CN111457912A - 基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法 - Google Patents

基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法 Download PDF

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CN111457912A CN202010435388.3A CN202010435388A CN111457912A CN 111457912 A CN111457912 A CN 111457912A CN 202010435388 A CN202010435388 A CN 202010435388A CN 111457912 A CN111457912 A CN 111457912A
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Abstract

本发明公开了一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法。固定激光器输出光通过分束器后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过第一相位调制器、第一环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器，顺时针一路通过第二相位调制器、第二环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器；经环形谐振腔调制器后，通过光电探测器、锁相放大器、低通滤波器对顺时针一路信号进行解调输出和对逆时针一路信号进行解调输出。本发明能够避免高性能可调激光器的使用，降低激光器的设计要求，更利于谐振式光学陀螺的一体化集成；同时可以使折射率波动不再成为传感环的噪声。

Description

基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法
技术领域
本发明涉及惯性传感领域，具体涉及一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法。
背景技术
谐振式光学陀螺是利用光学Sagnac效应(萨格纳克效应)实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。光学陀螺的核心敏感部件是一个由光波导或光纤组成的无源环形谐振腔，简称谐振腔。当谐振腔绕垂直于所在平面的轴产生转动，则谐振腔内顺时针和逆时针方向传播的光束间将产生正比于旋转角速率的谐振频率差，通过检测该谐振频率差即可获得载体旋转角速率。一般的谐振式光学陀螺信号检测方案中都存在反馈控制回路，通常有单回路和双回路两种形式。单回路指通过反馈控制谐振腔内顺时针或逆时针方向传播光束的频率，使谐振腔内顺时针或逆时针传播的光束处于谐振状态；双回路则指控制谐振腔内顺时针和逆时针方向传播光束的频率，使谐振腔内顺时针或逆时针传播的光束皆处于谐振状态。
传统谐振式光学陀螺信号检测方案一般采用高性能可调激光器对谐振腔内传播光束的频率进行调控。在反馈回路中利用高性能可调激光器进行频率锁定的方法容易实现，尤其是在分立的谐振式光学陀螺和半分立的谐振式光纤陀螺中，但从谐振式光学陀螺的发展角度来看，这样的方法存在以下三个问题：其一，高性能可调激光器价格昂贵，实验成本高；其二，高性能可调激光器结构复杂，加大了谐振式光学陀螺中有源器件和无源器件单片集成的难度，不利于谐振式光学陀螺的小型化发展；其三，在频率锁定过程中要求传感环频率响应具有很好的稳定性，而传感环折射率在温度、应力等诸多因素的影响下势必存在波动，故很容易引入噪声。
随着技术的发展，便携式光学陀螺需求越来越大，如何设计出体积小、重量轻、耐振动、成本低、具备中高精度的微光学陀螺，是本邻域亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明提供了一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，所要解决的技术问题是避免高性能可调激光器的采用，使谐振式光学陀螺更易于集成，同时减少由温度、应力等因素导致的折射率波动带来的噪声。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置包括固定激光源、分束器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一调制信号发生器、第二调制信号发生器、第一环形器、第二环形器、光波导环形谐振腔调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、具备双路模数/数模转换的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)开发板。固定激光器与分束器一端连接；分束器另一端分为逆时针和顺时针两路：逆时针一路中，第一相位调制器、第一环形器、光波导环形谐振器依次连接，顺时针一路中，第二相位调制器、第二环形器、光波导环形谐振腔调制器依次连接；第一调制信号发生器与第一相位调制器连接，第二调制信号发生器与第二相位调制器连接；光波导环形谐振腔调制器、第一环形器、第一光电探测器、第一锁相放大器、第一低通滤波器、FPGA开发板依次连接，形成反馈回路；第二环形器、第二光电探测器、第二锁相放大器、第二低通滤波器、FPGA开发板、计算机依次连接，形成谐振式光学陀螺信号检测输出电路。
