CN117570954A - 一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振式光学陀螺技术领域，具体是一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法。一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，包括宽谱光源、光环形器、集成相位调制器、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、锁相放大器；所述集成相位调制器包括起偏器、Y波导、铌酸锂相位调制器；所述锁相放大器包括相敏检波器、低通滤波器；宽谱光源的出射端与光环形器的第一端口连接；光环形器的第二端口与起偏器的入射端连接；起偏器的出射端与Y波导的主干端连接；铌酸锂相位调制器包覆于Y波导的两个分支上；Y波导的两个分支端与光学谐振腔耦合。本发明解决了现有谐振式光学陀螺测量精度低、成本高昂、结构复杂的问题，适用于各种导航和制导系统。
Description
技术领域
本发明涉及谐振式光学陀螺技术领域，具体是一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法。
背景技术
谐振式光学陀螺因其具有寿命长、可靠性高、参数稳定性好的优点，而被广泛应用于各种导航和制导系统。但是在实际应用中，现有谐振式光学陀螺由于自身结构所限，存在如下问题：其一，现有谐振式光学陀螺的光源采用窄线宽激光器，由此带来如下问题：1、由于窄线宽激光器发出的光具有高相干性，导致光学谐振腔中存在严重的寄生噪声，由此导致现有谐振式光学陀螺的测量精度低。2、由于窄线宽激光器的购置价格高，导致现有谐振式光学陀螺的成本高昂。其二，现有谐振式光学陀螺基于光学谐振腔的谐振频率频移量来测量角速度，因此在测量过程中需要采用额外的锁频电路来进行锁频，但是额外的锁频电路一方面会导致现有谐振式光学陀螺的结构复杂，另一方面会产生额外的噪声，由此进一步降低现有谐振式光学陀螺的测量精度。基于此，有必要发明一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法，以解决现有谐振式光学陀螺测量精度低、成本高昂、结构复杂的问题。
发明内容
本发明为了解决现有谐振式光学陀螺测量精度低、成本高昂、结构复杂的问题，提供了一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，包括宽谱光源、光环形器、集成相位调制器、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、锁相放大器；
所述集成相位调制器包括起偏器、Y波导、铌酸锂相位调制器；
所述锁相放大器包括相敏检波器、低通滤波器；
宽谱光源的出射端与光环形器的第一端口连接；光环形器的第二端口与起偏器的入射端连接；起偏器的出射端与Y波导的主干端连接；铌酸锂相位调制器包覆于Y波导的两个分支上；Y波导的两个分支端与光学谐振腔耦合；
光环形器的第三端口与光电探测器的入射端连接；光电探测器的信号输出端与相敏检波器的第一个信号输入端连接；信号发生器的信号输出端分别与铌酸锂相位调制器的调制端和相敏检波器的第二个信号输入端连接；相敏检波器的信号输出端与低通滤波器的信号输入端连接；低通滤波器的信号输出端作为陀螺的信号输出端。
一种基于宽谱光源的角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，将陀螺的信号输出端与PC机连接；
然后，控制陀螺进入工作模式；工作模式具体为：宽谱光源发出的光经光环形器入射到起偏器，并经起偏器变成偏振光后入射到Y波导，然后经Y波导分为功率相等的两路光信号：第一路光信号经铌酸锂相位调制器进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿顺时针方向进行传播后返回Y波导；第二路光信号经铌酸锂相位调制器进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿逆时针方向进行传播后返回Y波导；两路光信号返回后在Y波导中发生干涉，所产生的干涉信号依次经起偏器、光环形器入射到光电探测器，并经光电探测器转换为电信号；电信号经锁相放大器进行解调后传输至PC机，PC机根据解调结果得出干涉信号的光功率；在此过程中，信号发生器输出的正弦调制信号一方面施加至铌酸锂相位调制器，另一方面作为解调参考信号施加至锁相放大器；
