CN116026306A - 一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法，属于陀螺仪技术领域，包括低相干光源，低相干光源形成两条光路，第一光路和第二光路交替运行，第一光路的输出端设置有第一信号转换通道；第二光路的输出端设置有第二信号转换通道，第一信号转换通道和第二信号转换通道的输出端均与数据采集模块相连，第一光路和第二光路均包括依次连接的光路环形器、光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、光开关Ⅱ、相位调制器和反射镜，本发明显著降低了噪声，有利于提高测量精度；采用闭环检测方案，提高角速度测量的线性度；采用的基于光开关的双光路测量方式，大大降低了非互易光路引起的陀螺偏置误差。

Description

一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法

技术领域

本发明属于陀螺仪技术领域，尤其是涉及一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法。

背景技术

光学陀螺仪是一种利用光学Sagnac效应来实现角速度测量的传感器，在惯性系统中应用广泛。光学陀螺仪主要包括干涉型光学陀螺仪和谐振型光学陀螺仪。干涉型光学陀螺仪以光纤或波导环圈作为其敏感元件，通过检测顺、逆时针光束的相位差测量角速度，对于一个给定直径的光纤环，其理论灵敏度与环圈的长度成正相关。谐振型光学陀螺仪则是以光纤或波导环形谐振腔作为其敏感元件，通过检测顺、逆时针光束的谐振频率差检测角速度。当传感元件所围绕等效面积相同时，与干涉型光学陀螺仪相比，谐振型光学陀螺仪具有更高的检测灵敏度。

在传统谐振型光学陀螺仪中，通常使用高相干性的激光作为光源，用以实现对谐振频率差的高精度检测，高相干光源同时带来了诸多光学寄生效应，如散射效应、反射效应、非线性克尔效应、偏振耦合效应、激光器频率噪声等，这些光学寄生效应对陀螺的精度产生不利的影响，增加了信号处理系统的难度和复杂性，不利于谐振型光学陀螺仪的小型化和轻量化实现。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于低相干光源的陀螺，包括低相干光源，所述低相干光源通过第一耦合器形成两条光路，第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路通过光开关实现交替运行，所述第一光路的输出端设置有第一信号转换通道；所述第二光路的输出端设置有第二信号转换通道，所述第一信号转换通道和第二信号转换通道的输出端均与数据采集模块相连，所述第一光路和第二光路均包括依次连接的光路环形器、光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、光开关Ⅱ、相位调制器和反射镜，所述第一光路包括第一光路环形器、第一光路光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、第一光路光开关Ⅱ、第一光路相位调制器和第一光路反射镜，所述第一光路的低相干光经过第一光路环形器和第一光路光开关Ⅰ顺时针进入光纤环形谐振腔内，从光纤环形谐振腔出射的低相干光经第一光路光开关Ⅱ进入第一光路相位调制器，并由第一光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向干涉输出，经第一光路环形器进入第一信号转换通道；所述第二光路包括第二光路环形器、第二光路光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、第二光路光开关Ⅱ、第二光路相位调制器和第二光路反射镜，所述第二光路的低相干光经过第二光路环形器和第二光路光开关Ⅰ逆时针进入光纤环形谐振腔内，从光纤环形谐振腔出射的低相干光经第二光路光开关Ⅱ进入第二光路相位调制器，并由第二光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿顺时针方向干涉输出，经第二光路环形器进入第二信号转换通道。

进一步地，所述第一光路的低相干光顺时针进入光纤环形谐振腔内，经反射镜反射后重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向干涉输出；所述第二光路的低相干光逆时针进入光纤环形谐振腔内，经反射镜反射后重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿顺时针方向干涉输出。

进一步地，所述第一信号转换通道和第二信号转换通道均包括光电探测器，所述光电探测器与锁相放大器相连，所述锁相放大器分别与相位调制器和伺服控制模块相连，所述伺服控制模块分别与信号发生器和数据采集模块相连。

进一步地，所述光纤环形谐振腔由第二耦合器和第三耦合器组成。

本发明还提供了一种基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，包括以下步骤：

S1、低相干光源发出的低相干光经过第一耦合器后分为第一光路和第二光路，通过光开关的启闭切换，实现第一光路和第二光路的交替运行；

S2、当第一光路运行时，低相干光经过第一光路环形器和第一光路光开关Ⅰ进入由第二耦合器和第三耦合器组成的光纤环形谐振腔内，透射率函数表示为：

式中， v为光频率，R为第二耦合器和第三耦合器的耦合比，为光纤环形谐振腔的自由光谱范围，

此时，低相干光在光纤环形谐振腔内沿顺时针方向多次传输干涉出射，顺时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

