CN103712615B - 光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺。它包括由可调谐激光器、光学分路器、光功率控制器件/移频器、光学调制器、光学谐振腔、光电转换模块等构成的光学***，以及由调制解调模块、反馈锁定、光功率反馈模块构成的处理电路。本发明通过检测光电探测器后端二次频信号，利用光功率控制器件及其驱动控制单元构建了光功率的反馈控制回路，进一步提高了谐振腔入腔光功率的稳定性。本发明有利于提高陀螺输出标度因数的稳定性，降低光学克尔效应的影响，提高单路闭环谐振式光学陀螺的长期稳定性。

Description

光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺

技术领域

本发明涉及光学传感以及信号检测技术领域，尤其涉及一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺。

背景技术

单路闭环谐振式光学陀螺（ResonatorOpticGyro，ROG）是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的微型惯性传感器。无振动部件的单路闭环谐振式光学陀螺具有小型化，精度高，抗震动等优点。相比微机械陀螺（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）和光纤陀螺（InterferometricFiberOpticalGyroscope，IFOG），ROG将具有更大的优势。

在谐振式集成光学陀螺中，激光功率的波动除了会影响陀螺输出标度因素稳定性外，还会引起光克尔效应等。此外，在构建对称互易结构的陀螺***时候，对光功率的稳定性也提出了较高的要求，因此，需要开展环路光功率稳定技术研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺。

一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一光功率控制器件/移频器、第二光功率控制器件/移频器、第一调制器、第二调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学***，和由一次频解调模块、二次频解调模块、第一锁定反馈模块、第二锁定反馈模块、第三锁定反馈模块、第一功率反馈模块、第二功率反馈模块构成的处理电路。可调谐激光器与光学分路器相连，光学分路器出口分别与第一光功率控制器件/移频器、第二光功率控制器件/移频器相连，第一光功率控制器件/移频器出口经第一调制器与光学谐振腔相连，第二光功率控制器件/移频器经第二调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔出口与光电转换模块相连。光电转换模块出口分别与一次频解调模块、二次频解调模块相连，一次频解调模块出口分成两路，一路经频率反馈模块与可调谐激光器调谐端相连，一路作为陀螺输出。二次频解调模块出口分成两路，一路经第一功率反馈模块与第一光功率控制器件/移频器相连，另一路经第二功率反馈模块与第二光功率控制器件/移频器相连。

所述的第一移频器和第二移频器为声光移频器或光学相位调制器。所述的光学谐振腔为光纤或者集成光学器件。所述的光学谐振腔的结构为透射式光学环形腔或反射式光学环形腔。

另一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺包括频率可调激光器、隔离器、耦合器、第一声光移频器、第一相位调制器、第二声光移频器、第二相位调制器、第一压控振荡器、第二压控振荡器、第一信号源、第二信号源、第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一环形器、第二环形器、光学环形谐振腔芯片、频率伺服回路、数据记录仪、第三锁相放大器、第四锁相放大器、第一功率伺服回路、第二功率伺服回路；频率可调激光器与隔离器、耦合器顺次相连，耦合器输出分两路，一路经第一声光移频器、第一相位调制器、第一环形器与光学环形谐振腔相连，另一路经第二声光移频器、第二相位调制器、第二环形器与光学环形谐振腔相连，光学环形谐振腔输出分两路，一路经第一环形器与第一光电探测器相连，另一路经第二环形器与第二光电探测器相连，第一光电探测器输出分成两路，一路经第一锁相放大器、频率伺服回路与与频率可调激光器相连，另一路经第三锁相放大器、第一功率伺服回路与第一声光移频器相连。第二光电探测器输出分成两路，一路经第二锁相放大器与数据记录仪相连，另一路经第四锁相放大器、第二功率伺服回路与第二声光移频器相连。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1）本发明提供的光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺有利于提高单路闭环谐振式光学陀螺光功率的稳定性，提高陀螺输出稳定性；

2）本发明提供的光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺有利于提高陀螺***的线性度，减小光学克尔噪声；

3）本发明提供的光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺，有利于提高陀螺***的对称性，降低互易性噪声。

