CN117128945A - 一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振式光学陀螺技术领域，具体是一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器及测量方法。本发明解决了传统的谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低的问题。一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器，包括可调谐窄线宽激光器、隔离器、光环行器、第一光纤耦合器、第一光纤环形谐振腔、相位调制器、第二光纤耦合器、第一光电探测器、第一光纤维、第三光纤耦合器、第二光电探测器、第二光纤维、第四光纤耦合器、第二光纤环形谐振腔、第三光纤维、双踪示波器、计算机。本发明适用于角速度测量。
Description
技术领域
本发明涉及谐振式光学陀螺技术领域，具体是一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器及测量方法。
背景技术
基于萨格纳克效应的谐振式光学陀螺因其具有小尺寸、低成本的优势，极具发展潜力，在近年的研究中屡见不鲜，是各个陀螺仪研究团队的重点方向之一。但在实际应用中，传统的谐振式光学陀螺由于自身结构所限，在待测角速度较小的情况下只能获得很小的频谱变量（由萨格纳克效应引发），由此导致其测量灵敏度过低，无法准确测量微弱转动信号。基于此，有必要发明一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器及测量方法，以解决传统的谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低的问题。
发明内容
本发明为了解决传统的谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低的问题，提供了一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器及测量方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器，包括可调谐窄线宽激光器、隔离器、光环行器、第一光纤耦合器、第一光纤环形谐振腔、相位调制器、第二光纤耦合器、第一光电探测器、第一光纤维、第三光纤耦合器、第二光电探测器、第二光纤维、第四光纤耦合器、第二光纤环形谐振腔、第三光纤维、双踪示波器、计算机；
可调谐窄线宽激光器的出射端通过隔离器与光环行器的第一端口连接；
光环行器的第二端口与第一光纤耦合器的第一端口连接；第一光纤耦合器的第二端口和第四端口均与第一光纤环形谐振腔连接；第一光纤耦合器的第三端口通过相位调制器与第二光纤耦合器的第一端口连接；第二光纤耦合器的第二端口与第一光电探测器的入射端连接；第二光纤耦合器的第三端口与第一光纤维的首端连接；第二光纤耦合器的第四端口与第一光纤维的尾端连接；第二光纤耦合器和第一光纤维共同组成第一透射反射结构；
光环行器的第三端口与第三光纤耦合器的第一端口连接；第三光纤耦合器的第二端口与第二光电探测器的入射端连接；第三光纤耦合器的第三端口通过第二光纤维与第四光纤耦合器的第一端口连接；第四光纤耦合器的第二端口和第四端口均与第二光纤环形谐振腔连接；第四光纤耦合器的第三端口通过第三光纤维与第三光纤耦合器的第四端口连接；第三光纤耦合器、第二光纤维、第四光纤耦合器、第二光纤环形谐振腔、第三光纤维共同组成第二透射反射结构；
第一光电探测器的信号输出端和第二光电探测器的信号输出端分别与双踪示波器的两个信号输入端连接；双踪示波器的信号输出端与计算机的信号输入端连接。
一种基于奇异面的超灵敏角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：启动可调谐窄线宽激光器；可调谐窄线宽激光器发出1550nm波段的探测光，探测光依次经隔离器、光环行器、第一光纤耦合器、第一光纤环形谐振腔、第一光纤耦合器、相位调制器入射到第一透射反射结构，并经第一透射反射结构分为两束：第一束入射到第一光电探测器，并经第一光电探测器转换为第一路电信号；第二束返回相位调制器，并依次经第一光纤耦合器、第一光纤环形谐振腔、第一光纤耦合器、光环行器入射到第二透射反射结构，然后经第二透射反射结构分为两束：第一束入射到第二光电探测器，并经第二光电探测器转换为第二路电信号；第二束返回光环行器；第一路电信号和第二路电信号均传输至双踪示波器，并经双踪示波器转换为透射谱；透射谱一方面显示于双踪示波器上，另一方面传输至计算机；
