CN108332735A - 基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调***和方法。所述***包括激光器、第一保偏耦合器、Y分支相位调制器、相位调制器、光纤谐振腔、第二保偏耦合器、第三保偏耦合器、第一光电探测器、第一带通滤波器、本地载波产生模块、第一本地载波相移模块、第一90°相移模块、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三乘法器、第三低通滤波器、第一数字锁相放大器、PI伺服回路、第四保偏耦合器、第二光电探测器、第二带通滤波器、第二本地载波相移模块、第二90°相移模块、第四乘法器、第五乘法器、第四低通滤波器、第五低通滤波器、第六乘法器、第六低通滤波器和第二数字锁相放大器。本发明通过本地恢复出高信噪比载波，提高解调信号的信噪比，减小激光器频率噪声的影响，具有重要的科学意义与应用价值。

Description

基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调***和方法

技术领域

本发明涉及一种通过外加相干光干涉锁定光学无源谐振腔谐振腔的谐振式光纤陀螺解调***和方法，以抑制谐振式光纤陀螺中的激光器频率噪声。

背景技术

谐振式光纤陀螺是基于Sagnac效应的惯性角速度传感器，利用转动产生的Sagnac相移引起的谐振腔顺时针方向与逆时针方向谐振频率频差来测量转动角速度。相比干涉式光纤陀螺，谐振式光纤陀螺利用激光在谐振腔内多次传输，放大Sagnac效应，实现使用更短的光纤达到与干涉式光纤陀螺相同的极限灵敏度。具有高精度、高温度稳定性、低成本的特点。

由于Sagnac效应本身产生的频差极小，转动信号通常都湮没在背向散射噪声、偏振波动噪声、光学Kerr噪声等各种非互易性噪声中，通过直接测量频差得到转动信号非常困难，因此在谐振式光纤陀螺中微弱信号检测技术是陀螺信号提取的关键。较为普遍的检测手段是采用正弦波或者三角波对进入谐振腔前的光信号进行调制，利用锁相放大器对探测到的光信号进行解调，得到陀螺的转动信号。

激光器是谐振式光纤陀螺的核心部件之一，其作用是为***提供稳定的窄线宽光源。但是，所有的激光器发出的都不是理想单一频率激光，均存在相位抖动产生的频率噪声，表现为频谱上的展宽。在对激光进行调制时，激光被调制到以激光频率为中心，按照调制频率整数倍展开的各阶谐波频率处，同时，激光的频率噪声也被调制到了这些频率处。根据现有理论，当光电探测器的探测光信号时，各阶频率分量的相互混频使得处于调制频率偶数倍频的激光器频率噪声会叠加采集到的信号中，最终造成陀螺转动信号的波动。目前来看，激光器频率噪声已经成为限制谐振式光纤陀螺短期精度的主要噪声之一。

为了抑制激光器频率噪声的影响，多种抑制方案被提出。概括而言，主要分为两类，一是采用具有较低频率噪声的激光器作为光源，例如光纤激光器，来减少频率噪声的影响；二是通过PDH(Pound-Drever-Hall)激光器锁频技术，调整锁定频率与锁定参数，获得更高的激光器频率噪声抑制带宽与抑制比，从而减少激光器频率噪声的影响。

从***小型化的角度来看，具有更小体积的半导体激光器更适合作为谐振式光纤陀螺的***光源，但半导体激光器本身相较光纤激光器有着更大的频率噪声，而PDH激光器锁频技术受限于噪声抑制带宽，只对低频处的频率噪声有较好的抑制效果，对高频处的白噪声没有抑制效果。因此，现有的抑制激光器频率噪声方案，无法完全抑制小型化谐振式光纤陀螺内的激光器频率噪声。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调***和方法。

本发明的基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调***包括激光器，第一保偏耦合器，Y分支相位调制器，相位调制器，光纤谐振腔，第二保偏耦合器，第三保偏耦合器，第一光电探测器，第一带通滤波器，本地载波产生模块，第一本地载波相移模块，第一90°相移模块，第一乘法器，第二乘法器，第一低通滤波器，第二低通滤波器，第三乘法器，第三低通滤波器，第一数字锁相放大器，PI伺服回路，第四保偏耦合器，第二光电探测器，第二带通滤波器，第二本地载波相移模块，第二90°相移模块，第四乘法器，第五乘法器，第四低通滤波器，第五低通滤波器，第六乘法器，第六低通滤波器，第二数字锁相放大器，