一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测方法如下：固定激光器输出光通过分束器后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过由第一调制信号发生器调制的第一相位调制器、第一环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器，顺时针一路通过由第二调制信号发生器调制的第二相位调制器、第二环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器；经环形谐振腔调制器后，通过第一光电探测器、第一锁相放大器、第一低通滤波器对顺时针一路信号进行解调输出，通过第二光电探测器、第二锁相放大器、第二低通滤波器对逆时针一路信号进行解调输出；FPGA中第一模数转换器接收顺时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生反馈信号，该信号同时也是环形谐振腔调制器的调制信号，该信号通过第一数模转换器输出，施加到光波导传感环上，对光波导传感环折射率进行调谐以实现频率锁定；FPGA中第二模数转换器接收逆时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生信号检测结果，即系统角速率，该检测结果通过第二数模转换器输出，在计算机上显示。
所述传感环调谐能够通过调谐光波导环形谐振器(7)的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率锁定在固定激光器的中心频率上，折射率的调谐幅度与光波导环形谐振器(7)中两光路的谐振频率差有关，调谐后光波导环形谐振器的折射率为
Figure BDA0002502046170000031
其中，n0为初始折射率，n为调谐后的折射率，f0为固定激光器(1)中心频率，fCW和fCCW分别为光波导环形谐振器在顺时针和逆时针方向上的谐振频率，G表示抽象函数，表示在这个公式里，n只和fCW-fCCW有关。这是一种高精度的微调，调谐后折射率变化量仅为初始折射率n0的10-12～10-10。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
现有技术中，原本调激光器频率时，传感环折射率会随温度随机波动，产生一些噪声。但是如果调节传感环折射率，它就始终处于一个可控的动态状态。经过本发明改进设计后，一是降低了激光器的设计要求，更利于光学陀螺的一体化集成，二是可以使折射率波动不再成为传感环的噪声。本发明能够避免高性能可调激光器的使用，降低激光器的设计要求，更利于谐振式光学陀螺的一体化集成；同时通过光波导环形谐振腔调制器使传感环折射率处于一种动态可控的状态，与传统光源调谐方法相比能够减少由温度、应力等因素导致的折射率随机波动带来的噪声，具有重要的科学意义和应用价值。
本发明基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，通过调谐光波导环形谐振器的折射率使其顺时针方向上的谐振频率锁定在激光器固定中心频率上，避免了高性能可调激光器的使用，降低了激光器的设计要求，更利于谐振式光学陀螺的一体化集成。
本发明基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，通过光波导环形谐振腔调制器使传感环折射率处于一种动态可控的状态，与传统光源调谐方法相比能够减少由温度、应力等因素导致的折射率随机波动带来的噪声，具有重要的科学意义和应用价值。
附图说明
图1是基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置示意图。
图2是光波导环形谐振腔调制器与直波导的交叉耦合示意图。
图3是谐振式光学陀螺解调曲线示意图。
图中：1.固定激光源，2.分束器，3.第一相位调制器，4.第二相位调制器，5.第一环形器，6.第一环形器，7.第二环形器，8.第一光电探测器，9.第一锁相放大器，10.第一低通滤波器，11.具备双路模数/数模转换的FPGA开发板,12.第二光电探测器，13.第二锁相放大器，14.第二低通滤波器，15.第一模数转换器，16.第一数模转换器，17.第二模数转换器，18.第二数模转换器，19.计算机，20.第一调制信号发生器，21.第二调制信号发生器。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置包括固定激光源1、分束器2、第一相位调制器3、第二相位调制器4、第一调制信号发生器20、第二调制信号发生器21、第一环形器5、第二环形器6、光波导环形谐振腔调制器7、第一光电探测器8、第二光电探测器12、第一锁相放大器9、第二锁相放大器13、第一低通滤波器10、第二低通滤波器14、具备双路模数/数模转换的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)开发板11。