3、光纤准直器4和8、起偏器5和9、半波片10和15、偏振平衡分束探测器13和23、锁相放大器17和18、磁场补偿与控制系统19、x磁场控制线圈7和y磁场控制线圈6；激光从带尾纤的激光器1中发出后经光纤输入到光纤EOM 2，通过光纤EOM2对光功率进行调制后进入光纤分束器3中分成两束检测光，分别经过光纤准直器4和8后输出为空间光；两束空间光分别沿陀螺的x轴和y轴传播，经过起偏器5和9后变为线偏振光进入气室与原子发生相互作用，出气室后再分别经过半波片10和15进入到偏振平衡分束探测器13和23中；所述偏振平衡分束探测器13和23的输出端分别连接到锁相放大器17和18的输入端，锁相放大器17和18的输出端连接到磁场补偿与控制系统19，磁场补偿与控制系统19分别连接到x磁场控制线圈7和y磁场控制线圈6；所述陀螺仪以输入角速率引起的旋光角信号为误差信号，通过锁相放大器提取偏振平衡分束探测器输出的一次谐波信号得到误差信号，将误差信号输入到磁场补偿与控制系统中，利用陀螺仪对其横向磁场的敏感特性，通过磁场补偿与控制系统施加相应的反馈控制磁场，将误差信号实时补偿到零。
一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的信号检测闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用光纤EOM对检测光功率进行调制，并用光纤分束器将检测光束分为沿x轴和y轴传播的两束光；
(2)采用偏振平衡分束探测器监控检测光功率输出，并用锁相放大器提取偏振平衡分束探测器输出信号中的一次谐波信号；
(3)将得到的一次谐波信号作为误差信号输入到磁场补偿与控制系统中；
(4)磁场补偿与控制系统根据误差信号控制其输出的反馈磁场信号，将陀螺误差信号实时补偿到零；
(5)根据磁场补偿信号计算陀螺的输入角速率。
所述步骤1)中，所述光功率调制是通过光纤EOM控制器对光纤EOM施加固定频率的控制信号实现的。
所述步骤1)中，将光纤EOM控制器对光纤EOM施加的固定频率作为锁相放大器的参考频率信号。
所述步骤4)中，所述磁场补偿与控制系统输出的反馈磁场信号与误差信号成线性关系。
所述步骤4)中，所述误差信号实时补偿是通过改变x磁场控制线圈和y磁场控制线圈中的反馈磁场实现的。
所述步骤5)中，所述陀螺的输入角速率与磁场补偿信号成线性关系。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用光纤EOM对检测光功率进行调制并采用光纤分束器分光，所述陀螺仪双轴检测光束的分束是通过光纤分束器实现的。光纤分束器体积小，安装位置可按需选择，从而可以更有效的利用光路空间。克服了现有技术中空间光分光光路结构复杂、占用体积大的缺点，有利于减小SERF陀螺仪的体积。
(2)本发明将陀螺的输出闭环控制在零位，抑制了现有开环检测方案中检测光功率波动、电路放大系数波动等导致的陀螺标度因数误差，有利于提高SERF陀螺仪的稳定性。
(3)本发明采用磁场作为反馈控制量，不需要额外增加执行器，克服了现有光学闭环检测方案中执行器体积大、结构复杂的缺点，有利于进一步减小陀螺仪的体积。
(4)本发明提供的闭环控制方法中用反馈磁场表征角速率，不再需要对检测光功率进行闭环控制，一方面克服了现有技术方案中光功率控制精度受限于执行器性能的难题，另一方面去除了结构复杂、占用空间体积大的光功率控制光路，这有利于提高陀螺仪性能和减小陀螺仪体积。
附图说明
图1为本发明提供的双轴无自旋交换弛豫陀螺仪结构图；
图2为本发明提供的双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的信号检测闭环控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示为本发明提供的双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的结构图。
一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪，包括带尾纤的激光器1、光纤电光调制器(Electro-Optic Modulator,EOM)2及其控制器20、光纤分束器3、两个光纤准直器4和8、两个起偏器5和9、两个半波片10和15、两个偏振平衡分束探测器13和23、锁相放大器(Lock-InAmplifier,LIA)17和18、磁场补偿与控制系统19、x磁场控制线圈7和y磁场控制线圈6；激光从带尾纤的激光器1中发出后经光纤输入到光纤EOM 2，通过光纤EOM 2对光功率进行调制后进入光纤分束器3中分成两束检测光，分别经过光纤准直器4和8后输出为空间光；两束空间光分别沿陀螺的x轴和y轴传播，经过起偏器5和9后变为线偏振光进入气室与原子发生相互作用，出气室后再分别经过半波片10和15进入到偏振平衡分束探测器13和23中；偏振平衡分束探测器13和23的输出端分别到连接锁相放大器17和18的输入端，锁相放大器17和18的输出端连接到磁场补偿与控制系统19，磁场补偿与控制系统19分别连接到x磁场控制线圈7和y磁场控制线圈6。
