CN117387591B - 基于二阶奇异面的片上高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，具体是一种基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器及测量方法。本发明解决了现有谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低、鲁棒性较差、体积较大的问题。基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器，包括可调谐窄线宽激光器、第一隔离器、相位调制器、第二隔离器、光电探测器、示波器、计算机、片上结构；所述片上结构包括第一直波导、第一环形谐振腔、Y波导、第二环形谐振腔、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三环形谐振腔、第三直波导、第三弯曲波导、第四直波导、第五直波导、衬底。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，具体是一种基于二阶奇异面的片上高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由于其使用的光学器件相对简单，在尺寸和成本控制方面占据优势，是近年的研究热点方向。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），而过小的频谱变量极易淹没在噪声中，难以据此准确测量转动信号。一些科研团队将奇异点结构引入光学陀螺来提高低转速下灵敏度，常见的有宇称时间对称式和反宇称时间对称式。然而奇异点结构由于自身结构所限，对相位和其他非转速扰动同样敏感，使得工作状态极易受外界环境干扰，由此导致其鲁棒性较差，无法稳定测量转动信号。此外，一些传统的谐振式光学陀螺和奇异点结构光学陀螺在构建光路时使用光纤组件，由此导致其体积较大。基于此，有必要发明一种基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器及测量方法，以解决现有谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低、鲁棒性较差、体积较大的问题。
发明内容
本发明为了解决现有谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低、鲁棒性较差、体积较大的问题，提供了一种基于二阶奇异面的片上高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：
基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器，包括可调谐窄线宽激光器、第一隔离器、相位调制器、第二隔离器、光电探测器、示波器、计算机、片上结构；
所述片上结构包括第一直波导、第一环形谐振腔、Y波导、第二环形谐振腔、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三环形谐振腔、第三直波导、第三弯曲波导、第四直波导、第五直波导、衬底；
可调谐窄线宽激光器的出射端与第一隔离器的入射端连接；第一隔离器的出射端与第一直波导的首端连接；第一直波导与第一环形谐振腔耦合；第一直波导的尾端与相位调制器的入射端连接；相位调制器的出射端与第二隔离器的入射端连接；第二隔离器的出射端与Y波导的主干端连接；Y波导的主干与第二环形谐振腔耦合；
Y波导的第一个分支端与第一弯曲波导的首端连接；第一弯曲波导的尾端与第二直波导的首端连接；第二直波导的尾端与第二弯曲波导的首端连接；第二弯曲波导与第三环形谐振腔耦合；第二弯曲波导的尾端与第三直波导的首端连接；第三直波导的尾端与第三弯曲波导的首端连接；第三弯曲波导的尾端与第四直波导的首端连接；第四直波导与第一环形谐振腔耦合；第二直波导、第二弯曲波导、第三环形谐振腔、第三直波导共同组成透射结构；
Y波导的第二个分支端与第五直波导的首端连接；第五直波导的尾端与光电探测器的入射端连接；光电探测器的信号输出端与示波器的信号输入端连接；示波器的信号输出端与计算机的信号输入端连接；