式中，为旋转引起的谐振腔顺逆时针谐振频率差，可表示为，其中，为光纤环形谐振腔直径，为旋转角速度，为光纤环形谐振腔折射率，为低相干光源中心波长；

S3、从光纤环形谐振腔出射的低相干光进入第一光路相位调制器并由第一光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向多次传输干涉出射，逆时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

；

S4、逆时针出射光经过第一光路环形器被第一光路光电探测器探测，探测光强表示为：

式中， I ₀为低相干光源发出低相干光的强度、 S( v)为低相干光的光谱归一化分布函数，

第一光路光电探测器探测到的光强信号输入到第一光路锁相放大器内，第一光路锁相放大器通过第一光路相位调制器施加调制信号 f ₀到第一光路中，此时，第一光路锁相放大器可解调出与调制信号 f ₀同频率的误差信号δ，当陀螺以一定的角速度Ω₀旋转时，误差信号δ随之发生变化，

第一光路伺服控制模块根据误差信号δ控制第一光路信号发生器产生锯齿波信号，将锯齿波信号通过第一光路相位调制器实现光频移，直至第一光路锁相放大器测量的输出误差信号为零，通过数据采集模块采集第一光路信号发生器的锯齿波强度V₁，获得当前测量旋转角速度的值Ω₁，测量旋转角速度Ω₁与实际角速度Ω₀的关系为：

式中，为是同侧光路（即第一光路或第二光路）顺逆时针切换时间产生的谐振频率差；

S5、第二光路运行时，运行步骤与第一光路相同，数据采集模块采集第二光路信号发生器的锯齿波强度V₂，获得当前测量旋转角速度的值Ω₂，测量旋转角速度Ω₂与实际角速度Ω₀的关系为：

S6、设置第一光路开启和第二光路开启两种情况的切换时间为T，则相邻T时间段内的测量值Ω₁与Ω₂之和为2倍的实际角速度值Ω₀，即

。

在步骤S1中，第一光路运行时：第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时开启，第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时关闭；第二光路运行时，第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时关闭，第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时开启。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明采用低相干光源，相同功率条件下，光谱范围更宽，能量分布更分散，显著降低了散射效应、反射效应、非线性克尔效应、偏振耦合效应等所引起的噪声，有利于提高测量精度。

本发明采用闭环检测方案，即第一光路和第二光路的光电探测器将探测到的光强信号分别输入到相应的锁相放大器内，锁相放大器通过相位调制器施加调制信号到光路中，以提高角速度测量的线性度。

本发明的第一光路运行时，第一光路的非互易光路为第二耦合器沿顺时针至第三耦合器、第一光路光开关Ⅱ、第一光路相位调制器，直至第一光路反射镜处；第二光路运行时，第二光路的非互易光路为第二耦合器沿逆时针至第三耦合器、第二光路光开关Ⅱ、第二光路相位调制器，直至第二光路反射镜处。因此，采用基于光开关的双光路测量方式，即第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时开启，可以得到测量旋转角速度Ω₁与实际角速度Ω₀、第一光路顺逆谐振频率差的关系；第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时开启，可以得到测量旋转角速度Ω₂与实际角速度Ω₀、第二光路顺逆谐振频率差的关系；由于第一光路顺逆谐振频率差和第二光路顺逆谐振频率差可抵消，便可通过测量旋转角速度Ω₁和测量旋转角速度Ω₂得到实际角速度值Ω₀，避免了光在顺时针和逆时针方向上的谐振频率漂移不同，进而产生谐振频率差的问题，大大降低了非互易光路引起的陀螺偏置误差。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明误差信号与旋转角速度的关系图；