附图说明

图1是光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺结构示意图；

图2是基于声光移频器光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺结构示意图；

图中：频率可调激光器1、隔离器2、耦合器3、第一声光移频器4、第一相位调制器5、第二声光移频器6、第二相位调制器7、第一压控振荡器8、第二压控振荡器9、第一信号源10、第二信号源11、第一锁相放大器12、第二锁相放大器13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第一环形器16、第二环形器17、光学环形谐振腔芯片18、频率伺服回路19、数据记录仪20、第三锁相放大器21、第四锁相放大器22、第一功率伺服回路23、第二功率伺服回路24。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一光功率控制器件/移频器、第二光功率控制器件/移频器、第一调制器、第二调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学***，和由一次频解调模块、二次频解调模块、第一锁定反馈模块、第二锁定反馈模块、第三锁定反馈模块、第一功率反馈模块、第二功率反馈模块构成的处理电路。可调谐激光器与光学分路器相连，光学分路器出口分别与第一光功率控制器件/移频器、第二光功率控制器件/移频器相连，第一光功率控制器件/移频器出口经第一调制器与光学谐振腔相连，第二光功率控制器件/移频器经第二调制器与光学谐振腔相连，光学谐振腔出口与光电转换模块相连。光电转换模块出口分别与一次频解调模块、二次频解调模块相连，一次频解调模块出口分成两路，一路经频率反馈模块与可调谐激光器调谐端相连，一路作为陀螺输出。二次频解调模块出口分成两路，一路经第一功率反馈模块与第一光功率控制器件/移频器相连，另一路经第二功率反馈模块与第二光功率控制器件/移频器相连。

所述的第一移频器和第二移频器为声光移频器或光学相位调制器。所述的第一调制移频器件和第二调制移频器件为声光移频器或光学相位调制器。所述的光学谐振腔为光纤或者集成光学器件。所述的光学谐振腔的结构为透射式光学环形腔或反射式光学环形腔。

如图2示，另一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺包括频率可调激光器1、隔离器2、耦合器3、第一声光移频器4、第一相位调制器5、第二声光移频器6、第二相位调制器7、第一压控振荡器8、第二压控振荡器9、第一信号源10、第二信号源11、第一锁相放大器12、第二锁相放大器13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第一环形器16、第二环形器17、光学环形谐振腔芯片18、频率伺服回路19、数据记录仪20、第三锁相放大器21、第四锁相放大器22、第一功率伺服回路23、第二功率伺服回路24；频率可调激光器1与隔离器2、耦合器3顺次相连，耦合器3输出分两路，一路经第一声光移频器4、第一相位调制器5、第一环形器16与光学环形谐振腔18相连，另一路经第二声光移频器6、第二相位调制器7、第二环形器17与光学环形谐振腔18相连，光学环形谐振腔18输出分两路，一路经第一环形器16与第一光电探测器14相连，另一路经第二环形器17与第二光电探测器15相连，第一光电探测器14输出分成两路，一路经第一锁相放大器12、频率伺服回路19与频率可调激光器1相连，另一路经第三锁相放大器21、第一功率伺服回路23与第一声光移频器4相连。第二光电探测器15输出分成两路，一路经第二锁相放大器13与数据记录仪20相连，另一路经第四锁相放大器22、第二功率伺服回路24与第二声光移频器6相连。

频率可调激光器发出的激光经隔离器和耦合器后分为等功率的两束光：顺时针路和逆时针路。顺时针路激光分别经光功率控制器件/移频器件移频，这里光功率控制器件/移频器可以由声光移频器或者相位调制器等实现，然后进入调制解调模块对光进行调制再由环形器输入到光学环形谐振腔，这里的光学环形谐振腔可以是任何一种可以构成谐振腔的器件和形式，包括透射式的和反射式的光纤，集成光学器件等，调制可以由信号源仪器或者电路实现，在腔内形成顺时针谐振光后由环形器输入到光电探测器进行光电转换，再经调制解调模块解调，一次频解调模块可由锁相放大器实现，最后将解调输出经伺服回路去控制激光器输出光的频率，逆时针路解调输出作为陀螺输出。二次频解调模块可由锁相放大器实现，最后将解调输出经伺服回路去控制之前光路所经光功率控制器件驱动功率控制，实现顺时针路光功率环路锁定；逆时针路光功率环路锁定与顺时针路光功率环路锁定同理。

在光电探测器之前，二倍频与一次频信号经过的光学路径是一致的，在由光电探测器转换成电信号后，我们分别用两倍频正弦信号去解调，再将解调输出经环路滤波器后去反馈控制光功率控制器件，实时调整环路光功率。需要说明的是，光功率反馈回路是要建立在激光谐振频率伺服回路锁定基础上，即此时谐振腔入腔光波频率是被锁定在谐振频率点上。

由光电转换模块出来的电信号可以表示为：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{PD}-\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{2}P\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n\′=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\′=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(M_1\right)J_m\left(M_2\right)J_{n\′}\left(M_1\right)J_{m\′}\left(M_2\right)\\ \mathrm{expj}\left[((n-n^{\′}){\mathrm{\Ω}}_1+(m-m^{\′}){\mathrm{\Ω}}_2)t\right]H_{\left(\mathrm{\ω}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\ω}(n^{\′},m^{\′})\right)}\mathrm{expj}({\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(n,m)\right)}-{\mathrm{\Φ}}_{\left(\mathrm{\ω}(n^{\′},m^{\′})\right)})\end{array}---\left(1\right)$

