CN220136355U - 一种谐振式光学陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种谐振式光学陀螺仪，包括：光学谐振单元、可调谐激光器、光电探测器和信号处理与控制系统，光学谐振单元包括总线波导和至少两个波导环；信号处理与控制系统分别与光电探测器和可调谐激光器信号连接；光学谐振单元中，总线波导与第一波导环相邻，第一波导环和第二波导环相邻，第一波导环与总线波导和第二波导环邻近部位均存在光耦合，信号处理与控制系统根据双环谐振谱线得到双环的自由光谱范围，当存在外界角速度时，根据双环的自由光谱范围的变化量计算外界角速度的大小，相较于现有技术，本公开的谐振式光学陀螺仪结构简单，可以极大地提升陀螺仪的角速度敏感度。

Description

一种谐振式光学陀螺仪

技术领域

本公开涉及陀螺仪技术领域，具体涉及一种谐振式光学陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种角速度传感器，用以敏感角速度，可应用于导弹、飞机等的惯性导航。谐振式光学陀螺仪通常以光学谐振环为基础，光学谐振环是一种环形光学器件，如图1所示，光学谐振环由总线波导和波导环组成。

现有的谐振式光学陀螺仪的一般结构如图2所示，整个陀螺系统由可调谐激光器、隔离器、电光调制器、光电探测器、谐振环、信号处理与控制系统等器件构成，结构较复杂且角速度敏感度较低。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种谐振式光学陀螺仪，以简化谐振式光学陀螺仪，并提高角速度测量敏感度。

本公开实施例提供一种谐振式光学陀螺仪，包括：

光学谐振单元、可调谐激光器、光电探测器和信号处理与控制系统，所述光学谐振单元包括总线波导和至少两个波导环，所述两个波导环分别为第一波导环和第二波导环；

所述可调谐激光器设置在所述总线波导的输入端，所述光电探测器设置在所述总线波导的输出端，所述信号处理与控制系统分别与所述光电探测器和所述可调谐激光器信号连接；

所述光学谐振单元中，总线波导与第一波导环相邻，第一波导环和第二波导环相邻，第一波导环与总线波导和第二波导环邻近部位均存在光耦合；

所述信号处理与控制系统，用于输出扫频信号至所述可调谐激光器，以使所述可调谐激光器输出连续线性扫频激光；

所述可调谐激光器发出的激光经总线波导耦合进入第一波导环，之后又耦合进入第二波导环；所述可调谐激光器输入激光的频率同时满足第一波导环和第二波导环的谐振条件；

所述光电探测器，用于采集通过第一波导环和第二波导环后输出光的光强，得到第一波导环和第二波导环的频率响应谱，即双环谐振谱线；

所述信号处理与控制系统，还用于根据所述双环谐振谱线得到双环的自由光谱范围，当存在外界角速度时，根据所述双环的自由光谱范围的变化计算外界角速度的大小。

根据本公开的一些实施方式中，所述第一波导环和第二波导环的腔长差设置为：使双环谐振谱线在所述可调谐激光器扫频范围足够扫描出两个完整的深谐振谷的情况下能够达到的最大值。

