基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺的製作方法
2023-09-12 13:37:55
專利名稱：基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學傳感及信號檢測領域，尤其涉及一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺
背景技術：
諧振式光學陀螺(Resonator Optic Gyroscope, R0G)是一種基於Sagnac效應實現角速度檢測的高精度慣性傳感器，它通過檢測系統中順逆時針傳輸光產生的諧振頻差得到物體的旋轉角速度。相比於幹涉式光學陀螺，諧振式光學陀螺在小型化和集成化上具有較大優勢。採用單路閉環的ROG的檢測方案主要通過將雷射器的中心頻率鎖定在其中一路的諧振頻率上，另一路直接檢測有效信號。採用單路閉環的R0G，通過第一個鎖定環路的設計，可部分減小雷射器頻率噪聲及其他互易性噪聲，但從整個環路系統看，並不滿足系統的互易性設計要求。由於雷射器頻率噪聲和由外界環境變化引起的諧振腔諧振頻率的漂移是 ROG中最重要的噪聲來源，單路閉環的陀螺系統主要通過極窄的低通濾波器達到噪聲抑制的要求。然而，過窄的低通濾波器則會大大降低系統的響應速度，不滿足陀螺的應用要求， 而且單路閉環的ROG輸出動態範圍和線性度有限。在單路閉環的ROG系統中，當陀螺轉動時，兩路的光並不都處於諧振點上，導致諧振腔內兩路的光功率不同，引入光學克爾噪聲。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺。一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺包括由可調諧雷射器、光學分路器、第一移頻器、第二移頻器、第一調製器、第二調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路；可調諧雷射器、光學分路器、第一移頻器、第一調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二移頻器、第二調製器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺包括由可調諧雷射器、光學分路器、第一調製器、第二調製器、第一移頻器、第二移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路。可調諧雷射器與光學分路器、第一調製器、第一移頻器、光學諧振腔、 光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二調製器、第二移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。—種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺包括由可調諧雷射器、調製器、光學分路器、第一移頻器、第二移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路。 可調諧雷射器與調製器、光學分路器、第一移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺包括由可調諧雷射器、光學分路器、第一調製移頻器、第二調製移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路。可調諧雷射器與光學分路器、第一調製移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二調製移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連， 調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。所述的第一移頻器和第二移頻器的移頻量作差作為陀螺的輸出信號。所述的第一調製移頻器和第二調製移頻器的移頻量作差作為陀螺的輸出信號。所述的第一移頻器和第二移頻器為聲光移頻器或光學相位調製器。所述的第一調製移頻器和第二調製移頻器為聲光移頻器或光學相位調製器。所述的光學諧振腔為光纖器件或集成光學器件。所述的光學諧振腔為透射式光學諧振腔或反射式光學諧振腔。本發明與現有技術相比具有的有益效果
1)本發明提供的基於雙路閉環鎖定技術的ROG系統，對於陀螺目前的主要噪聲來說， 是完全互易的。2)本發明提供的基於雙路閉環鎖定技術的ROG系統，利用在雷射器反饋迴路加入第一移頻器反饋迴路，以雷射器反饋迴路為主，第一移頻器反饋迴路為輔的原則，實現對外界擾動的快速響應，同時提高鎖定精度。3)本發明提供的基於雙路閉環鎖定技術的ROG系統，相比單路閉環的諧振式光學陀螺，可以提高更好的線性度和更大的動態範圍。4)本發明提供的基於雙路閉環鎖定技術的ROG系統，可以使順逆時針兩路光都鎖定在諧振頻率點上，使諧振腔內的功率完全相同，減小陀螺系統中的光學克爾噪聲。
圖1是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺I型結構示意圖； 圖2是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺II型結構示意圖3是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺III型結構示意圖； 圖4是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺IV型結構示意圖； 圖5 (a)是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺靜止時順逆時針諧振頻率、雷射器頻率、以及第一移頻器移頻量和第二移頻器移頻量的關係示意圖5 (b)是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺轉動時順逆時針諧振頻率、雷射器頻率、以及第一移頻器移頻量和第二移頻器移頻量的關係示意圖6是基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺的具體實施示意圖； 圖中可調諧雷射器1、隔離器2、光學分路器3、第一聲光移頻器4、第二聲光移頻器5、 第一相位調製器6、第二相位調製器7、第一環形器8、第二環形器9、光學環形諧振腔10、第一光電轉換模塊11、第二光電轉換模塊12、第一信號發生器13、第二信號發生器14、第一鎖相放大器15、第二鎖相放大器16、第一低通濾波器17、第二低通濾波器18、第三低通濾波器19、第一反饋鎖定模塊20、第二反饋鎖定模塊21、第三反饋鎖定模塊22、第一壓控振蕩器 23、第二壓控振蕩器24，頻率計25。