其中P=2I₀R_v(1-k₁)(1-_C1)(1-_AOM)(1-_PM1)(1-_PM2)(1-_CL1)(1-_CL2)，而I₀为进入光电转换模块的光强，R_v为光电转换模块的光电转换系数。

我们只对二倍频分量进行解调，得到：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{filter}-\mathrm{out}}\left(t\right)=P\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_n\left(M_1\right)J_{n+2}\left(M_1\right){J_m}^2\left(M_2\right)H_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}\\ [\cos <2\mathrm{\&pi;}\left({2f}_1\right)t+{\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}-{\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)}>]\\ =A\cos \left({2\mathrm{\&Omega;}}_{1}t\right)-B\sin \left({2\mathrm{\&Omega;}}_{1}t\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中

$A=P\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_n\left(M_1\right)J_{n+2}\left(M_1\right){J_m}^2\left(M_2\right)H_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}\cos ({\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}-{\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)})---\left(3\right)$

$B=P\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_n\left(M_1\right)J_{n+2}\left(M_1\right){J_m}^2\left(M_2\right)H_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}\sin ({\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}-{\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)})---\left(4\right)$

接下来用参考信号去进行解调，得到：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{out}}\left(t\right)=0.5{\mathrm{DU}}_{\mathrm{ref}}P\underset{n=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_n\left(M_1\right)J_{n+2}\left(M_2\right){J_m}^2\left(M_2\right)\\ H_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)}{H}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}\cos ({\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n+2,m)\right)}-{\mathrm{\&Phi;}}_{\left(\mathrm{\&omega;}(n,m)\right)})\end{array}---\left(5\right)$

从上式可以看出如果在其他参数都固定的情况下，二倍频解调输出与入腔功率是成正比的，也就是说我们可以用二倍频解调结果来表征入腔功率。

声光移频器和相位调制器经常被用作移频器，同时通过改变其驱动功率大小也可将其作为光功率控制器件使用，锁相放大器不仅可以用作一次频解调，同时也可用作二次频解调，因此该功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺相对于之前的单路闭环谐振式光学陀螺没有引入额外的器件，在低功耗的同时提高了陀螺***的性能。

需要指出的是，该实施例中应用的移频器件、调制解调方式、光学谐振腔应包括任何一种可应用于单路闭环谐振式光学陀螺中的移频器、调制解调方式和光学谐振腔，并且调制器是可以在***中的不同位置，也就是说，在本实施例的基础上仅对光功率控制器件、移频器、调制解调方式和光学谐振腔、以及调制器的位置及形式做出的改动，以及，基于二次频解调的光功率反馈的各种形式单路闭环谐振式光学陀螺，都应该落入本发明相应的权利要求保护范围内。

Claims (1)

1.一种光功率反馈的单路闭环谐振式光学陀螺，其特征在于包括频率可调激光器（1）、隔离器（2）、耦合器（3）、第一声光移频器（4）、第一相位调制器（5）、第二声光移频器（6）、第二相位调制器（7）、第一压控振荡器（8）、第二压控振荡器（9）、第一信号源（10）、第二信号源（11）、第一锁相放大器（12）、第二锁相放大器（13）、第一光电探测器（14）、第二光电探测器（15）、第一环形器（16）、第二环形器（17）、光学环形谐振腔（18）、频率伺服回路（19）、数据记录仪（20）、第三锁相放大器（21）、第四锁相放大器（22）、第一功率伺服回路（23）、第二功率伺服回路（24）；频率可调激光器（1）与隔离器（2）、耦合器（3）顺次相连，耦合器（3）输出分两路，一路经第一声光移频器（4）、第一相位调制器（5）、第一环形器（16）与光学环形谐振腔（18）相连，另一路经第二声光移频器（6）、第二相位调制器（7）、第二环形器（17）与光学环形谐振腔（18）相连，光学环形谐振腔（18）输出分两路，一路经第一环形器（16）与第一光电探测器（14）相连，另一路经第二环形器（17）与第二光电探测器（15）相连，第一光电探测器（14）输出分成两路，一路经第一锁相放大器（12）、频率伺服回路（19）与频率可调激光器（1）相连，另一路经第三锁相放大器（21）、第一功率伺服回路（23）与第一声光移频器（4）相连，第二光电探测器（15）输出分成两路，一路经第二锁相放大器（13）与数据记录仪（20）相连，另一路经第四锁相放大器（22）、第二功率伺服回路（24）与第二声光移频器（6）相连。