CN112066969A - 基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性测量器件，具体是一种基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺。本发明解决了传统的单光源谐振式微光机电陀螺难以从根本上有效抑制光源的频率噪声及光路中的背散射噪声的问题。基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第一光环行器、第二光环行器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第一波导、第二波导、环形谐振腔、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、光学锁相环、数据处理模块、数据记录仪。本发明适用于惯性导航系统。

Description

基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺

技术领域

本发明涉及惯性测量器件，具体是一种基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺。

背景技术

谐振式微光机电陀螺是一种以Sagnac效应为基础的新型光学陀螺，因为兼具MEMS陀螺的小型化与光学陀螺的高灵敏度，被认为是最具芯片化集成潜力的光学陀螺。然而在实际应用中，传统的单光源谐振式微光机电陀螺由于自身结构所限，难以从根本上有效抑制光源的频率噪声及光路中的背散射噪声，由此导致测量精度低、工作稳定性差，从而严重制约着性能的提高。因此，为了保证测量精度和工作稳定性，传统的单光源谐振式微光机电陀螺只能通过外接复杂的噪声抑制系统来抑制上述噪声，但是外接复杂的噪声抑制系统又势必造成陀螺体积的大幅增加，由此严重阻碍陀螺的芯片化集成。基于此，有必要发明一种基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，以解决传统的单光源谐振式微光机电陀螺难以从根本上有效抑制光源的频率噪声及光路中的背散射噪声的问题。

发明内容

本发明为了解决传统的单光源谐振式微光机电陀螺难以从根本上有效抑制光源的频率噪声及光路中的背散射噪声的问题，提供了一种基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第一光环行器、第二光环行器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、第一波导、第二波导、环形谐振腔、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、光学锁相环、数据处理模块、数据记录仪；

其中，第一可调谐激光器的出射端与第一光环行器的第二端口连接；第一光环行器的第三端口与第一分束器的入射端连接；第一分束器的两个出射端分别与第一波导的首端、第一合束器的第一个入射端连接；第二可调谐激光器的出射端与第二光环行器的第二端口连接；第二光环行器的第三端口与第二分束器的入射端连接；第二分束器的两个出射端分别与第一波导的尾端、第一合束器的第二个入射端连接；第一合束器的出射端与第一光电探测器的入射端连接；第三分束器的入射端与第二波导的首端连接；第三分束器的两个出射端分别与第一光环行器的第一端口、第二合束器的第一个入射端连接；第四分束器的入射端与第二波导的尾端连接；第四分束器的两个出射端分别与第二光环行器的第一端口、第二合束器的第二个入射端连接；第二合束器的出射端分别与第二光电探测器的入射端、第三光电探测器的入射端连接；环形谐振腔分别与第一波导、第二波导耦合；第一光电探测器的信号输出端与光学锁相环的第一个信号输入端连接；第二光电探测器的信号输出端与光学锁相环的第二个信号输入端连接；光学锁相环的信号输出端与第二可调谐激光器的调制端连接；第三光电探测器的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接；数据处理模块的信号输出端与数据记录仪的信号输入端连接。

具体工作过程如下：第一可调谐激光器发出的激光经第一光环行器入射到第一分束器，并经第一分束器分为功率相等的两路光信号：一路光信号入射到第一合束器，另一路光信号依次经第一波导、环形谐振腔（沿逆时针方向传播）、第二波导入射到第三分束器。第二可调谐激光器发出的激光经第二光环行器入射到第二分束器，并经第二分束器分为功率相等的两路光信号：一路光信号入射到第一合束器，另一路光信号依次经第一波导、环形谐振腔（沿顺时针方向传播）、第二波导入射到第四分束器。入射到第一合束器的两路光信号进行拍频，所产生的拍频信号入射到第一光电探测器，然后经第一光电探测器转换为第一路电信号。入射到第三分束器的光信号分为功率相等的两路光信号：一路光信号入射到第二合束器，另一路光信号经第一光环行器重新注入第一可调谐激光器中，使得第一可调谐激光器的输出光谱变为单纵模、输出线宽缩小，由此将第一可调谐激光器的输出频率锁定在环形谐振腔的谐振频率上。入射到第四分束器的光信号分为功率相等的两路光信号：一路光信号入射到第二合束器，另一路光信号经第二光环行器重新注入第二可调谐激光器中，使得第二可调谐激光器的输出光谱变为单纵模、输出线宽缩小，由此将第二可调谐激光器的输出频率锁定在环形谐振腔的谐振频率上。入射到第二合束器的两路光信号进行拍频，所产生的拍频信号一方面入射到第二光电探测器，另一方面入射到第三光电探测器，然后一方面经第二光电探测器转换为第二路电信号，另一方面经第三光电探测器转换为第三路电信号。第一路电信号、第二路电信号均传输至光学锁相环。光学锁相环将两路电信号进行比较后得到频差信号，然后将频差信号进行滤波后传输至第二可调谐激光器，由此将两个可调谐激光器（第一可调谐激光器、第二可调谐激光器）之间的频差锁定为一个或多个自由谱宽（FSR）。第三路电信号传输至数据处理模块。数据处理模块对第三路电信号进行解算，然后将解算结果传输至数据记录仪进行存储。当本发明发生旋转时，入射到第二合束器的两路光信号的谐振频率均发生漂移，且二者的漂移方向相反，由此使得入射到第二光电探测器及第三光电探测器的拍频信号发生变化，从而使得第二路电信号及第三路电信号发生变化。此时，数据处理模块根据第三路电信号的变化即可实时解算得到角速度信息。