在工作模式下，当陀螺进行旋转时，干涉信号的光功率发生变化，PC机根据干涉信号的光功率变化量即可计算得出角速度。
与现有谐振式光学陀螺相比，本发明所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法具有如下优点：其一，本发明的光源不再采用窄线宽激光器，而是采用宽谱光源，由此带来了如下优点：1、相较于窄线宽激光器，宽谱光源发出的光具有低相干性，由此有效抑制了光学谐振腔中的寄生噪声，从而有效提高了测量精度。2、相较于窄线宽激光器，宽谱光源的购置价格低，由此有效降低了成本。其二，本发明不再基于光学谐振腔的谐振频率频移量来测量角速度，而是基于干涉信号的光功率变化量来测量角速度，因此在测量过程中无需采用额外的锁频电路来进行锁频，由此一方面有效简化了结构，另一方面有效避免了额外的噪声，从而进一步提高了测量精度。
本发明有效解决了现有谐振式光学陀螺测量精度低、成本高昂、结构复杂的问题，适用于各种导航和制导系统。
附图说明
图1是本发明中实施例一的结构示意图。
图2是本发明中实施例二的结构示意图。
图3是本发明中实施例三的结构示意图。
图4是本发明中实施例四的结构示意图。
图中：1-宽谱光源，2-光环形器，3-集成相位调制器，3a-起偏器，3b-Y波导，3c-铌酸锂相位调制器，4a-光纤环形谐振腔，4b-波导环形谐振腔，4c-棱镜耦合晶体腔，4d-光纤耦合晶体腔，5-光电探测器，6-信号发生器，7-锁相放大器，7a-相敏检波器，7b-低通滤波器，8-光纤耦合器。
具体实施方式
实施例一
一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，包括宽谱光源1、光环形器2、集成相位调制器3、光学谐振腔、光电探测器5、信号发生器6、锁相放大器7；
所述集成相位调制器3包括起偏器3a、Y波导3b、铌酸锂相位调制器3c；
所述锁相放大器7包括相敏检波器7a、低通滤波器7b；
宽谱光源1的出射端与光环形器2的第一端口连接；光环形器2的第二端口与起偏器3a的入射端连接；起偏器3a的出射端与Y波导3b的主干端连接；铌酸锂相位调制器3c包覆于Y波导3b的两个分支上；Y波导3b的两个分支端与光学谐振腔耦合；
光环形器2的第三端口与光电探测器5的入射端连接；光电探测器5的信号输出端与相敏检波器7a的第一个信号输入端连接；信号发生器6的信号输出端分别与铌酸锂相位调制器3c的调制端和相敏检波器7a的第二个信号输入端连接；相敏检波器7a的信号输出端与低通滤波器7b的信号输入端连接；低通滤波器7b的信号输出端作为陀螺的信号输出端。
所述宽谱光源1为ASE光源；所述Y波导3b的分光比为50:50。
在本实施例中，如图1所示，所述光学谐振腔为光纤环形谐振腔4a；还包括光纤耦合器8；Y波导3b的两个分支端通过光纤耦合器8与光纤环形谐振腔4a耦合。
一种基于宽谱光源的角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，将陀螺的信号输出端与PC机连接；
然后，控制陀螺进入工作模式；工作模式具体为：宽谱光源1发出的光经光环形器2入射到起偏器3a，并经起偏器3a变成偏振光后入射到Y波导3b，然后经Y波导3b分为功率相等的两路光信号：第一路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿顺时针方向进行传播后返回Y波导3b；第二路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿逆时针方向进行传播后返回Y波导3b；两路光信号返回后在Y波导3b中发生干涉，所产生的干涉信号依次经起偏器3a、光环形器2入射到光电探测器5，并经光电探测器5转换为电信号；电信号经锁相放大器7进行解调后传输至PC机，PC机根据解调结果得出干涉信号的光功率；在此过程中，信号发生器6输出的正弦调制信号一方面施加至铌酸锂相位调制器3c，另一方面作为解调参考信号施加至锁相放大器7；