其中，偏振平衡分束探测器23由偏振分束棱镜21和平衡差分光电探测器16和22构成,偏振平衡分束探测器13由偏振分光棱镜11和平衡差分光电探测器12和14构成；偏振分束棱镜21将x轴从气室出射的线偏振光分成两束，分别进入平衡差分光电探测器16和22，偏振分光棱镜11将y轴从气室出射的线偏振光分成两束，分别进入平衡差分光电探测器12和14，平衡差分光电探测器输出的一次谐波信号中包含角速率信息。
线偏振光经过气室后其偏振方向相对于入射时发生偏转，偏转的角度即为旋光角，偏振平衡分束探测器的输出信号中一次谐波信号的幅度与旋光角成正比，而旋光角又与输入角速率成正比，以输入角速率引起的旋光角信号为误差信号，用锁相放大器提取该一次谐波信号得到误差信号，将误差信号输入到磁场补偿与控制系统中，利用陀螺仪对其横向磁场的敏感特性，通过磁场补偿与控制系统施加相应的反馈控制磁场，将误差信号实时补偿到零。
下面以x轴信号的检测为例介绍其检测过程。激光从带尾纤的激光器1中出射后经光纤输入到光纤EOM 2，光纤EOM 2对光功率进行调制后经过光纤分束器3中分成两束，其中一束经过光纤准直器8输出为空间光，并沿x轴传播。空间光经过起偏器9后变为线偏振光，该线偏振光经过气室24后其偏振方向相对于入射时发生偏转，偏转的角度即为旋光角；偏振平衡分束探测器23的输出信号中一次谐波信号的幅度与旋光角成正比将上述输出信号输入到LIA 18中并提取信号中的一次谐波信号系统的误差信号，将误差信号输入到磁场补偿与控制系统19中，磁场补偿与控制系统19根据输入的误差信号，改变x方向磁场控制线圈7的反馈磁场信号，将误差信号实时补偿到零。
需要说明的是，所述激光功率调制是通过光纤EOM实现的。通过光纤EOM控制器对光纤EOM施加固定频率的控制信号，同时将该信号作为锁相放大器的参考频率。
需要说明的是，所述检测光束的分束是通过光纤分束器实现的。光纤分束器体积小，安装位置可按需选择，从而可以更有效地利用光路空间。
需要说明的是，所述误差信号与陀螺的输入角速率成正比，且误差补偿是通过改变磁场控制线圈中的磁场实现的。同时，反馈磁场与误差信号成线性关系。
下面结合图1介绍本发明提供的双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的工作原理。
采用偏振平衡分束探测器检测的开环SERF陀螺仪的稳态输出可以表示为：
VO＝KVI0θ (1)
其中KV为光电转换系数，I0为检测光功率，θ为旋光角。θ与SERF陀螺主要敏感项之间的关系可以表示为：
Figure BDA0002214912250000041
其中，Kθ为与检测光频率和气室参数有关的常数，
Figure BDA0002214912250000059
为电子自旋极化率，γe和γn分别为电子自旋和核自旋的旋磁比，
Figure BDA0002214912250000051
和
Figure BDA0002214912250000052
分别为电子自旋和核自旋的横向弛豫率，Bn为核自旋产生的磁场，Ωyi为Y方向的角速率输入，Bxi为X方向的磁场输入，θr为由气室、偏振片等光路元器件引起的残余旋光角。通常情况下，在陀螺启动前需要通过调节半波片将θr调零，此时陀螺输出信号可以展开为
Figure BDA0002214912250000053
陀螺的标度因数可以表示为
Figure BDA0002214912250000054
在现有开环SERF陀螺仪方案中，Bxi被补偿到零。当Ωyi不等于零时，KΩ中各系数的波动导致的刻度系数变化将会导致陀螺漂移。为了解决这个问题，本发明采取的技术措施是用光纤EOM给I0施加正弦调制，此时，图1中位置①处x方向的检测光功率和位置⑤处y方向的检测光功率的交流项可以分别表示为
Ix＝Imxsin(ωmt) (5)
Iy＝Imysin(ωmt) (6)
其中，ωm为调制频率，Imx和Imy分别表示两个方向的光功率调制幅度。经过气室后，位置②处陀螺x轴输出和位置⑥处陀螺y轴输出的交流项可以分别表示为
Figure BDA0002214912250000055
Figure BDA0002214912250000056
经过LIA1和LIA2后，可以得到陀螺的输出信号为分别为
Figure BDA0002214912250000057
Figure BDA0002214912250000058
即输出信号与某一方向的角速率输入及其正交轴上的磁场输入的综合作用成线性关系。将误差信号输入到磁场补偿控制与控制系统后，系统可以计算出相应的补偿磁场，并输出到磁场控制线圈中，使得