激光器的输出与第一保偏耦合器的输入端连接，第一保偏耦合器的输出分别连接至Y分支相位调制器和相位调制器，Y分支相位调制器的输出与光纤谐振腔连接，相位调制器的输出与第二保偏耦合器的输入相连，光纤谐振腔输出的其中一路激光与第二保偏耦合器输出的一路激光连接至第三保偏耦合器的输入，光纤谐振腔输出的另一路激光与第二保偏耦合器的另一路输出连接至第四保偏耦合器的输入，第三保偏耦合器与第四保偏耦合器的输出分别接入第一光电探测器与第二光电探测器，然后接入第一单通滤波器与第二带通滤波器；

本地载波产生模块与第一本地载波相移模块和第二本地载波相移模块相连，第一本地载波相移模块的输出端与第一90°相移模块相连，第一90°相移模块的输出与第一带通滤波器的输出连接至第一乘法器；第一本地载波相移模块的第二输出带通滤波器的输出连接至第二乘法器，第一乘法器的输出与第一低通滤波器的输入端相连，第二乘法器的输出与第二低通滤波器的输入端相连，第一低通滤波器的输出、第二低通低通滤波器的第一输出端连接至第三乘法器，第三乘法器的输出与第三低通滤波器相连，第三低通滤波器的输出反馈至第一本地载波相移模块，第二低通滤波器的第二输出端连接至第一数字锁相放大器，第一数字锁相放大器、PI伺服回路、激光器顺此相连构成反馈回路；

第二本地载波相移模块的输出端与第二90°相移模块相连，第二90°相移模块的输出与第二带通滤波器的输出连接至第四乘法器；第二本地载波相移模块的第二输出第二带通滤波器的输出连接至第五乘法器；第四乘法器的输出与第四低通滤波器的输入端相连，第五乘法器的输出与第五低通滤波器的输入端相连，第四低通滤波器的输出、第五低通滤波器的唯一输出端连接至第六乘法器，第六乘法器的输出反馈至第二本地载波相移模块，第五低通滤波器的第二输出端连接至第二数字锁相放大器。

本发明还公开了一种所述***的谐振式光纤陀螺相干解调方法，包括如下步骤：

激光器产生的激光经过第一耦合器分为两束，其中一束激光进入Y分支相位调制器，通过Y分支相位调制器对进入谐振腔的两束激光进行调制，另一束激光接入相位调制器，对相位调制器加锯齿波产生移频后的激光，经过第二耦合器后分为两束，其中一束与光纤谐振腔顺时针方向的输出激光利用第三耦合器耦合干涉后，由第一光电探测器探测，另外一束与光纤谐振腔逆时针方向的输出激光利用第四耦合器耦合干涉后，由第二光电探测器探测。第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号分别通过第一带通滤波器和第二带通滤波器滤波后，进行信号处理。

信号处理与激光器锁定部分中的本地载波产生模块和第一本地载波相移模块产生与加在相位调制器上锯齿波信号相同频率的正弦载波信号，产生的正弦载波信号一路经过90°相移后与第一带通滤波器输出的信号相乘，相乘得到的信号经过第一低通滤波器滤波，另一路直接与第一带通滤波器输出的信号相乘，并经过第二低通滤波器滤波，滤波后的两路信号再次相乘得到混频信号，混频信号经过第三低通滤波器后，得到本地载波与顺时针方向信号载波之间的相位误差信号，反馈到第一本地载波相移模块调整本地载波的相位，达到相位跟踪的目的，此时第二低通滤波器的输出信号由第一锁相放大器解调，得到激光器中心频率与谐振腔谐振频率之间的误差信号，经过PI伺服回路后，反馈作用于激光器，完成激光器中心频率与谐振腔谐振频率之间的锁定；

第二本地载波相移模块输出的本地载波信号，一路经过90°相移后与第二带通滤波器输出的信号相乘，相乘得到的信号经过第四低通滤波器滤波，另一路直接与第二带通滤波器输出的信号相乘，并经过第五低通滤波器滤波，滤波后的两路信号再次相乘得到混频信号，混频信号经过第六低通滤波器后，得到本地载波与逆时针方向信号载波之间的相位误差信号，反馈到第二本地载波相移模块调整本地载波相位，实现该方向上的信号相位跟踪，此时第五低通滤波器的输出由第二数字锁相放大器解调，输出信号即为陀螺输出。