在工作模式下，当陀螺进行旋转时，干涉信号的光功率发生变化，PC机根据干涉信号的光功率变化量即可计算得出角速度。
铌酸锂相位调制器3c的相位调制系数为1.43rad。
实施例二
一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，包括宽谱光源1、光环形器2、集成相位调制器3、光学谐振腔、光电探测器5、信号发生器6、锁相放大器7；
所述集成相位调制器3包括起偏器3a、Y波导3b、铌酸锂相位调制器3c；
所述锁相放大器7包括相敏检波器7a、低通滤波器7b；
宽谱光源1的出射端与光环形器2的第一端口连接；光环形器2的第二端口与起偏器3a的入射端连接；起偏器3a的出射端与Y波导3b的主干端连接；铌酸锂相位调制器3c包覆于Y波导3b的两个分支上；Y波导3b的两个分支端与光学谐振腔耦合；
光环形器2的第三端口与光电探测器5的入射端连接；光电探测器5的信号输出端与相敏检波器7a的第一个信号输入端连接；信号发生器6的信号输出端分别与铌酸锂相位调制器3c的调制端和相敏检波器7a的第二个信号输入端连接；相敏检波器7a的信号输出端与低通滤波器7b的信号输入端连接；低通滤波器7b的信号输出端作为陀螺的信号输出端。
所述宽谱光源1为ASE光源；所述Y波导3b的分光比为50:50。
在本实施例中，如图2所示，所述光学谐振腔为波导环形谐振腔4b；还包括光纤耦合器8；Y波导3b的两个分支端通过光纤耦合器8与波导环形谐振腔4b耦合。
一种基于宽谱光源的角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，将陀螺的信号输出端与PC机连接；
然后，控制陀螺进入工作模式；工作模式具体为：宽谱光源1发出的光经光环形器2入射到起偏器3a，并经起偏器3a变成偏振光后入射到Y波导3b，然后经Y波导3b分为功率相等的两路光信号：第一路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿顺时针方向进行传播后返回Y波导3b；第二路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿逆时针方向进行传播后返回Y波导3b；两路光信号返回后在Y波导3b中发生干涉，所产生的干涉信号依次经起偏器3a、光环形器2入射到光电探测器5，并经光电探测器5转换为电信号；电信号经锁相放大器7进行解调后传输至PC机，PC机根据解调结果得出干涉信号的光功率；在此过程中，信号发生器6输出的正弦调制信号一方面施加至铌酸锂相位调制器3c，另一方面作为解调参考信号施加至锁相放大器7；
在工作模式下，当陀螺进行旋转时，干涉信号的光功率发生变化，PC机根据干涉信号的光功率变化量即可计算得出角速度。
铌酸锂相位调制器3c的相位调制系数为1.43rad。
实施例三
一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，包括宽谱光源1、光环形器2、集成相位调制器3、光学谐振腔、光电探测器5、信号发生器6、锁相放大器7；
所述集成相位调制器3包括起偏器3a、Y波导3b、铌酸锂相位调制器3c；
所述锁相放大器7包括相敏检波器7a、低通滤波器7b；
宽谱光源1的出射端与光环形器2的第一端口连接；光环形器2的第二端口与起偏器3a的入射端连接；起偏器3a的出射端与Y波导3b的主干端连接；铌酸锂相位调制器3c包覆于Y波导3b的两个分支上；Y波导3b的两个分支端与光学谐振腔耦合；
光环形器2的第三端口与光电探测器5的入射端连接；光电探测器5的信号输出端与相敏检波器7a的第一个信号输入端连接；信号发生器6的信号输出端分别与铌酸锂相位调制器3c的调制端和相敏检波器7a的第二个信号输入端连接；相敏检波器7a的信号输出端与低通滤波器7b的信号输入端连接；低通滤波器7b的信号输出端作为陀螺的信号输出端。
所述宽谱光源1为ASE光源；所述Y波导3b的分光比为50:50。
在本实施例中，如图3所示，所述光学谐振腔为棱镜耦合晶体腔4c；Y波导3b的两个分支端直接与棱镜耦合晶体腔4c耦合。
一种基于宽谱光源的角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，将陀螺的信号输出端与PC机连接；