根据本公开的一些实施方式中，所述第一波导环的总长大于所述第二波导环的总长。

根据本公开的一些实施方式中，所述第一波导环和第二波导环中心的连线垂直于所述总线波导。

根据本公开的一些实施方式中，所述第一波导环和第二波导环的形状相同。

根据本公开的一些实施方式中，所述第一波导环和第二波导环的形状不同。

根据本公开的一些实施方式中，所述波导环的形状为圆形、跑道形或矩形。

本公开与现有技术相比的优点在于：

本公开提供的谐振式光学陀螺仪，包括：光学谐振单元、可调谐激光器、光电探测器和信号处理与控制系统，所述光学谐振单元包括总线波导和至少两个波导环，所述两个波导环分别为第一波导环和第二波导环；所述可调谐激光器设置在所述总线波导的输入端，所述光电探测器设置在所述总线波导的输出端，所述信号处理与控制系统分别与所述光电探测器和所述可调谐激光器信号连接；所述光学谐振单元中，总线波导与第一波导环相邻，第一波导环和第二波导环相邻，第一波导环与总线波导和第二波导环邻近部位均存在光耦合，信号处理与控制系统根据双环谐振谱线得到双环的自由光谱范围，当存在外界角速度时，根据所述双环的自由光谱范围的变化量计算外界角速度的大小，相较于现有技术，本公开的谐振式光学陀螺仪结构简单，基于谐振谱线游标效应的双环结构可以极大地提升陀螺仪的角速度敏感度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了现有的一种光学谐振环的结构示意图；

图2示出了现有的一种谐振式光学陀螺仪的结构示意图；

图3示出了图1所示光学谐振环的谐振谱线的示意图；

图4示出了本公开所提供的一种谐振式光学陀螺仪的结构示意图；

图5示出了本公开所提供的双环谐振谱线的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

如图1所示的光学谐振环由总线波导和一个波导环组成，这里的波导可以是光纤，也可以是SOI、Si3N4等材料构成的片上光波导，图1中波导环以圆形示例，实际还可以是跑道形、矩形等各种形状。总线波导与波导环邻近位置存在光耦合，经输入端进入总线波导的光在经过耦合部位时可耦合进入波导环内。

波导环实际上是一种环形谐振腔，耦合进入波导环内的光频率满足下式条件时即可在腔内发生谐振：

式中，f为光频率，L为波导环总长，c为光速，n_eff为波导环波导的有效折射率，当输入光在波导环内发生谐振时则会被部分限制在腔内，无法从总线波导输出端输出，由(1)式可知可在腔内谐振的光频率呈周期性分布，且相邻两个谐振频率之间的间隔，即自由光谱范围为：

此时利用可调谐激光器在输入端输入连续线性扫频激光，在输出端采集通过谐振环后的输出光功率，即可得到谐振环的频率响应谱，即其谐振谱线，谐振谱线的示意图如图3所示。图3中展示了波导环的两个谐振谷，f₁和f₂是波导环的两个谐振频率，二者之间的频率差为自由光谱范围f_FSR。

谐振式光学陀螺仪是一种以Sagnac效应为基础设计的陀螺仪，Sagnac效应以相对论为原理，即运动的物体其长度会发生变化，所以外界旋转角速度会使波导环的腔长发生变化，当外界角速度方向与光传播方向相同时，波导环的腔长会变长，当外界角速度方向与光传播方向相反时，波导环的腔长会变短，此时，由(1)式可知波导环中顺逆时针两路光的谐振频率都会发生偏移，二者之间则会产生一个微小的频率差值Δf，在一定范围内这一频率差值与角速度存在正比关系：

式中，Ω为角速度，n为折射率，λ₀为光波在真空中的波长，D为波导环环路直径，实际应用中，可利用光电探测器探测波导环中顺逆时针两路光的光强P₁、P₂，通过调相谱技术对陀螺仪信号进行调制解调得到频率差Δf，并根据(3)式关系解算出外界旋转角速度的大小。

谐振式光学陀螺仪的一般结构如图2所示，整个陀螺系统由可调谐激光器、隔离器、电光调制器、光电探测器、谐振环、信号处理与控制系统等器件构成，图中实线链路表示光学通路，虚线链路表示电学通路，其中光学通路由可调谐激光器提供窄线宽光源，经隔离器I后由1分2分束器C₀分为等光强的两路光，其中一路经相位调制器P₁调制后耦合到谐振环沿逆时针方向传输，之后经耦合器C₁耦合进光电探测器D₁，另外一路经相位调制器P₂调制后沿硅基谐振环顺时针方向传输，之后经耦合器C₂耦合进光电探测器D₂，信号调制与控制系统将对光电探测器D₁、D₂探测到的两路光的光强信号进行解调处理并判断顺逆两束光的频率相对于硅基谐振环的谐振中心频率的偏移量，之后信号调制与控制系统将频率跟踪信号发送至可调谐激光器，使光源频率与顺逆时针两路中一路光的谐振频率始终保持一致，此时根据另一路光的输出光功率值即可判断顺逆两束光的谐振频率差值，进而解算出外界角速度值。