图3是本发明温度变化引起的谐振频率差图；

图4是本发明温度变化引起的陀螺输出曲线图。

图中：

1、低相干光源；2、第一耦合器；3、第一光路光开关Ⅰ；4、第一光路光开关Ⅱ；5、第二光路光开关Ⅰ；6、第二光路光开关Ⅱ；7、第一光路环形器；8、第二光路环形器；9、第二耦合器；10、第三耦合器；11、光纤环形谐振腔；12、第一光路相位调制器；13、第一光路反射镜；14、第一光路光电探测器；15、第一光路锁相放大器；16、第二光路伺服控制模块；17、第一光路伺服控制模块；18、第一光路信号发生器；19、数据采集模块；20、第二光路信号发生器；21、第二光路相位调制器；22、第二光路反射镜；23、第二光路光电探测器；24、第二光路锁相放大器。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于低相干光源的陀螺，包括低相干光源1，低相干光源1通过第一耦合器2形成两条光路，第一光路和第二光路，第一光路和第二光路交替运行，第一光路的输出端设置有第一信号转换通道；第二光路的输出端设置有第二信号转换通道，第一信号转换通道和第二信号转换通道的输出端均与数据采集模块19相连，数据采集模块19采集并处理第一信号转换通道和第二信号转换通道输出的数据。

第一光路包括第一光路环形器7、第一光路光开关Ⅰ3、光纤环形谐振腔11、第一光路光开关Ⅱ4、第一光路相位调制器12和第一光路反射镜13，第一光路的低相干光经过第一光路环形器7和第一光路光开关Ⅰ3顺时针进入光纤环形谐振腔11内，从光纤环形谐振腔11出射的低相干光经第一光路光开关Ⅱ4进入第一光路相位调制器12，并由第一光路反射镜13反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔11并在腔内沿逆时针方向干涉输出，经第一光路环形器7进入第一信号转换通道；

第二光路包括第二光路环形器8、第二光路光开关Ⅰ5、光纤环形谐振腔11、第二光路光开关Ⅱ6、第二光路相位调制器21和第二光路反射镜22，第二光路的低相干光经过第二光路环形器8和第二光路光开关Ⅰ5逆时针进入光纤环形谐振腔11内，从光纤环形谐振腔11出射的低相干光经第二光路光开关Ⅱ6进入第二光路相位调制器21，并由第二光路反射镜22反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔11并在腔内沿顺时针方向干涉输出，经第二光路环形器8进入第二信号转换通道。

第一信号转换通道包括第一光路光电探测器14，第一光路光电探测器14与第一光路锁相放大器15相连，第一光路锁相放大器15分别与第一光路相位调制器12和第一光路伺服控制模块17相连，第一光路伺服控制模块17分别与第一光路信号发生器18和数据采集模块19相连；第二信号转换通道包括第二光路光电探测器23、第二光路光电探测器23与第二光路锁相放大器24相连，第二光路锁相放大器24分别与第二光路相位调制器21和第二光路伺服控制模块16相连，第二光路伺服控制模块16分别与第二光路信号发生器20和数据采集模块19相连。

光纤环形谐振腔11由第二耦合器9和第三耦合器10组成。

本发明还提供了一种基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，包括以下步骤：

S1、低相干光源1发出的低相干光经过第一耦合器2后分为第一光路和第二光路，通过光开关的启闭切换，实现第一光路和第二光路的交替运行；当第一光路光开关Ⅰ3和第一光路光开关Ⅱ4同时开启时，第二光路光开关Ⅰ5和第二光路光开关Ⅱ6同时关闭，相反的，当第一光路光开关Ⅰ3和第一光路光开关Ⅱ4同时关闭时，第二光路光开关Ⅰ5和第二光路光开关Ⅱ6同时开启；

S2、当第一光路运行时，第一光路光开关Ⅰ3和第一光路光开关Ⅱ4同时开启，低相干光源1发出强度为 I ₀、光谱归一化分布函数为 S( v)的低相干光，经过第一耦合器2后分为两束，第二束低相干光经过第二光路环形器8后被第二光路光开关Ⅰ5截断，第一束低相干光经过第一光路环形器7和第一光路光开关Ⅰ3进入由第二耦合器9和第三耦合器10组成的光纤环形谐振腔11内，第二耦合器9和第三耦合器10的耦合比为R，光纤环形谐振腔11（透射式光学谐振腔）的自由光谱范围为，透射率函数表示为：

式中， v为光频率，低相干光在光纤环形谐振腔11内沿顺时针方向多次传输干涉出射，顺时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

式中，为旋转引起的谐振腔顺逆时针谐振频率差，可表示为，其中，为光纤环形谐振腔直径，为旋转角速度，为光纤环形谐振腔折射率，为低相干光源中心波长；

S3、从光纤环形谐振腔11出射的低相干光进入第一光路相位调制器12并由第一光路反射镜13反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔11并在腔内沿逆时针方向多次传输干涉出射，逆时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