本次发明与现有技术相比具有的增益效果：

1)本发明利用激光相干原理，将调制产生的各阶谐波分量搬移到射频，利用正交解调实现本地载波与输入信号之间的相位跟踪锁定，恢复出高信噪比载波，能够有效地增大锁相放大器输入信号信噪比。利用该方法进行光学无源谐振腔锁定和谐振式光纤陀螺信号检测，可有效地降低激光器频率噪声对谐振腔锁定以及谐振式光纤陀螺输出的影响。

2)本发明利用外加相干光束，放大从谐振腔出射的光信号，克服了由于谐振腔内布里渊散射效应导致的入腔光功率不能太大、出腔光功率大小的问题。由于相干光束不会经过谐振腔，因此在光电探测器处的光功率能够大大提高，有效地降低激光器散粒噪声带来的影响，提升陀螺的极限灵敏度。

3)本发明相比直接正弦波调制解调，通过外加相干光将正弦波调制产生的各阶谐波分量从激光频率搬移到了能够被直接处理的高频频段，各阶谐波分量被有效地分离开，信号的频谱更加清晰，减少各阶谐波分量在光域相互混频所引入的激光器频率噪声。同时，由于各阶谐波分量能够在高频段相互分离，本发明也可以用于对各阶谐波分量的单独分析。

附图说明

图1是基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调方案的***框图；

图中：激光器1，第一保偏耦合器2，Y分支相位调制器3，相位调制器4，光纤谐振腔5，第二保偏耦合器6，第三保偏耦合器7，第一光电探测器8，第一带通滤波器9，第二光电探测器10，本地载波产生模块10，第一本地载波相移模块11，90°相移模块12，第一乘法器13，第二乘法器14，第一低通滤波器15，第二低通滤波器16，第三乘法器17，第三低通滤波器18，第一数字锁相放大器19，PI伺服回路20，第四保偏耦合器21，第二光电探测器22，第二带通滤波器23，第二本地载波相移模块24，第二90°相移模块25，第四乘法器26，第五乘法器27，第四低通滤波器28，第五低通滤波器29，第六乘法器30，第六低通滤波器31，第二数字锁相放大器32。

具体实施方式

如图1所示，一种基于外加光束干涉的谐振式光纤陀螺相干解调***包括激光器1，第一保偏耦合器2，Y分支相位调制器3，相位调制器4，光纤谐振腔5，第二保偏耦合器6，第三保偏耦合器7，第一光电探测器8，第一带通滤波器9，第二光电探测器10，本地载波产生模块10，第一本地载波相移模块11，90°相移模块12，第一乘法器13，第二乘法器14，第一低通滤波器15，第二低通滤波器16，第三乘法器17，第三低通滤波器18，第一数字锁相放大器19，PI伺服回路20，第四保偏耦合器21，第二光电探测器22，第二带通滤波器23，第二本地载波相移模块24，第二90°相移模块25，第四乘法器26，第五乘法器27，第四低通滤波器28，第五低通滤波器29，第六乘法器30，第六低通滤波器31，第二数字锁相放大器32。

所述解调方案中激光器1的出射光纤与第一保偏耦合器2相连，第一保偏耦合器尾纤分别与Y分支相位调制器3、相位调制器4相连。Y分支相位调制器的出射尾纤与谐振腔5的入射光纤相连。相位调制器4的输出尾纤与第二保偏耦合器6相连，第二保偏耦合器的输出尾纤分别与谐振腔5两个方向的出射光纤接入第三保偏耦合器7与第四保偏耦合器21，第三保偏耦合器7的输出接入第一光电探测器8，第四保偏耦合器21的输出接入第二光电探测器22，第一光电探测器8与第二光电探测22的输出分别通过第一带通滤波器9和第二带通滤波器23进入相干解调处理模块。

所述相干解调信号处理模块包括本地载波产生模块10，第一本地载波相移模块11，第一90°相移模块12，第一乘法器13，第二乘法器14，第一低通滤波器15，第二低通滤波器16，第三乘法器17，第三低通滤波器18，第一数字锁相放大器19，PI伺服回路20，第二本地载波相移模块24，第二90°相移模块25，第四乘法器26，第五乘法器27，第四低通滤波器28，第五低通滤波器29，第六乘法器30，第六低通滤波器31，第二数字锁相放大器32。