本申请提供了一种具有两个环形谐振腔的谐振式光学陀螺仪，由上述相关技术可知，环形谐振腔(简称谐振环)发生转动时，其长度会发生改变，根据(2)式可知，腔长变化会使环内谐振光的自由光谱范围f_FSR会发生改变，本申请则基于这一原理，通过采集外界角速度造成的谐振环的f_FSR变化敏感角速度。

因为外界角速度导致的单谐振环f_FSR变化太小，其变化难以被探测到，为增加陀螺仪的敏感度，本申请设计了双谐振环结构。图4示出了本公开所提供的一种谐振式光学陀螺仪的示意图，如图4所示，本公开提供的谐振式光学陀螺仪，包括：

光学谐振单元、可调谐激光器100、光电探测器200和信号处理与控制系统300，所述光学谐振环包括总线波导410和至少两个波导环，所述两个波导环分别为第一波导环420和第二波导环430。可选的，上述波导环的形状可以设置为圆形、跑道形或矩形等形状。

根据本申请的一些实施方式中，可设置第一波导环420的总长大于第二波导环430的总长，第一波导环420和第二波导环430中心的连线垂直于总线波导410。

根据本公开的一些实施方式中，第一波导环420和第二波导环430的形状相同，例如均为圆形。所述第一波导环420和第二波导环430的形状也可以不同，例如一个为圆形，另一个为跑道形。

可调谐激光器100设置在总线波导410的输入端，光电探测器200设置在总线波导410的输出端，信号处理与控制系统300分别与光电探测器200和可调谐激光器100信号连接。

所述光学谐振单元中，总线波导410与第一波导环420相邻，第一波导环420和第二波导环430相邻，第一波导环420与总线波导410和第二波导环430邻近部位均存在光耦合。

信号处理与控制系统300用于输出扫频信号至可调谐激光器100，以使可调谐激光器100输出连续线性扫频激光。

可调谐激光器100发出的激光经总线波导410耦合进入第一波导环420，之后又耦合进入第二波导环430；可调谐激光器100输入激光的频率可同时满足第一波导环420和第二波导环430的谐振条件。当输入激光频率满足任一波导环的谐振条件时，激光即可部分被限制在波导环内，而当输入激光频率同时满足第一波导环420和第二波导环430的谐振条件时，则激光会更多地被限制在两波导环内。

光电探测器200用于采集通过第一波导环420和第二波导环430后输出光的光强，得到第一波导环420和第二波导环430的频率响应谱，即双环谐振谱线。

信号处理与控制系统300还用于根据双环谐振谱线得到双环的自由光谱范围，当存在外界角速度时，根据双环的自由光谱范围的变化量计算外界角速度的大小。

如图5所示，假如第一波导环420和第二波导环430的谐振曲线分别为曲线1和曲线2，可知双环谐振谱线为二者的叠加即如图5中曲线3所示，可知曲线3的深谐振谷出现的频率为第一波导环420和第二波导环430的谐振曲线谐振谷出现的频率的差值，此时，如第一波导环420和第二波导环430之间的腔长差值很小，则二者谐振曲线中谐振谷出现的频率差就很小，也即双环深谐振谷出现的频率很小，即其自由光谱范围f_FSR很大，此时，当存在外界角速度时，会使第一波导环420和第二波导环430的腔长同时发生改变，且因为光在二者中传播方向是相反的，所以同一外界角速度引起的二者腔长变化趋势也是相反的，最终会引起双环深谐振谷f_FSR的明显变化，其变化量的大小与外界角速度的大小成正比，此时即可通过探测到的双环谐振谱线f_FSR计算外界角速度的大小。