δVOx＝0 (11)
δVOy＝0 (12)
此时，可以通过相应的补偿反馈磁场值得到角速率信息，即
Figure BDA0002214912250000061
Figure BDA0002214912250000062
由上式可以看出，测量到的角速率信息不再依赖陀螺的标度因数，标度因数误差可以被完全抑制。
本发明提供的基于上述双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的信号检测闭环控制方法的流程图如图2所示。一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的信号检测闭环控制方法，包括以下步骤：
(1)采用光纤EOM对检测光功率进行调制，并用光纤分束器将检测光束分为沿x轴和y轴传播的两束光；
(2)采用偏振平衡分束探测器监控检测光功率输出，并用锁相放大器提取偏振平衡分束探测器输出信号中的一次谐波信号；
(3)将得到的一次谐波信号作为误差信号输入到磁场补偿与控制系统中；
(4)磁场补偿与控制系统根据误差信号控制其输出的反馈磁场信号，将误差信号实时补偿到零；
(5)根据磁场补偿信号计算陀螺的输入角速率。
步骤1)中，所述光功率调制是通过光纤EOM控制器对光纤EOM施加固定频率的控制信号实现的。
步骤1)中，将光纤EOM控制器对光纤EOM施加的固定频率作为锁相放大器的参考频率信号。
步骤4)中，所述反馈磁场信号与误差信号成线性关系。
步骤4)中，所述误差补偿是通过改变x磁场控制线圈和y磁场控制线圈中的反馈磁场实现的。
步骤5)中，陀螺的输入角速率与磁场补偿信号成线性关系。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪，其特征在于，包括带尾纤的激光器(1)、光纤EOM(2)及其控制器(20)、光纤分束器(3)、光纤准直器(4)和(8)、起偏器(5)和(9)、半波片(10)和(15)、偏振平衡分束探测器(13)和(23)、锁相放大器(17)和(18)、磁场补偿与控制系统(19)、x磁场控制线圈(7)和y磁场控制线圈(6)；激光从带尾纤的激光器(1)中发出后经光纤输入到光纤EOM(2)，通过光纤EOM(2)对光功率进行调制后进入光纤分束器(3)中分成两束检测光，分别经过光纤准直器(4)和(8)后输出为空间光；两束空间光分别沿陀螺仪的x轴和y轴传播，经过起偏器(5)和(9)后变为线偏振光进入气室与原子发生相互作用，出气室后再分别经过半波片(10)和(15)进入到偏振平衡分束探测器(13)和(23)中；所述偏振平衡分束探测器(13)和(23)的输出端分别连接到锁相放大器(17)和(18)的输入端，锁相放大器(17)和(18)的输出端连接到磁场补偿与控制系统(19)，磁场补偿与控制系统(19)分别连接x磁场控制线圈(7)和y磁场控制线圈(6)；所述陀螺仪以输入角速率引起的旋光角信号为误差信号，通过锁相放大器提取偏振平衡分束探测器输出的一次谐波信号得到误差信号，将误差信号输入到磁场补偿与控制系统中，利用陀螺仪对其横向磁场的敏感特性，通过磁场补偿与控制系统施加相应的反馈控制磁场，将误差信号实时补偿到零。
2.一种双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的信号检测闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用光纤EOM对检测光功率进行调制，并用光纤分束器将检测光束分为沿x轴和y轴传播的两束光；
(2)采用偏振平衡分束探测器监控检测光功率输出，并用锁相放大器提取偏振平衡分束探测器输出信号中的一次谐波信号；
(3)将得到的一次谐波信号作为误差信号输入到磁场补偿与控制系统中；
(4)磁场补偿与控制系统根据误差信号控制其输出的反馈磁场信号，将陀螺误差信号实时补偿到零；
(5)根据磁场补偿信号计算陀螺的输入角速率；
所述步骤(1)中，所述光功率调制是通过光纤EOM控制器对光纤EOM施加固定频率的控制信号实现的；
所述步骤(4)中，所述反馈磁场信号与误差信号成线性关系；
所述步骤(4)中，所述误差信号实时补偿是通过改变x磁场控制线圈和y磁场控制线圈中的反馈磁场实现的；
所述步骤(5)中，所述陀螺的输入角速率与磁场补偿信号成线性关系。
3.根据权利要求2所述的双轴无自旋交换弛豫陀螺仪的信号检测闭环控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将光纤EOM控制器对光纤EOM施加的固定频率作为锁相放大器的参考频率信号。
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