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明不僅限於此。如圖1所示，基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺I型包括由可調諧雷射器、光學分路器、第一移頻器、第二移頻器、第一調製器、第二調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路；可調諧雷射器、光學分路器、第一移頻器、第一調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二移頻器、第二調製器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。如圖2所示，基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺II型包括由可調諧雷射器、光學分路器、第一調製器、第二調製器、第一移頻器、第二移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路。可調諧雷射器與光學分路器、第一調製器、第一移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二調製器、第二移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。如圖3所示，基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺III型包括由可調諧雷射器、調製器、光學分路器、第一移頻器、第二移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路。可調諧雷射器與調製器、光學分路器、第一移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。所述的第一移頻器和第二移頻器的移頻量作差作為陀螺的輸出信號。所述的第一調製移頻器和第二調製移頻器的移頻量作差作為陀螺的輸出信號。如圖4所示，基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺IV型包括由可調諧雷射器、光學分路器、第一調製移頻器、第二調製移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路。可調諧雷射器與光學分路器、第一調製移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、 調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二調製移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連，第一調製移頻器和第二調製移頻器的移頻量作差得到陀螺的轉動信號。所述的第一移頻 器和第二移頻器為聲光移頻器或光學相位調製器。所述的第一調製移頻器和第二調製移頻器為聲光移頻器或光學相位調製器。所述的光學諧振腔為光纖器件或集成光學器件。所述的光學諧振腔為透射式光學諧振腔或反射式光學諧振腔。可調諧雷射器發出的光由光學分路器分成兩路，經過移頻器和調製器等光學器件後進入光學諧振腔，在光學諧振腔內傳輸的順逆時針的兩束光將帶有轉動信息的信號以光學頻率差的形式輸出到光電轉換模塊；光電轉換模塊將敏感得到的順逆時針的光學信號轉換為電學信號，並輸出到後端的調製解調模塊中；調製解調模塊，主要分為調製和解調兩部分，調製部分產生調製信號用於光學系統中調製器的光信號調製，並提供解調所需的同步信號，解調部分將光電轉換模塊輸出的頻率差信號通過解調轉化為電壓差信號，實現陀螺信號的提取，並輸出到反饋鎖定模塊；反饋鎖定模塊完成對順逆時針兩個光路解調輸出信號的伺服反饋控制，由調製解調模塊提取的第一路信號經過第一反饋鎖定模塊和第二反饋鎖定模塊分別改變雷射器和第一移頻器的移頻量，由調製解調模塊提取的第二路信號經過第三個反饋鎖定模塊改變第二移頻器的移頻量；通過控制雷射器頻率控制迴路的環路總增益遠大於第一移頻器頻率控制迴路的環路總增益的條件下，雷射器頻率控制迴路作為主控制迴路，用於跟蹤光學諧振腔第一路信號的諧振頻率，第一移頻器頻率控制迴路作為輔控制迴路，用於跟蹤環路噪聲，實現對外界擾動的快速響應；第二個移頻器頻率控制迴路，用於跟蹤諧振腔第二路信號的諧振頻率，同時跟蹤環路噪聲，當第一移頻器頻率控制迴路和第二移頻器頻率控制迴路的環路參數互易的情況下，第一移頻器和第二移頻器跟蹤出完全相同的環路噪聲；通過對順逆時針光路的第一移頻器和第二移頻器的移頻量作差，不僅得到了陀螺的轉動信號，還進一步消除了順逆時針兩個環路中的互易性噪聲。相比於傳統的基於單路閉環的諧振式光學陀螺，通過引入第二反饋鎖定模塊和第二反饋鎖定模塊的基於雙路閉環的諧振式光學陀螺，構建了更加互易的陀螺結構，進一步消除了存在陀螺中的互易性噪聲，獲得了更好的線性度和更大的動態範圍，減小了由光功率分配不均引入的光學克爾噪聲。如圖5 (a)所示，給出了基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺靜止時順逆時針諧振頻率、雷射器頻率、以及第一移頻器移頻量和第二移頻器移頻量的關係示意圖；當陀螺靜止時，雷射器的輸出中心頻率fLaser鎖定在第一路信號的諧振頻率Ai上，第一移頻器的移頻量f刪和第二移頻器的移頻量fVC02都為零，第二路信號的諧振頻率/"ι等於第一路信號的諧振頻率Αι。如圖5 (b)所示，給出了基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺轉動時順逆時針諧振頻率、雷射器頻率、以及第一移頻器移頻量和第二移頻器移頻量的關係示意圖；當陀螺轉動時，雷射器的輸出中心頻率fLaser鎖定在第一路信號的諧振頻率fccw上，雷射器頻率控制迴路的環路總增益遠大於第一移頻器頻率控制迴路的環路總增益，第一移頻器的移頻量/Vm等效為零，第二移頻器的移頻量/Vm為就是陀螺信號的轉動輸出A，第二路信號的諧振頻率fcir等於第一路信號的諧振頻率fcc 與第二移頻器的移頻量fvc02之和。