固定激光器1与分束器2一端连接；分束器2另一端分为逆时针和顺时针两路：逆时针一路中，第一相位调制器3、第一环形器5、光波导环形谐振腔调制器7依次连接，顺时针一路中，第二相位调制器4、第二环形器6、光波导环形谐振腔调制器7依次连接；第一调制信号发生器20与第一相位调制器3连接，第二调制信号发生器21与第二相位调制器4连接；光波导环形谐振腔调制器7、第一环形器5、第一光电探测器8、第一锁相放大器9、第一低通滤波器10、FPGA开发板11依次连接，形成反馈回路；光波导环形谐振腔调制器7、第二环形器6、第二光电探测器12、第二锁相放大器13、第二低通滤波器14、FPGA开发板11、计算机19依次连接，形成谐振式光学陀螺信号检测输出电路。
基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测方法如下：固定激光器1输出光通过分束器2后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过由第一调制信号发生器20调制的第一相位调制器3、第一环形器5后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器7，顺时针一路通过由第二调制信号发生器21调制的第二相位调制器4、第二环形器6后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器7；经环形谐振腔调制器7后，通过第一光电探测器8、第一锁相放大器9、第一低通滤波器10对顺时针一路信号进行解调输出，通过第二光电探测器12、第二锁相放大器13、第二低通滤波器14对逆时针一路信号进行解调输出；FPGA 11中第一模数转换器15接收顺时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生反馈信号，该反馈信号通过第一数模转换器16输出，施加到光波导传感环上，对光波导传感环折射率进行调谐以实现频率锁定；FPGA 11中第二模数转换器17接收逆时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生信号检测结果，即系统角速率，该检测结果通过第二数模转换器18输出，在计算机19上显示。
基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测方法中，固定激光器1输出光Eout＝E0exp(j2πf0t)，其中E0是输出光的电场幅值，f0是输出光的中心频率。输出光经分束器2后被分为幅值相同的逆时针和顺时针两路信号。在逆时针光路中，第一相位调制信号发生器20产生幅度为Vm1、频率为f1的正弦波，对第一相位调制器3进行调制。在顺时针光路中，第二相位调制信号发生器21产生幅度为Vm2、频率为f2的正弦波，对第二相位调制器4进行调制。调制后的信号为：
Figure BDA0002502046170000051
Figure BDA0002502046170000052
其中，Mi＝πVmi/Vπi，Mi为调制系数，Vπi为相位调制器的半波电压。表达式(1)(2)可展开为k阶贝塞尔函数：
Figure BDA0002502046170000053
Figure BDA0002502046170000054
由于高阶项可忽略不计，此处仅考虑k＝-3,-2,-1,0,1,2,3。k＝0的一项即为载波。谐振式光学陀螺中相位调制的目的是通过改变调制信号的调制系数抑制载波项，从而降低背散射噪声。当J0(M1)＝J0(M2)＝0时，载波项能够被完全抑制。被调制后的两路光通过交叉耦合的方式进入光波导环形谐振腔调制器7中，分别进行逆时针和顺时针方向传播后，输出信号为：
Figure BDA0002502046170000061
Figure BDA0002502046170000062
其中HCCW、HCW分别为光波导环形谐振器在逆时针和顺时针方向的传输函数幅值，并分别是以
Figure BDA0002502046170000063
为对称轴的周期偶函数，LCCW、LCW和fCCW、fCW分别为光波导环形谐振器在逆时针和顺时针方向上的等效周长和谐振频率。光波导环形谐振器的输出信号ECW-out经第一环形器5后被第一光电探测器8检测，同时ECCW-out经第二环形器6后被第二光电探测器12检测。第一光电探测器和第二光电探测器输出信号分别：
Figure BDA0002502046170000064
Figure BDA0002502046170000065
其中Gi为光电探测器中放大器增益，Zi为放大器跨阻，Ri为光电探测器响应度，ai为探测器有效面积，Aiu是将表达式(5)(6)代入VCW、VCCW表达式后整理得到的系数。这些系数仅与光电探测器有关，均可视为定值。信号VCW经第一锁相放大器9和第一低通滤波器10后留下一阶项(u＝1),信号VCCW经第二锁相放大器13和第二低通滤波器14后也留下一阶项(u＝1)。最终被FPGA的第一模数转换器15和第二模数转换器17接收到的信号分别为：
Figure BDA0002502046170000066
Figure BDA0002502046170000067
其中γi为锁相放大器和低通滤波器共同作用下的放大系数，仅与锁相放大器、低通滤波器有关，可视为定值。