步骤二：调控传感器并使其处于奇异面上；具体调控步骤如下：先调节第一光纤环形谐振腔的谐振频率点并使其达到稳定，再利用压电陶瓷对第二光纤环形谐振腔施加轴向应力，并通过调节压电陶瓷的驱动电压来调节第二光纤环形谐振腔的谐振频率点，由此使得第二光纤环形谐振腔的一个谐振频率点和第一光纤环形谐振腔的一个谐振频率点相重合；此时，由于第二光纤环形谐振腔处于临界耦合状态，第一光纤环形谐振腔的该谐振频率点对应的第二透射反射结构的反射率为零；然后，通过调节相位调制器使得第二光纤耦合器与第三光纤耦合器之间的相位差为π的整数倍；此时，传感器处于奇异面上；
在奇异面附近，传感器具有转动信号增强效应；当传感器发生旋转时，第一光纤环形谐振腔的该谐振频率点对应的第二透射反射结构的反射率发生变化，反射率的变化诱使工作点被推离奇异面，由此使得透射谱发生显著劈裂；计算机实时监测透射谱的劈裂距离，并将透射谱的劈裂距离代入传感器的角速度测量方程，由此计算出传感器的角速度；所述传感器的角速度测量方程表示如下：
；
；
式中：表示透射谱的劈裂距离；表示第一透射反射结构的反射系数；表示
第一光纤耦合器与第一光纤环形谐振腔之间的耦合量；表示光环行器与第一光纤耦合
器之间的相位差；表示相位调制器的相位；表示第二光纤环形谐振腔内损耗系数；表
示角速度引起的第一光纤环形谐振腔与第二光纤环形谐振腔的谐振频率中心偏移相位差；表示第二光纤维与第二光纤环形谐振腔之间的耦合比例；表示第一光纤环形谐振腔与
第二光纤环形谐振腔围成的面积差；表示角速度；表示光速，其值为常量；表示
探测光的波长，其值为常量。
与传统的谐振式光学陀螺相比，本发明获得的频谱变量（即透射谱的劈裂距离）与待测角速度的平方根近似成正比关系，因此在待测角速度较小的情况下，本发明能够获得较大的频谱变量，由此显著提高了其测量灵敏度，实现了对微弱转动信号的准确测量。如图4所示，本发明的灵敏度曲线与传统的谐振式光学陀螺的灵敏度曲线相交于角速度约为160Rad/s时，当角速度小于此值时，本发明的灵敏度明显高于传统的谐振式光学陀螺的灵敏度。
本发明有效解决了传统的谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低的问题，适用于角速度测量。
附图说明
图1是本发明中一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器的结构示意图。
图2是本发明中调控传感器并使其处于奇异面上的示意图。
图3是本发明的角速度测量方程曲线与传统的谐振式光学陀螺的角速度测量方程曲线的对比示意图。
图4是本发明的灵敏度曲线与传统的谐振式光学陀螺的灵敏度曲线的对比示意图。
图中：1-可调谐窄线宽激光器，2-隔离器，3-光环行器，4-第一光纤耦合器，5-第一光纤环形谐振腔，6-相位调制器，7-第二光纤耦合器，8-第一光电探测器，9-第一光纤维，10-第三光纤耦合器，11-第二光电探测器，12-第二光纤维，13-第四光纤耦合器，14-第二光纤环形谐振腔，15-第三光纤维，16-双踪示波器，17-计算机；PZT表示压电陶瓷。
具体实施方式
一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器，包括可调谐窄线宽激光器1、隔离器2、光环行器3、第一光纤耦合器4、第一光纤环形谐振腔5、相位调制器6、第二光纤耦合器7、第一光电探测器8、第一光纤维9、第三光纤耦合器10、第二光电探测器11、第二光纤维12、第四光纤耦合器13、第二光纤环形谐振腔14、第三光纤维15、双踪示波器16、计算机17；
可调谐窄线宽激光器1的出射端通过隔离器2与光环行器3的第一端口连接；