基于上述过程，与传统的单光源谐振式微光机电陀螺相比，本发明所述的基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺具备了如下优点：其一，本发明利用自注入锁定技术将双光源（第一可调谐激光器、第二可调谐激光器）的输出频率锁定在环形谐振腔的谐振频率上，由此从根本上有效抑制了光源的频率噪声（无需外接复杂的噪声抑制系统），从而有效提高了测量精度、有效增强了工作稳定性，进而有利于性能的提高。其二，本发明一方面利用光学锁相环将双光源（第一可调谐激光器、第二可调谐激光器）之间的频差锁定为一个或多个自由谱宽（FSR），另一方面利用第一光环行器、第二光环行器对背散射噪声进行隔离，由此从根本上有效抑制了光路中的背散射噪声（无需外接复杂的噪声抑制系统），从而有效提高了测量精度、有效增强了工作稳定性，进而有利于性能的提高。

进一步地，所述光学锁相环包括鉴频鉴相器、环路滤波器；鉴频鉴相器的第一个信号输入端作为光学锁相环的第一个信号输入端；鉴频鉴相器的第二个信号输入端作为光学锁相环的第二个信号输入端；鉴频鉴相器的信号输出端与环路滤波器的信号输入端连接；环路滤波器的信号输出端作为光学锁相环的信号输出端。工作时，第一路电信号、第二路电信号均传输至鉴频鉴相器。鉴频鉴相器将两路电信号进行比较后得到频差信号，然后将频差信号传输至环路滤波器。环路滤波器将频差信号进行滤波（滤除高频信号）后传输至第二可调谐激光器。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了传统的单光源谐振式微光机电陀螺难以从根本上有效抑制光源的频率噪声及光路中的背散射噪声的问题，适用于惯性导航系统。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图中：1a-第一可调谐激光器，1b-第二可调谐激光器，2a-第一光环行器，2b-第二光环行器，3a-第一分束器，3b-第二分束器，3c-第三分束器，3d-第四分束器，4a-第一波导，4b-第二波导，5-环形谐振腔，6a-第一合束器，6b-第二合束器，7a-第一光电探测器，7b-第二光电探测器，7c-第三光电探测器，8-光学锁相环，801-鉴频鉴相器，802-环路滤波器，9-数据处理模块，10-数据记录仪。

具体实施方式

基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，包括第一可调谐激光器1a、第二可调谐激光器1b、第一光环行器2a、第二光环行器2b、第一分束器3a、第二分束器3b、第三分束器3c、第四分束器3d、第一波导4a、第二波导4b、环形谐振腔5、第一合束器6a、第二合束器6b、第一光电探测器7a、第二光电探测器7b、第三光电探测器7c、光学锁相环8、数据处理模块9、数据记录仪10；

其中，第一可调谐激光器1a的出射端与第一光环行器2a的第二端口连接；第一光环行器2a的第三端口与第一分束器3a的入射端连接；第一分束器3a的两个出射端分别与第一波导4a的首端、第一合束器6a的第一个入射端连接；第二可调谐激光器1b的出射端与第二光环行器2b的第二端口连接；第二光环行器2b的第三端口与第二分束器3b的入射端连接；第二分束器3b的两个出射端分别与第一波导4a的尾端、第一合束器6a的第二个入射端连接；第一合束器6a的出射端与第一光电探测器7a的入射端连接；第三分束器3c的入射端与第二波导4b的首端连接；第三分束器3c的两个出射端分别与第一光环行器2a的第一端口、第二合束器6b的第一个入射端连接；第四分束器3d的入射端与第二波导4b的尾端连接；第四分束器3d的两个出射端分别与第二光环行器2b的第一端口、第二合束器6b的第二个入射端连接；第二合束器6b的出射端分别与第二光电探测器7b的入射端、第三光电探测器7c的入射端连接；环形谐振腔5分别与第一波导4a、第二波导4b耦合；第一光电探测器7a的信号输出端与光学锁相环8的第一个信号输入端连接；第二光电探测器7b的信号输出端与光学锁相环8的第二个信号输入端连接；光学锁相环8的信号输出端与第二可调谐激光器1b的调制端连接；第三光电探测器7c的信号输出端与数据处理模块9的信号输入端连接；数据处理模块9的信号输出端与数据记录仪10的信号输入端连接。