第一直波导、第一环形谐振腔、Y波导、第二环形谐振腔、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三环形谐振腔、第三直波导、第三弯曲波导、第四直波导、第五直波导均设置于衬底的上表面。
基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的基于二阶奇异面的片上高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，探测光依次经第一隔离器、第一直波导、第一环形谐振腔、第一直波导、相位调制器、第二隔离器、Y波导的主干、第二环形谐振腔、Y波导的主干进行传播，并经Y波导分为两束：第一束依次经Y波导的第一个分支、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、第三环形谐振腔、第二弯曲波导、第三直波导、第三弯曲波导、第四直波导进行传播后返回第一环形谐振腔；第二束依次经Y波导的第二个分支、第五直波导入射到光电探测器，并经光电探测器转换为电信号；电信号传输至示波器，并经示波器转换为透射谱；透射谱一方面显示于示波器上，另一方面传输至计算机；
步骤二：调控传感器并使其处于二阶奇异面上；具体调控步骤如下：
步骤a：首先，将第一直波导的尾端与相位调制器的入射端断开，将第五直波导的尾端与光电探测器的入射端断开，将第一直波导的尾端与光电探测器的入射端连接；然后，调节第一环形谐振腔的谐振频率点并使其达到稳定，然后记录其谐振频率点；然后，将第一直波导的尾端与光电探测器的入射端断开，将第一直波导的尾端与相位调制器的入射端连接，将第五直波导的尾端与光电探测器的入射端连接；
步骤b：首先，将第一隔离器的出射端与第一直波导的首端断开，将第二隔离器的出射端与Y波导的主干端断开，将第一隔离器的出射端与Y波导的主干端连接；然后，记录第二环形谐振腔的谐振频率点并确定其与第一环形谐振腔的谐振频率点相重合；
步骤c：首先，将第一隔离器的出射端与Y波导的主干端断开，将第一隔离器的出射端与第一直波导的首端连接，将第二隔离器的出射端与Y波导的主干端连接；然后，通过调节相位调制器使得第一直波导与Y波导的主干之间的相位差为π的整数倍；
步骤d：利用压电陶瓷对第三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三环形谐振腔的谐振频率点和示波器显示的透射谱劈裂距离，直至示波器显示的透射谱劈裂距离为零，此时第三环形谐振腔的一个谐振频率点和上述记录的一个谐振频率点相重合；由于第三环形谐振腔处于临界耦合状态，第二环形谐振腔的该谐振频率点对应的透射结构的透射率为零；此时，传感器处于二阶奇异面上；
在二阶奇异面上，传感器具有转动信号增强效应；当传感器发生旋转时，第二环形谐振腔的该谐振频率点对应的透射结构的透射率发生变化，透射率的变化诱使工作点被推离二阶奇异面，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；表示第一直波导与第一环形谐振腔之间的耦
合强度；表示透射结构的最大透射率；表示虚数单位；表示相位调制器的相位；表示
第三环形谐振腔内损耗系数；表示角速度引起的第二环形谐振腔与第三环形谐振腔的谐
振频率中心偏移相位差；表示第二弯曲波导与第三环形谐振腔之间的耦合系数；表示
第二环形谐振腔与第三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。
与现有谐振式光学陀螺相比，本发明具有如下优点：其一，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。其二，与奇异点结构光学陀螺相比，本发明无论在相位发生微小改变时，还是在受到其他非转速扰动时，工作状态都能够保持稳定，由此显著提高了其鲁棒性，实现了对转动信号的稳定测量。图5是本发明中频率失谐随角速度和相位调制器的相位变化示意图。如图5所示，当相位为0.5π时，频率失谐轨迹为零输出线。当相位为π时，频率失谐轨迹为饱满的平方根曲线。当相位从π向0.5π过渡时，频率失谐轨迹由饱满的平方根曲线平滑地过渡到零输出线，并没有因为相位发生微小改变而出现工作状态不稳定，由此体现了本发明的高鲁棒性。其三，与使用了光纤组件搭建的传统谐振式光学陀螺和奇异点结构光学陀螺相比，本发明不再使用光纤组件，而是使用片上结构，由此显著减小了体积。