；

S4、逆时针出射光经过第一光路环形器7被第一光路光电探测器14探测，探测光强表示为：

第一光路光电探测器14探测到的光强信号输入到第一光路锁相放大器15内，第一光路锁相放大器15通过第一光路相位调制器12施加调制信号 f ₀到第一光路中，此时，第一光路锁相放大器15可解调出与调制信号 f ₀同频率的误差信号δ，当陀螺以一定的角速度Ω₀旋转时，误差信号δ随之发生变化，误差信号δ与旋转角速度Ω的关系如图2所示。

第一光路伺服控制模块17利用比例积分微分控制方式，根据误差信号δ控制第一光路信号发生器18产生锯齿波信号，将锯齿波信号通过第一光路相位调制器12实现光频移，直至第一光路锁相放大器15测量的输出误差信号为零，此时施加的锯齿波移频信号强度V₁（锯齿波斜率）对应旋转角速度Ω₀，通过数据采集模块19采集第一光路信号发生器18的锯齿波强度V₁，获得当前测量旋转角速度的值Ω₁，测量旋转角速度Ω₁与实际角速度Ω₀的关系为：

式中，为是同侧光路（即第一光路或第二光路）顺逆时针切换时间产生的谐振频率差；

S5、同样，第二光路运行时，运行步骤与第一光路相同，数据采集模块19采集第二光路信号发生器20的锯齿波强度V₂，获得当前测量旋转角速度的值Ω₂，测量旋转角速度Ω₂与实际角速度Ω₀的关系为：

S6、设置第一光路开启和第二光路开启两种情况的切换时间为T，则相邻T时间段内的测量值Ω₁与Ω₂之和为2倍的实际角速度值Ω₀，即

。

本发明的工作原理：

由于光学谐振腔的谐振频率随光学谐振腔的温度变化，如果光学谐振腔在顺时针和逆时针方向上的谐振频率漂移不相同，则在陀螺仪输出端产生偏置误差。在传统的相干激光驱动谐振型光学陀螺中，顺时针和逆时针路径是互易的，因此，在固定光学谐振腔中，两个相反方向上的谐振频率保持相同。然而，如图3所示，在具有低相干光源的谐振型光学陀螺中，光在顺时针路径和逆时针路径之间反射切换，切换时间内的任何温度变化又会使顺时针和逆时针方向上的谐振频率漂移不同，进而产生谐振频率差，这种非互易光路中的温度变化造成陀螺仪输出处的偏置误差。

本发明中，第一光路运行时，第一光路的非互易光路为第二耦合器9沿顺时针至第三耦合器10、第一光路光开关Ⅱ4、第一光路相位调制器12，直至第一光路反射镜13处；第二光路运行时，第二光路的非互易光路为第二耦合器9沿逆时针至第三耦合器10、第二光路光开关Ⅱ6、第二光路相位调制器21，直至第二光路反射镜22处，特别指出的是，以上两个非互易光路中的各器件间的光路长度一致。

此时，温度引起的顺逆时针两方向的谐振频率差是相反的，如果第一光路运行，第一光路光开关Ⅰ3和第一光路光开关Ⅱ4同时开启，反射切换时间内的任何温度变化会使顺时针和逆时针方向上的谐振频率漂移不同，产生谐振频率差，测量旋转角速度Ω₁与实际角速度Ω₀的关系为，

那么，第二光路运行，第二光路光开关Ⅰ5和第二光路光开关Ⅱ6同时开启，反射切换时间内的任何温度变化也会使顺时针和逆时针方向上的谐振频率漂移不同，产生谐振频率差-，测量旋转角速度Ω₂与实际角速度Ω₀的关系为，设置第一光路开启和第二光路开启两种情况的切换时间为T，那么采集的陀螺输出信号如图4所示，因此相邻T时间段内的测量值Ω₁与Ω₂之和为2倍的实际角速度值Ω₀，即