当f0＝fCW时，Vin1＝0。利用这一关系可设计反馈回路，即通过调谐光波导环形谐振器的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率等于固定激光器1的中心频率，从而实现频率锁定。此时，将f0＝fCW代入表达式(10)，可得Vin2在一定范围内与fCW-fCCW成正比，如下：
Vin2＝α(fCW-fCCW) (11)
其中α是比例系数，为正数，可由实验测得。根据Sagnac效应，谐振式光学陀螺的角速率为：
Figure BDA0002502046170000071
其中n为传感环折射率，λ0为固定激光器的真空中心波长，D为光波导环形谐振器的直径。Ω是陀螺角速率，陀螺顺时针转动时Ω>0，陀螺逆时针转动时Ω<0。将表达式(11)代入表达式(12)得：
Figure BDA0002502046170000072
所述光波导环形谐振器与直波导进行交叉耦合，如图2所示，由传输矩阵法得：
Figure BDA0002502046170000073
Figure BDA0002502046170000074
其中κ为光波导环形谐振器与直波导的耦合系数，γ为光波导环形谐振器的损耗因子，L为光波导环形谐振器的周长，Ts＝nL/c为光束在光波导环形谐振器中传输一周所需的时间,谐振时需满足wTs＝2πm，m为正整数，被称为谐振阶。结合表达式(14)(15)可得光波导环形谐振器传输函数：
Figure BDA0002502046170000075
将Ts＝nL/c代入，则其幅值为
Figure BDA0002502046170000076
根据谐振条件wTs＝2πm，|H(f)|是以
Figure BDA0002502046170000077
为对称轴的周期偶函数，为方便描述，将光波导环形谐振器在顺时针和逆时针方向的传输函数幅值分别记为HCW、HCCW，则HCW是以
Figure BDA0002502046170000078
为对称轴的周期偶函数，HCCW是以
Figure BDA0002502046170000079
为对称轴的周期偶函数。其中LCW是光波导环形谐振器在顺时针方向上的等效周长、LCCW是光波导环形谐振器在逆时针方向上的等效周长，二者的差值与陀螺角速率有关：
Figure BDA0002502046170000081
Figure BDA0002502046170000082
将表达式(12)代入表达式(18)得：
Figure BDA0002502046170000083
根据表达式(17)～(20)得：
Figure BDA0002502046170000084
Figure BDA0002502046170000085
分别将表达式(21)(22)代入表达式(9)(10)，当f0＝fCCW时：
Figure BDA0002502046170000086
Figure BDA0002502046170000087
由对称性知Vin1＝0，而结合表达式(19)(20)可知：
Vin2＝F(n,fCW-fCCW) (25)
所述传感环调谐旨在通过调谐光波导环形谐振器的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率等于固定激光器的中心频率，从而实现频率锁定。调谐前后谐振阶m保持不变，根据谐振条件wTs＝2πm有：
Figure BDA0002502046170000091
其中n0是调谐前光波导环形谐振器的折射率，n是调谐后光波导环形谐振器的折射率。由表达式(18)～(20)可知光波导环形谐振器的有效长度仅与光传输方向和陀螺角速率有关，与谐振频率和折射率无关，故调谐前后光波导环形谐振器在顺时针方向上的有效长度LCW保持不变。根据Sagnac效应，有
Figure BDA0002502046170000092
将其代入表达式(26)，整理得：
Figure BDA0002502046170000093
即n仅为fCW-fCCW的函数，故表达式(25)可改写为：
Vin2＝F1(fCW-fCCW) (28)
所述比例系数α为正数，可由实验测得。由表达式(28)，Vin2仅为fCW-fCCW的函数，当fCW-fCCW不太大时，Vin2与fCW-fCCW成正比关系。如图3所示，该解调曲线在fCW-fCCW＝0附近呈现出良好的线性度，当Vin2为正时，fCW-fCCW为正，表明陀螺顺时针转动；当Vin2为负时，fCW-fCCW为负，表明陀螺逆时针转动。故可将Vin2写为表达式(11)的形式，即Vin2＝α(fCW-fCCW)。
所述传感环调谐能够通过调谐光波导环形谐振器的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率锁定在固定激光器的中心频率上，但其折射率在数值上变化不大，是一种高精度的微调。根据表达式(12)，由Sagnac效应引起的谐振频率差fCW-fCCW在102～104Hz量级，而固定激光器1的中心频率f0在1014Hz量级，根据表达式(27)，折射率变化量仅为初始折射率n0的10-12～10-10。因此表达式(13)可写为：
Figure BDA0002502046170000094
其中n0、λ0、D为定值，α为实验标定值，Vin2为实验测量值。故通过实验测得α与Vin2，即可得到陀螺角速率Ω。