然后，控制陀螺进入工作模式；工作模式具体为：宽谱光源1发出的光经光环形器2入射到起偏器3a，并经起偏器3a变成偏振光后入射到Y波导3b，然后经Y波导3b分为功率相等的两路光信号：第一路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿顺时针方向进行传播后返回Y波导3b；第二路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿逆时针方向进行传播后返回Y波导3b；两路光信号返回后在Y波导3b中发生干涉，所产生的干涉信号依次经起偏器3a、光环形器2入射到光电探测器5，并经光电探测器5转换为电信号；电信号经锁相放大器7进行解调后传输至PC机，PC机根据解调结果得出干涉信号的光功率；在此过程中，信号发生器6输出的正弦调制信号一方面施加至铌酸锂相位调制器3c，另一方面作为解调参考信号施加至锁相放大器7；
在工作模式下，当陀螺进行旋转时，干涉信号的光功率发生变化，PC机根据干涉信号的光功率变化量即可计算得出角速度。
铌酸锂相位调制器3c的相位调制系数为1.43rad。
实施例四
一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，包括宽谱光源1、光环形器2、集成相位调制器3、光学谐振腔、光电探测器5、信号发生器6、锁相放大器7；
所述集成相位调制器3包括起偏器3a、Y波导3b、铌酸锂相位调制器3c；
所述锁相放大器7包括相敏检波器7a、低通滤波器7b；
宽谱光源1的出射端与光环形器2的第一端口连接；光环形器2的第二端口与起偏器3a的入射端连接；起偏器3a的出射端与Y波导3b的主干端连接；铌酸锂相位调制器3c包覆于Y波导3b的两个分支上；Y波导3b的两个分支端与光学谐振腔耦合；
光环形器2的第三端口与光电探测器5的入射端连接；光电探测器5的信号输出端与相敏检波器7a的第一个信号输入端连接；信号发生器6的信号输出端分别与铌酸锂相位调制器3c的调制端和相敏检波器7a的第二个信号输入端连接；相敏检波器7a的信号输出端与低通滤波器7b的信号输入端连接；低通滤波器7b的信号输出端作为陀螺的信号输出端。
所述宽谱光源1为ASE光源；所述Y波导3b的分光比为50:50。
在本实施例中，如图4所示，所述光学谐振腔为光纤耦合晶体腔4d；Y波导3b的两个分支端直接与光纤耦合晶体腔4d耦合。
一种基于宽谱光源的角速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，将陀螺的信号输出端与PC机连接；
然后，控制陀螺进入工作模式；工作模式具体为：宽谱光源1发出的光经光环形器2入射到起偏器3a，并经起偏器3a变成偏振光后入射到Y波导3b，然后经Y波导3b分为功率相等的两路光信号：第一路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿顺时针方向进行传播后返回Y波导3b；第二路光信号经铌酸锂相位调制器3c进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿逆时针方向进行传播后返回Y波导3b；两路光信号返回后在Y波导3b中发生干涉，所产生的干涉信号依次经起偏器3a、光环形器2入射到光电探测器5，并经光电探测器5转换为电信号；电信号经锁相放大器7进行解调后传输至PC机，PC机根据解调结果得出干涉信号的光功率；在此过程中，信号发生器6输出的正弦调制信号一方面施加至铌酸锂相位调制器3c，另一方面作为解调参考信号施加至锁相放大器7；
在工作模式下，当陀螺进行旋转时，干涉信号的光功率发生变化，PC机根据干涉信号的光功率变化量即可计算得出角速度。
铌酸锂相位调制器3c的相位调制系数为1.43rad。
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 (8)
1.一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，其特征在于：包括宽谱光源（1）、光环形器（2）、集成相位调制器（3）、光学谐振腔、光电探测器（5）、信号发生器（6）、锁相放大器（7）；
所述集成相位调制器（3）包括起偏器（3a）、Y波导（3b）、铌酸锂相位调制器（3c）；
所述锁相放大器（7）包括相敏检波器（7a）、低通滤波器（7b）；