本发明有效解决了现有谐振式光学陀螺测量较小角速度时灵敏度过低、鲁棒性较差、体积较大的问题，适用于角速度测量。
附图说明
图1是本发明中基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器的平面结构示意图。
图2是本发明中片上结构的立体结构示意图。
图3是本发明中调控传感器并使其处于二阶奇异面上的示意图。
图4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5是本发明中频率失谐随角速度和相位调制器的相位变化示意图。
图中：1-可调谐窄线宽激光器，2-第一隔离器，3-第一直波导，4-第一环形谐振腔，5-相位调制器，6-第二隔离器，7-Y波导，8-第二环形谐振腔，9-第一弯曲波导，10-第二直波导，11-第二弯曲波导，12-第三环形谐振腔，13-第三直波导，14-第三弯曲波导，15-第四直波导，16-第五直波导，17-光电探测器，18-示波器，19-计算机，20-衬底；PZT表示压电陶瓷。
具体实施方式
基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器，包括可调谐窄线宽激光器1、第一隔离器2、相位调制器5、第二隔离器6、光电探测器17、示波器18、计算机19、片上结构；
所述片上结构包括第一直波导3、第一环形谐振腔4、Y波导7、第二环形谐振腔8、第一弯曲波导9、第二直波导10、第二弯曲波导11、第三环形谐振腔12、第三直波导13、第三弯曲波导14、第四直波导15、第五直波导16、衬底20；
可调谐窄线宽激光器1的出射端与第一隔离器2的入射端连接；第一隔离器2的出射端与第一直波导3的首端连接；第一直波导3与第一环形谐振腔4耦合；第一直波导3的尾端与相位调制器5的入射端连接；相位调制器5的出射端与第二隔离器6的入射端连接；第二隔离器6的出射端与Y波导7的主干端连接；Y波导7的主干与第二环形谐振腔8耦合；
Y波导7的第一个分支端与第一弯曲波导9的首端连接；第一弯曲波导9的尾端与第二直波导10的首端连接；第二直波导10的尾端与第二弯曲波导11的首端连接；第二弯曲波导11与第三环形谐振腔12耦合；第二弯曲波导11的尾端与第三直波导13的首端连接；第三直波导13的尾端与第三弯曲波导14的首端连接；第三弯曲波导14的尾端与第四直波导15的首端连接；第四直波导15与第一环形谐振腔4耦合；第二直波导10、第二弯曲波导11、第三环形谐振腔12、第三直波导13共同组成透射结构；
Y波导7的第二个分支端与第五直波导16的首端连接；第五直波导16的尾端与光电探测器17的入射端连接；光电探测器17的信号输出端与示波器18的信号输入端连接；示波器18的信号输出端与计算机19的信号输入端连接；
第一直波导3、第一环形谐振腔4、Y波导7、第二环形谐振腔8、第一弯曲波导9、第二直波导10、第二弯曲波导11、第三环形谐振腔12、第三直波导13、第三弯曲波导14、第四直波导15、第五直波导16均设置于衬底20的上表面。
基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的基于二阶奇异面的片上高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，探测光依次经第一隔离器2、第一直波导3、第一环形谐振腔4、第一直波导3、相位调制器5、第二隔离器6、Y波导7的主干、第二环形谐振腔8、Y波导7的主干进行传播，并经Y波导7分为两束：第一束依次经Y波导7的第一个分支、第一弯曲波导9、第二直波导10、第二弯曲波导11、第三环形谐振腔12、第二弯曲波导11、第三直波导13、第三弯曲波导14、第四直波导15进行传播后返回第一环形谐振腔4；第二束依次经Y波导7的第二个分支、第五直波导16入射到光电探测器17，并经光电探测器17转换为电信号；电信号传输至示波器18，并经示波器18转换为透射谱；透射谱一方面显示于示波器18上，另一方面传输至计算机19；
步骤二：调控传感器并使其处于二阶奇异面上；具体调控步骤如下：