光环行器3的第二端口与第一光纤耦合器4的第一端口连接；第一光纤耦合器4的第二端口和第四端口均与第一光纤环形谐振腔5连接；第一光纤耦合器4的第三端口通过相位调制器6与第二光纤耦合器7的第一端口连接；第二光纤耦合器7的第二端口与第一光电探测器8的入射端连接；第二光纤耦合器7的第三端口与第一光纤维9的首端连接；第二光纤耦合器7的第四端口与第一光纤维9的尾端连接；第二光纤耦合器7和第一光纤维9共同组成第一透射反射结构；
光环行器3的第三端口与第三光纤耦合器10的第一端口连接；第三光纤耦合器10的第二端口与第二光电探测器11的入射端连接；第三光纤耦合器10的第三端口通过第二光纤维12与第四光纤耦合器13的第一端口连接；第四光纤耦合器13的第二端口和第四端口均与第二光纤环形谐振腔14连接；第四光纤耦合器13的第三端口通过第三光纤维15与第三光纤耦合器10的第四端口连接；第三光纤耦合器10、第二光纤维12、第四光纤耦合器13、第二光纤环形谐振腔14、第三光纤维15共同组成第二透射反射结构；
第一光电探测器8的信号输出端和第二光电探测器11的信号输出端分别与双踪示波器16的两个信号输入端连接；双踪示波器16的信号输出端与计算机17的信号输入端连接。
一种基于奇异面的超灵敏角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：启动可调谐窄线宽激光器1；可调谐窄线宽激光器1发出1550nm波段的探测光，探测光依次经隔离器2、光环行器3、第一光纤耦合器4、第一光纤环形谐振腔5、第一光纤耦合器4、相位调制器6入射到第一透射反射结构，并经第一透射反射结构分为两束：第一束入射到第一光电探测器8，并经第一光电探测器8转换为第一路电信号；第二束返回相位调制器6，并依次经第一光纤耦合器4、第一光纤环形谐振腔5、第一光纤耦合器4、光环行器3入射到第二透射反射结构，然后经第二透射反射结构分为两束：第一束入射到第二光电探测器11，并经第二光电探测器11转换为第二路电信号；第二束返回光环行器3；第一路电信号和第二路电信号均传输至双踪示波器16，并经双踪示波器16转换为透射谱；透射谱一方面显示于双踪示波器16上，另一方面传输至计算机17；
步骤二：调控传感器并使其处于奇异面上；具体调控步骤如下：先调节第一光纤环形谐振腔5的谐振频率点并使其达到稳定，再利用压电陶瓷对第二光纤环形谐振腔14施加轴向应力，并通过调节压电陶瓷的驱动电压来调节第二光纤环形谐振腔14的谐振频率点，由此使得第二光纤环形谐振腔14的一个谐振频率点和第一光纤环形谐振腔5的一个谐振频率点相重合；此时，由于第二光纤环形谐振腔14处于临界耦合状态，第一光纤环形谐振腔5的该谐振频率点对应的第二透射反射结构的反射率为零；然后，通过调节相位调制器6使得第二光纤耦合器7与第三光纤耦合器10之间的相位差为π的整数倍；此时，传感器处于奇异面上；
在奇异面附近，传感器具有转动信号增强效应；当传感器发生旋转时，第一光纤环形谐振腔5的该谐振频率点对应的第二透射反射结构的反射率发生变化，反射率的变化诱使工作点被推离奇异面，由此使得透射谱发生显著劈裂；计算机17实时监测透射谱的劈裂距离，并将透射谱的劈裂距离代入传感器的角速度测量方程，由此计算出传感器的角速度；所述传感器的角速度测量方程表示如下：
；
；
式中：表示透射谱的劈裂距离；表示第一透射反射结构的反射系数；表示
第一光纤耦合器4与第一光纤环形谐振腔5之间的耦合量；表示光环行器3与第一光纤耦
合器4之间的相位差；表示相位调制器6的相位；表示第二光纤环形谐振腔14内损耗系
数；表示角速度引起的第一光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔14的谐振频率中心
偏移相位差；表示第二光纤维12与第二光纤环形谐振腔14之间的耦合比例；表示第一
光纤环形谐振腔5与第二光纤环形谐振腔14围成的面积差；表示角速度；表示光速，其
值为常量；表示探测光的波长，其值为常量。
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 (2)
1.一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器，其特征在于：包括可调谐窄线宽激光器（1）、隔离器（2）、光环行器（3）、第一光纤耦合器（4）、第一光纤环形谐振腔（5）、相位调制器（6）、第二光纤耦合器（7）、第一光电探测器（8）、第一光纤维（9）、第三光纤耦合器（10）、第二光电探测器（11）、第二光纤维（12）、第四光纤耦合器（13）、第二光纤环形谐振腔（14）、第三光纤维（15）、双踪示波器（16）、计算机（17）；