以上所述，仅为本发明的较佳具体实施方式，并非对本发明做任何形式上的限定，但凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上事例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于，包括固定激光源(1)、分束器(2)、第一相位调制器(3)、第二相位调制器(4)、第一调制信号发生器(20)、第二调制信号发生器(21)、第一环形器(5)、第二环形器(6)、光波导环形谐振腔调制器(7)、第一光电探测器(8)、第二光电探测器(12)、第一锁相放大器(9)、第二锁相放大器(13)、第一低通滤波器(10)、第二低通滤波器(14)以及具备双路模数/数模转换的FPGA开发板(11)；
所述的固定激光器(1)与分束器(2)一端连接，所述的分束器(2)另一端分为逆时针和顺时针两路：
逆时针一路中，所述的第一相位调制器(3)、第一环形器(5)、光波导环形谐振腔调制器(7)依次连接；顺时针一路中，所述的第二相位调制器(4)、第二环形器(6)、光波导环形谐振腔调制器(7)依次连接；所述的第一调制信号发生器(20)与第一相位调制器(3)连接，所述的第二调制信号发生器(21)与第二相位调制器(4)连接；
所述的光波导环形谐振腔调制器(7)、第一环形器(5)、第一光电探测器(8)、第一锁相放大器(9)、第一低通滤波器(10)、FPGA开发板(11)依次连接，形成反馈回路；
所述的光波导环形谐振腔调制器(7)、第二环形器(6)、第二光电探测器(12)、第二锁相放大器(13)、第二低通滤波器(14)、FPGA开发板(11)、计算机(19)依次连接，形成谐振式光学陀螺信号检测输出电路。
2.一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置，所述的方法包括以下步骤：
固定激光器(1)输出光通过分束器(2)后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过由第一调制信号发生器(20)调制的第一相位调制器(3)、第一环形器(5)后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器(7)，顺时针一路通过由第二调制信号发生器(21)调制的第二相位调制器(4)、第二环形器(6)后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器(7)；经光波导环形谐振腔调制器(7)后，通过第一光电探测器(8)、第一锁相放大器(9)、第一低通滤波器(10)对顺时针一路信号进行解调输出，通过第二光电探测器(12)、第二锁相放大器(13)、第二低通滤波器(14)对逆时针一路信号进行解调输出；FPGA开发板(11)中第一模数转换器(15)接收顺时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生反馈信号，该信号同时也是环形谐振腔调制器的调制信号，该信号通过第一数模转换器(16)输出，施加到光波导传感环上，对光波导传感环折射率进行调谐以实现频率锁定；FPGA开发板(11)中第二模数转换器(17)接收逆时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生信号检测结果，即系统角速率，该检测结果通过第二数模转换器(18)输出，在计算机(19)上显示。
3.根据权利要求2所述的基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测方法，其特征在于：所述传感环调谐旨在通过FPGA开发板(11)中产生的反馈信号调谐光波导环形谐振器(7)的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率等于固定激光器(1)的中心频率，实现频率锁定；同时光波导环形谐振器(7)在逆时针方向上的谐振频率偏离固定激光器(1)的中心频率，逆时针方向的信号经光波导环形谐振器(7)后，通过第二光电探测器(12)、第二锁相放大器(13)、第二低通滤波器(14)进行解调输出，FPGA开发板(11)中第二模数转换器(17)接收逆时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生信号检测结果，即系统角速率，该检测结果通过第二数模转换器(18)输出，在计算机(19)上显示。
4.根据权利要求2所述的基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测方法，其特征在于：所述传感环调谐能够通过调谐光波导环形谐振器(7)的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率锁定在固定激光器的中心频率上，折射率的调谐幅度与光波导环形谐振器(7)中两光路的谐振频率差有关，调谐后光波导环形谐振器的折射率为
Figure FDA0002502046160000021
其中，n0为初始折射率，n为调谐后的折射率，f0为固定激光器(1)中心频率，fCW和fCCW分别为光波导环形谐振器在顺时针和逆时针方向上的谐振频率，G表示抽象函数。
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