步骤a：首先，将第一直波导3的尾端与相位调制器5的入射端断开，将第五直波导16的尾端与光电探测器17的入射端断开，将第一直波导3的尾端与光电探测器17的入射端连接；然后，调节第一环形谐振腔4的谐振频率点并使其达到稳定，然后记录其谐振频率点；然后，将第一直波导3的尾端与光电探测器17的入射端断开，将第一直波导3的尾端与相位调制器5的入射端连接，将第五直波导16的尾端与光电探测器17的入射端连接；
步骤b：首先，将第一隔离器2的出射端与第一直波导3的首端断开，将第二隔离器6的出射端与Y波导7的主干端断开，将第一隔离器2的出射端与Y波导7的主干端连接；然后，记录第二环形谐振腔8的谐振频率点并确定其与第一环形谐振腔4的谐振频率点相重合；
步骤c：首先，将第一隔离器2的出射端与Y波导7的主干端断开，将第一隔离器2的出射端与第一直波导3的首端连接，将第二隔离器6的出射端与Y波导7的主干端连接；然后，通过调节相位调制器5使得第一直波导3与Y波导7的主干之间的相位差为π的整数倍；
步骤d：利用压电陶瓷对第三环形谐振腔12施加轴向应力，并通过调节压电陶瓷的驱动电压来调节第三环形谐振腔12的谐振频率点和示波器18显示的透射谱劈裂距离，直至示波器18显示的透射谱劈裂距离为零，此时第三环形谐振腔12的一个谐振频率点和上述记录的一个谐振频率点相重合；由于第三环形谐振腔12处于临界耦合状态，第二环形谐振腔8的该谐振频率点对应的透射结构的透射率为零；此时，传感器处于二阶奇异面上；
在二阶奇异面上，传感器具有转动信号增强效应；当传感器发生旋转时，第二环形谐振腔8的该谐振频率点对应的透射结构的透射率发生变化，透射率的变化诱使工作点被推离二阶奇异面，由此使得透射谱发生显著劈裂；计算机19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；表示第一直波导3与第一环形谐振腔4之间的
耦合强度；表示透射结构的最大透射率；表示虚数单位；表示相位调制器5的相位；表
示第三环形谐振腔12内损耗系数；表示角速度引起的第二环形谐振腔8与第三环形谐振
腔12的谐振频率中心偏移相位差；表示第二弯曲波导11与第三环形谐振腔12之间的耦合
系数；表示第二环形谐振腔8与第三环形谐振腔12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)
1.一种基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度传感器，其特征在于：包括可调谐窄线宽激光器（1）、第一隔离器（2）、相位调制器（5）、第二隔离器（6）、光电探测器（17）、示波器（18）、计算机（19）、片上结构；
所述片上结构包括第一直波导（3）、第一环形谐振腔（4）、Y波导（7）、第二环形谐振腔（8）、第一弯曲波导（9）、第二直波导（10）、第二弯曲波导（11）、第三环形谐振腔（12）、第三直波导（13）、第三弯曲波导（14）、第四直波导（15）、第五直波导（16）、衬底（20）；
可调谐窄线宽激光器（1）的出射端与第一隔离器（2）的入射端连接；第一隔离器（2）的出射端与第一直波导（3）的首端连接；第一直波导（3）与第一环形谐振腔（4）耦合；第一直波导（3）的尾端与相位调制器（5）的入射端连接；相位调制器（5）的出射端与第二隔离器（6）的入射端连接；第二隔离器（6）的出射端与Y波导（7）的主干端连接；Y波导（7）的主干与第二环形谐振腔（8）耦合；
Y波导（7）的第一个分支端与第一弯曲波导（9）的首端连接；第一弯曲波导（9）的尾端与第二直波导（10）的首端连接；第二直波导（10）的尾端与第二弯曲波导（11）的首端连接；第二弯曲波导（11）与第三环形谐振腔（12）耦合；第二弯曲波导（11）的尾端与第三直波导（13）的首端连接；第三直波导（13）的尾端与第三弯曲波导（14）的首端连接；第三弯曲波导（14）的尾端与第四直波导（15）的首端连接；第四直波导（15）与第一环形谐振腔（4）耦合；第二直波导（10）、第二弯曲波导（11）、第三环形谐振腔（12）、第三直波导（13）共同组成透射结构；
Y波导（7）的第二个分支端与第五直波导（16）的首端连接；第五直波导（16）的尾端与光电探测器（17）的入射端连接；光电探测器（17）的信号输出端与示波器（18）的信号输入端连接；示波器（18）的信号输出端与计算机（19）的信号输入端连接；