如圖6所示，給出了採用聲光移頻器作為移頻器，相位調製器作為調製器，反射式
諧振腔作為核心敏感部件的雙路閉環諧振式光學陀螺的具體實施案例。
權利要求
1.一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於包括由可調諧雷射器、 光學分路器、第一移頻器、第二移頻器、第一調製器、第二調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路；可調諧雷射器、光學分路器、第一移頻器、第一調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二移頻器、第二調製器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。
2.一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於包括由可調諧雷射器、 光學分路器、第一調製器、第二調製器、第一移頻器、第二移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路，可調諧雷射器與光學分路器、第一調製器、第一移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二調製器、第二移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。
3.一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於包括由可調諧雷射器、 調製器、光學分路器、第一移頻器、第二移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路，可調諧雷射器與調製器、光學分路器、第一移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。
4.一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於包括由可調諧雷射器、 光學分路器、第一調製移頻器、第二調製移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，以及由調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊、第二反饋鎖定模塊和第三反饋鎖定模塊構成的處理電路，可調諧雷射器與光學分路器、第一調製移頻器、光學諧振腔、光電轉換模塊、調製解調模塊、第一反饋鎖定模塊順次相連，第一反饋鎖定模塊與雷射器相連，光學分路器與第二調製移頻器、光學諧振腔順次相連，調製解調模塊與第二反饋鎖定模塊、第一移頻器順次相連，調製解調模塊與第三反饋鎖定模塊、第二移頻器順次相連。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於所述的第一移頻器和第二移頻器的移頻量作差作為陀螺的輸出信號。
6.根據權利要求4所述的一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於所述的第一調製移頻器和第二調製移頻器的移頻量作差作為陀螺的輸出信號。
7.根據權利要求1、2或3所述的一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於所述的第一移頻器和第二移頻器為聲光移頻器或光學相位調製器。
8.根據權利要求4所述的一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於所述的第一調製移頻器和第二調製移頻器為聲光移頻器或光學相位調製器。
9.根據權利要求1、2、3或4所述的一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於所述的光學諧振腔為光纖器件或集成光學器件。
10.根據權利要求1、2、3或4所述的一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，其特徵在於所述的光學諧振腔的結構為透射式光學諧振腔或反射式光學諧振腔。
全文摘要
本發明公開了一種基於雙路閉環鎖定技術的諧振式光學陀螺，它包括由可調諧雷射器、光學分路器、兩個移頻器、兩個調製器、光學諧振腔、光電轉換模塊構成的光學系統，由調製解調模塊、三個反饋鎖定模塊構成的處理電路。作為雙路閉環反饋端的雷射器和兩個移頻器是光學系統的主要組成部分；由調製解調模塊提取的第一路信號經兩個反饋鎖定模塊分別改變雷射器和第一個移頻器的移頻量，提取的第二路信號經第三個反饋鎖定模塊改變第二個移頻器的移頻量；對兩個移頻器的移頻量作差得到陀螺的轉動信號。本發明構造了一個完全互易的諧振式光學陀螺結構，有利於消除系統中的互易性噪聲，有利於提高系統線性度和動態範圍，有利於減小光學克爾噪聲。
文檔編號G01P9/00GK102353373SQ20111019411
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者金仲和, 陳妍, 馬慧蓮 申請人:浙江大學