根据本申请的一些实施方式中，第一波导环420和第二波导环430的腔长差设置为：使双环谐振谱线在所述可调谐激光器扫频范围足够扫描出两个完整的深谐振谷的情况下能够达到的最大值。

也就是说，实际应用中可合理设置双环腔长差使双环的f_FSR在可调谐激光器扫频范围足够扫描出两个完整的深谐振谷的情况下尽可能的大，从而获得最大的角速度敏感度。

本公开与现有技术相比的优点在于：

本公开提出的谐振式光学陀螺仪结构简单，利用两个环形谐振腔的Sagnac效应及游标效应导致的双环谐振谱线自由光谱范围变化，来敏感外界角速度，相对于传统的谐振式光学陀螺仪，不需要跟踪谐振频率，所以对信号控制系统要求较低，不需要复杂的信号调制解调技术，所以不需要相位调制器，同时基于谐振谱线游标效应的双环结构可以极大地提升陀螺仪的角速度敏感度。

本公开还提供了一种角速度测量方法，该方法基于上述实施例中的谐振式光学陀螺仪，该方法包括以下步骤：

信号处理与控制系统输出扫频信号至可调谐激光器；

所述可调谐激光器向总线波导输出连续线性扫频激光，该激光经总线波导耦合进入第一波导环，之后又耦合进入第二波导环；所述可调谐激光器输入激光的频率同时满足第一波导环和第二波导环的谐振条件；

光电探测器采集通过第一波导环和第二波导环后输出光的光强，得到第一波导环和第二波导环的频率响应谱，即双环谐振谱线；

所述信号处理与控制系统根据所述双环谐振谱线得到双环的自由光谱范围；

当存在外界角速度时，所述信号处理与控制系统根据所述双环的自由光谱范围的变化量计算外界角速度的大小。

本公开与现有技术相比的优点在于：

本公开提出的角速度测量方法，利用两个环形谐振腔的Sagnac效应及游标效应导致的双环谐振谱线自由光谱范围变化，来敏感外界角速度，相对于传统的谐振式光学陀螺仪，不需要跟踪谐振频率，所以对信号控制系统要求较低，不需要复杂的信号调制解调技术，所以不需要相位调制器，角速度测量敏感度较高。

为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (7)

1.一种谐振式光学陀螺仪，其特征在于，包括：光学谐振单元、可调谐激光器、光电探测器和信号处理与控制系统，所述光学谐振单元包括总线波导和至少两个波导环，所述两个波导环分别为第一波导环和第二波导环；

所述可调谐激光器设置在所述总线波导的输入端，所述光电探测器设置在所述总线波导的输出端，所述信号处理与控制系统分别与所述光电探测器和所述可调谐激光器信号连接；

所述光学谐振单元中，总线波导与第一波导环相邻，第一波导环和第二波导环相邻，第一波导环与总线波导和第二波导环邻近部位均存在光耦合。

2.根据权利要求1所述的谐振式光学陀螺仪，其特征在于，所述第一波导环和第二波导环的腔长差设置为：使双环谐振谱线在所述可调谐激光器扫频范围足够扫描出两个完整的深谐振谷的情况下能够达到的最大值。

3.根据权利要求2所述的谐振式光学陀螺仪，其特征在于，所述第一波导环的总长大于所述第二波导环的总长。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振式光学陀螺仪，其特征在于，所述第一波导环和第二波导环中心的连线垂直于所述总线波导。

5.根据权利要求1所述的谐振式光学陀螺仪，其特征在于，所述第一波导环和第二波导环的形状相同。

6.根据权利要求1所述的谐振式光学陀螺仪，其特征在于，所述第一波导环和第二波导环的形状不同。

7.根据权利要求1所述的谐振式光学陀螺仪，其特征在于，所述波导环的形状为圆形、跑道形或矩形。