第一直波导（3）、第一环形谐振腔（4）、Y波导（7）、第二环形谐振腔（8）、第一弯曲波导（9）、第二直波导（10）、第二弯曲波导（11）、第三环形谐振腔（12）、第三直波导（13）、第三弯曲波导（14）、第四直波导（15）、第五直波导（16）均设置于衬底（20）的上表面。
2.一种基于二阶奇异面的片上高灵敏角速度测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的基于二阶奇异面的片上高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，探测光依次经第一隔离器（2）、第一直波导（3）、第一环形谐振腔（4）、第一直波导（3）、相位调制器（5）、第二隔离器（6）、Y波导（7）的主干、第二环形谐振腔（8）、Y波导（7）的主干进行传播，并经Y波导（7）分为两束：第一束依次经Y波导（7）的第一个分支、第一弯曲波导（9）、第二直波导（10）、第二弯曲波导（11）、第三环形谐振腔（12）、第二弯曲波导（11）、第三直波导（13）、第三弯曲波导（14）、第四直波导（15）进行传播后返回第一环形谐振腔（4）；第二束依次经Y波导（7）的第二个分支、第五直波导（16）入射到光电探测器（17），并经光电探测器（17）转换为电信号；电信号传输至示波器（18），并经示波器（18）转换为透射谱；透射谱一方面显示于示波器（18）上，另一方面传输至计算机（19）；
步骤二：调控传感器并使其处于二阶奇异面上；具体调控步骤如下：
步骤a：首先，将第一直波导（3）的尾端与相位调制器（5）的入射端断开，将第五直波导（16）的尾端与光电探测器（17）的入射端断开，将第一直波导（3）的尾端与光电探测器（17）的入射端连接；然后，调节第一环形谐振腔（4）的谐振频率点并使其达到稳定，然后记录其谐振频率点；然后，将第一直波导（3）的尾端与光电探测器（17）的入射端断开，将第一直波导（3）的尾端与相位调制器（5）的入射端连接，将第五直波导（16）的尾端与光电探测器（17）的入射端连接；
步骤b：首先，将第一隔离器（2）的出射端与第一直波导（3）的首端断开，将第二隔离器（6）的出射端与Y波导（7）的主干端断开，将第一隔离器（2）的出射端与Y波导（7）的主干端连接；然后，记录第二环形谐振腔（8）的谐振频率点并确定其与第一环形谐振腔（4）的谐振频率点相重合；
步骤c：首先，将第一隔离器（2）的出射端与Y波导（7）的主干端断开，将第一隔离器（2）的出射端与第一直波导（3）的首端连接，将第二隔离器（6）的出射端与Y波导（7）的主干端连接；然后，通过调节相位调制器（5）使得第一直波导（3）与Y波导（7）的主干之间的相位差为π的整数倍；
步骤d：利用压电陶瓷对第三环形谐振腔（12）施加轴向应力，并通过调节压电陶瓷的驱动电压来调节第三环形谐振腔（12）的谐振频率点和示波器（18）显示的透射谱劈裂距离，直至示波器（18）显示的透射谱劈裂距离为零，此时第三环形谐振腔（12）的一个谐振频率点和上述记录的一个谐振频率点相重合；由于第三环形谐振腔（12）处于临界耦合状态，第二环形谐振腔（8）的该谐振频率点对应的透射结构的透射率为零；此时，传感器处于二阶奇异面上；
在二阶奇异面上，传感器具有转动信号增强效应；当传感器发生旋转时，第二环形谐振腔（8）的该谐振频率点对应的透射结构的透射率发生变化，透射率的变化诱使工作点被推离二阶奇异面，由此使得透射谱发生显著劈裂；计算机（19）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；/>表示第一直波导（3）与第一环形谐振腔（4）之间的耦合强度；/>表示透射结构的最大透射率；/>表示虚数单位；/>表示相位调制器（5）的相位；/>表示第三环形谐振腔（12）内损耗系数；/>表示角速度引起的第二环形谐振腔（8）与第三环形谐振腔（12）的谐振频率中心偏移相位差；/>表示第二弯曲波导（11）与第三环形谐振腔（12）之间的耦合系数；/>表示第二环形谐振腔（8）与第三环形谐振腔（12）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/>。
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