所述光学锁相环8包括鉴频鉴相器801、环路滤波器802；鉴频鉴相器801的第一个信号输入端作为光学锁相环8的第一个信号输入端；鉴频鉴相器801的第二个信号输入端作为光学锁相环8的第二个信号输入端；鉴频鉴相器801的信号输出端与环路滤波器802的信号输入端连接；环路滤波器802的信号输出端作为光学锁相环8的信号输出端。

第一可调谐激光器1a、第二可调谐激光器1b均为DFB宽谱激光器；第一分束器3a、第二分束器3b、第三分束器3c、第四分束器3d均为50：50的分束器；数据处理模块9为FPGA模块。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，其特征在于：包括第一可调谐激光器（1a）、第二可调谐激光器（1b）、第一光环行器（2a）、第二光环行器（2b）、第一分束器（3a）、第二分束器（3b）、第三分束器（3c）、第四分束器（3d）、第一波导（4a）、第二波导（4b）、环形谐振腔（5）、第一合束器（6a）、第二合束器（6b）、第一光电探测器（7a）、第二光电探测器（7b）、第三光电探测器（7c）、光学锁相环（8）、数据处理模块（9）、数据记录仪（10）；

其中，第一可调谐激光器（1a）的出射端与第一光环行器（2a）的第二端口连接；第一光环行器（2a）的第三端口与第一分束器（3a）的入射端连接；第一分束器（3a）的两个出射端分别与第一波导（4a）的首端、第一合束器（6a）的第一个入射端连接；第二可调谐激光器（1b）的出射端与第二光环行器（2b）的第二端口连接；第二光环行器（2b）的第三端口与第二分束器（3b）的入射端连接；第二分束器（3b）的两个出射端分别与第一波导（4a）的尾端、第一合束器（6a）的第二个入射端连接；第一合束器（6a）的出射端与第一光电探测器（7a）的入射端连接；第三分束器（3c）的入射端与第二波导（4b）的首端连接；第三分束器（3c）的两个出射端分别与第一光环行器（2a）的第一端口、第二合束器（6b）的第一个入射端连接；第四分束器（3d）的入射端与第二波导（4b）的尾端连接；第四分束器（3d）的两个出射端分别与第二光环行器（2b）的第一端口、第二合束器（6b）的第二个入射端连接；第二合束器（6b）的出射端分别与第二光电探测器（7b）的入射端、第三光电探测器（7c）的入射端连接；环形谐振腔（5）分别与第一波导（4a）、第二波导（4b）耦合；第一光电探测器（7a）的信号输出端与光学锁相环（8）的第一个信号输入端连接；第二光电探测器（7b）的信号输出端与光学锁相环（8）的第二个信号输入端连接；光学锁相环（8）的信号输出端与第二可调谐激光器（1b）的调制端连接；第三光电探测器（7c）的信号输出端与数据处理模块（9）的信号输入端连接；数据处理模块（9）的信号输出端与数据记录仪（10）的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，其特征在于：所述光学锁相环（8）包括鉴频鉴相器（801）、环路滤波器（802）；鉴频鉴相器（801）的第一个信号输入端作为光学锁相环（8）的第一个信号输入端；鉴频鉴相器（801）的第二个信号输入端作为光学锁相环（8）的第二个信号输入端；鉴频鉴相器（801）的信号输出端与环路滤波器（802）的信号输入端连接；环路滤波器（802）的信号输出端作为光学锁相环（8）的信号输出端。

3.根据权利要求1或2所述的基于光学锁相环的双光源自注入锁定谐振式微光机电陀螺，其特征在于：第一可调谐激光器（1a）、第二可调谐激光器（1b）均为DFB宽谱激光器；第一分束器（3a）、第二分束器（3b）、第三分束器（3c）、第四分束器（3d）均为50：50的分束器；数据处理模块（9）为FPGA模块。

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