。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种基于低相干光源的陀螺，其特征在于：包括低相干光源，所述低相干光源通过第一耦合器形成两条光路，第一光路和第二光路通过光开关交替运行，所述第一光路的输出端设置有第一信号转换通道；所述第二光路的输出端设置有第二信号转换通道，所述第一信号转换通道和第二信号转换通道的输出端均与数据采集模块相连，所述第一光路包括第一光路环形器、第一光路光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、第一光路光开关Ⅱ、第一光路相位调制器和第一光路反射镜，所述第一光路的低相干光经过第一光路环形器和第一光路光开关Ⅰ顺时针进入光纤环形谐振腔内，从光纤环形谐振腔出射的低相干光经第一光路光开关Ⅱ进入第一光路相位调制器，并由第一光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向干涉输出，经第一光路环形器进入第一信号转换通道；所述第二光路包括第二光路环形器、第二光路光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、第二光路光开关Ⅱ、第二光路相位调制器和第二光路反射镜，所述第二光路的低相干光经过第二光路环形器和第二光路光开关Ⅰ逆时针进入光纤环形谐振腔内，从光纤环形谐振腔出射的低相干光经第二光路光开关Ⅱ进入第二光路相位调制器，并由第二光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿顺时针方向干涉输出，经第二光路环形器进入第二信号转换通道。

2.根据权利要求1所述的基于低相干光源的陀螺，其特征在于：所述第一信号转换通道和第二信号转换通道均包括光电探测器，所述光电探测器与锁相放大器相连，所述锁相放大器分别与相位调制器和伺服控制模块相连，所述伺服控制模块分别与信号发生器和数据采集模块相连。

3.根据权利要求1所述的基于低相干光源的陀螺，其特征在于：所述光纤环形谐振腔由第二耦合器和第三耦合器组成。

4.一种基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、低相干光源发出的低相干光经过第一耦合器后分为第一光路和第二光路，通过光开关的启闭切换，实现第一光路和第二光路的交替运行；

S2、当第一光路运行时，低相干光经过第一光路环形器和第一光路光开关Ⅰ进入由第二耦合器和第三耦合器组成的光纤环形谐振腔内，低相干光在光纤环形谐振腔内沿顺时针方向多次传输干涉出射；

S3、从光纤环形谐振腔出射的低相干光进入第一光路相位调制器并由第一光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向多次传输干涉出射；

S4、逆时针出射光经过第一光路环形器被第一光路光电探测器探测，第一光路光电探测器探测到的光强信号输入到第一光路锁相放大器内，第一光路锁相放大器通过第一光路相位调制器施加调制信号f ₀到第一光路中，此时，第一光路锁相放大器可解调出与调制信号f ₀同频率的误差信号δ，当陀螺以一定的角速度Ω₀旋转时，误差信号δ随之发生变化，

第一光路伺服控制模块根据误差信号δ控制第一光路信号发生器产生锯齿波信号，将锯齿波信号通过第一光路相位调制器实现光频移，直至第一光路锁相放大器测量的输出误差信号为零，通过数据采集模块采集第一光路信号发生器的锯齿波强度V₁，获得当前测量旋转角速度的值Ω₁，测量旋转角速度Ω₁与实际角速度Ω₀的关系为：

式中，为是同侧光路顺逆时针切换时间产生的谐振频率差；

S5、第二光路运行时，运行步骤与第一光路相同，数据采集模块采集第二光路信号发生器的锯齿波强度V₂，获得当前测量旋转角速度的值Ω₂，测量旋转角速度Ω₂与实际角速度Ω₀的关系为：

S6、设置第一光路开启和第二光路开启两种情况的切换时间为T，则相邻T时间段内的测量值Ω₁与Ω₂之和为2倍的实际角速度值Ω₀，即

。

5.根据权利要求4所述的基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，其特征在于：在步骤S1中，第一光路运行时：第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时开启，第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时关闭；第二光路运行时，第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时关闭，第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时开启。

6.根据权利要求4所述的基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，其特征在于：在步骤S2中，透射率函数表示为：

式中，v为光频率，R为第二耦合器和第三耦合器的耦合比，为光纤环形谐振腔的自由光谱范围，

低相干光在光纤环形谐振腔内沿顺时针方向多次传输干涉出射，顺时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

式中，为旋转引起的谐振腔顺逆时针谐振频率差，可表示为，其中，为光纤环形谐振腔直径，为旋转角速度，为光纤环形谐振腔折射率，为低相干光源中心波长。

7.根据权利要求6所述的基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，其特征在于：在步骤S3中，逆时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

。

8.根据权利要求7所述的基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，其特征在于：在步骤S4中，探测光强表示为：

式中，I ₀为低相干光源发出低相干光的强度、S(v)为低相干光的光谱归一化分布函数。

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