宽谱光源（1）的出射端与光环形器（2）的第一端口连接；光环形器（2）的第二端口与起偏器（3a）的入射端连接；起偏器（3a）的出射端与Y波导（3b）的主干端连接；铌酸锂相位调制器（3c）包覆于Y波导（3b）的两个分支上；Y波导（3b）的两个分支端与光学谐振腔耦合；
光环形器（2）的第三端口与光电探测器（5）的入射端连接；光电探测器（5）的信号输出端与相敏检波器（7a）的第一个信号输入端连接；信号发生器（6）的信号输出端分别与铌酸锂相位调制器（3c）的调制端和相敏检波器（7a）的第二个信号输入端连接；相敏检波器（7a）的信号输出端与低通滤波器（7b）的信号输入端连接；低通滤波器（7b）的信号输出端作为陀螺的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述宽谱光源（1）为ASE光源；所述Y波导（3b）的分光比为50:50。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述光学谐振腔为光纤环形谐振腔（4a）；还包括光纤耦合器（8）；Y波导（3b）的两个分支端通过光纤耦合器（8）与光纤环形谐振腔（4a）耦合。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述光学谐振腔为波导环形谐振腔（4b）；还包括光纤耦合器（8）；Y波导（3b）的两个分支端通过光纤耦合器（8）与波导环形谐振腔（4b）耦合。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述光学谐振腔为棱镜耦合晶体腔（4c）；Y波导（3b）的两个分支端直接与棱镜耦合晶体腔（4c）耦合。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述光学谐振腔为光纤耦合晶体腔（4d）；Y波导（3b）的两个分支端直接与光纤耦合晶体腔（4d）耦合。
7.一种基于宽谱光源的角速度测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
首先，将陀螺的信号输出端与PC机连接；
然后，控制陀螺进入工作模式；工作模式具体为：宽谱光源（1）发出的光经光环形器（2）入射到起偏器（3a），并经起偏器（3a）变成偏振光后入射到Y波导（3b），然后经Y波导（3b）分为功率相等的两路光信号：第一路光信号经铌酸锂相位调制器（3c）进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿顺时针方向进行传播后返回Y波导（3b）；第二路光信号经铌酸锂相位调制器（3c）进行调制后耦合进入光学谐振腔，并在光学谐振腔中沿逆时针方向进行传播后返回Y波导（3b）；两路光信号返回后在Y波导（3b）中发生干涉，所产生的干涉信号依次经起偏器（3a）、光环形器（2）入射到光电探测器（5），并经光电探测器（5）转换为电信号；电信号经锁相放大器（7）进行解调后传输至PC机，PC机根据解调结果得出干涉信号的光功率；在此过程中，信号发生器（6）输出的正弦调制信号一方面施加至铌酸锂相位调制器（3c），另一方面作为解调参考信号施加至锁相放大器（7）；
在工作模式下，当陀螺进行旋转时，干涉信号的光功率发生变化，PC机根据干涉信号的光功率变化量即可计算得出角速度。
8.根据权利要求7所述的一种基于宽谱光源的角速度测量方法，其特征在于：铌酸锂相位调制器（3c）的相位调制系数为1.43rad。
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| CN202410051226.8A CN117570954A (zh) | 2024-01-15 | 2024-01-15 | 一种基于宽谱光源的谐振式光学陀螺及角速度测量方法 |
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2024
- 2024-01-15 CN CN202410051226.8A patent/CN117570954A/zh active Pending
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