可调谐窄线宽激光器（1）的出射端通过隔离器（2）与光环行器（3）的第一端口连接；
光环行器（3）的第二端口与第一光纤耦合器（4）的第一端口连接；第一光纤耦合器（4）的第二端口和第四端口均与第一光纤环形谐振腔（5）连接；第一光纤耦合器（4）的第三端口通过相位调制器（6）与第二光纤耦合器（7）的第一端口连接；第二光纤耦合器（7）的第二端口与第一光电探测器（8）的入射端连接；第二光纤耦合器（7）的第三端口与第一光纤维（9）的首端连接；第二光纤耦合器（7）的第四端口与第一光纤维（9）的尾端连接；第二光纤耦合器（7）和第一光纤维（9）共同组成第一透射反射结构；
光环行器（3）的第三端口与第三光纤耦合器（10）的第一端口连接；第三光纤耦合器（10）的第二端口与第二光电探测器（11）的入射端连接；第三光纤耦合器（10）的第三端口通过第二光纤维（12）与第四光纤耦合器（13）的第一端口连接；第四光纤耦合器（13）的第二端口和第四端口均与第二光纤环形谐振腔（14）连接；第四光纤耦合器（13）的第三端口通过第三光纤维（15）与第三光纤耦合器（10）的第四端口连接；第三光纤耦合器（10）、第二光纤维（12）、第四光纤耦合器（13）、第二光纤环形谐振腔（14）、第三光纤维（15）共同组成第二透射反射结构；
第一光电探测器（8）的信号输出端和第二光电探测器（11）的信号输出端分别与双踪示波器（16）的两个信号输入端连接；双踪示波器（16）的信号输出端与计算机（17）的信号输入端连接。
2.一种基于奇异面的超灵敏角速度测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于奇异面的超灵敏角速度传感器实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：启动可调谐窄线宽激光器（1）；可调谐窄线宽激光器（1）发出1550nm波段的探测光，探测光依次经隔离器（2）、光环行器（3）、第一光纤耦合器（4）、第一光纤环形谐振腔（5）、第一光纤耦合器（4）、相位调制器（6）入射到第一透射反射结构，并经第一透射反射结构分为两束：第一束入射到第一光电探测器（8），并经第一光电探测器（8）转换为第一路电信号；第二束返回相位调制器（6），并依次经第一光纤耦合器（4）、第一光纤环形谐振腔（5）、第一光纤耦合器（4）、光环行器（3）入射到第二透射反射结构，然后经第二透射反射结构分为两束：第一束入射到第二光电探测器（11），并经第二光电探测器（11）转换为第二路电信号；第二束返回光环行器（3）；第一路电信号和第二路电信号均传输至双踪示波器（16），并经双踪示波器（16）转换为透射谱；透射谱一方面显示于双踪示波器（16）上，另一方面传输至计算机（17）；
步骤二：调控传感器并使其处于奇异面上；具体调控步骤如下：先调节第一光纤环形谐振腔（5）的谐振频率点并使其达到稳定，再利用压电陶瓷对第二光纤环形谐振腔（14）施加轴向应力，并通过调节压电陶瓷的驱动电压来调节第二光纤环形谐振腔（14）的谐振频率点，由此使得第二光纤环形谐振腔（14）的一个谐振频率点和第一光纤环形谐振腔（5）的一个谐振频率点相重合；此时，由于第二光纤环形谐振腔（14）处于临界耦合状态，第一光纤环形谐振腔（5）的该谐振频率点对应的第二透射反射结构的反射率为零；然后，通过调节相位调制器（6）使得第二光纤耦合器（7）与第三光纤耦合器（10）之间的相位差为π的整数倍；此时，传感器处于奇异面上；
在奇异面附近，传感器具有转动信号增强效应；当传感器发生旋转时，第一光纤环形谐振腔（5）的该谐振频率点对应的第二透射反射结构的反射率发生变化，反射率的变化诱使工作点被推离奇异面，由此使得透射谱发生显著劈裂；计算机（17）实时监测透射谱的劈裂距离，并将透射谱的劈裂距离代入传感器的角速度测量方程，由此计算出传感器的角速度；所述传感器的角速度测量方程表示如下：
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