本地载波产生模块10产生载波进入第一本地载波相移模块11和第二本地载波相移模块24，第一本地载波相移模块11的一路输出经过第一90°相移模块12与第一带通滤波器9输出信号通过第一乘法器13相乘，另一路输出直接与第一带通滤波器9输出信号通过第二乘法器14相乘。第一乘法器13与第二乘法器14的输出信号分别通过第一低通滤波器15与第二低通滤波器16以滤除和频分量，并通过第三乘法器19相乘。第三乘法器17的输出经过第三低通滤波器18滤除和频分量后得到本地载波产生模块10产生的载波与顺时针方向输入信号载波之间的相位误差信号，误差信号被反馈进第一本地载波相移模块11，实时调制本地载波相位，以保证本地载波相位与顺时针方向输出信号载波相位实时跟踪锁定。在载波相位锁定的情况下，第二低通滤波器18的输出信号直接经由第一数字锁相放大器19解调输出，得到激光中心频率与谐振腔顺时针方向谐振频率之间的误差信号，第一数字锁相放大器19的输出接入PI伺服回路20反馈激光器1，保证激光器1的中心频率锁定跟踪在谐振腔5顺时针方向的谐振频率上。第二本地载波相移模块24的一路输出经过第二90°相移模块25与第一带通滤波器23输出信号通过第四乘法器26相乘，另一路输出直接与第二带通滤波器23输出信号通过第六乘法器27相乘。第四乘法器26与第五乘法器27的输出信号分别通过第四低通滤波器28与第五低通滤波器29以滤除和频分量，并通过第六乘法器30相乘。第六乘法器30的输出经过第六低通滤波器31滤除和频分量后得到本地载波产生模块10产生的载波与逆时针方向输入信号载波之间的相位误差信号，误差信号被反馈进第二本地载波相移模块24，实时调制本地载波相位，以保证本地载波相位与逆时针方向输出信号载波相位实时跟踪锁定。在载波相位锁定的情况下，第五低通滤波器29的输出信号直接经由第二数字锁相放大器32解调输出，即为陀螺转动信号。

Claims (4)

1.一种基于外加光束干涉的光学无源谐振腔锁定方法，其特征在于

激光器产生的激光经过第一耦合器分为两束，其中一束激光进入Y分支相位调制器，经过Y分支相位调制器分光调制后得到的两束激光分别从两个方向入射进光纤谐振腔；另一束激光接入相位调制器，对相位调制器加锯齿波产生移频后的激光，经过第二耦合器后分为两束，其中一束与通过谐振腔后的一束激光利用第三耦合器相互干涉，干涉后的信号由第一光电探测器探测，获得载波为两束激光频差的电信号，经过第一带通滤波器滤波后进入信号处理与激光器锁定部分；

信号处理与激光器锁定部分中的本地载波产生模块和第一本地载波相移模块产生与加在相位调制器上锯齿波信号相同频率的正弦载波信号，产生的正弦载波信号一路经过90°相移后与第一带通滤波器输出的信号相乘，相乘得到的信号经过第一低通滤波器滤波，另一路直接与第一带通滤波器输出的信号相乘，并经过第二低通滤波器滤波，滤波后的两路信号再次相乘得到混频信号，混频信号经过第三低通滤波器后，得到本地载波与信号载波之间的相位误差信号，反馈到本地载波相移模块调整本地载波的相位，达到相位跟踪的目的，此时第二低通滤波器的输出信号由第一数字锁相放大器解调，得到激光器中心频率与谐振腔谐振频率之间的误差信号，通过PI伺服回路反馈作用于激光器，完成激光器中心频率与谐振腔谐振频率之间的锁定。

2.根据权利要求1所述的一种基于外加光束干涉的光学无源谐振腔锁定方法，其特征在于用于干涉的移频激光与谐振腔输出激光由同一激光器产生，经由第一耦合器分光，相位调制器调制后变化得到，以此保证移频激光与谐振腔出腔激光之间有良好的相干性。

3.一种基于权利要求1所述光学无源谐振腔锁定方法的谐振式光纤陀螺相干解调***，其特征在于包括激光器，第一保偏耦合器，Y分支相位调制器，相位调制器，光纤谐振腔，第二保偏耦合器，第三保偏耦合器，第一光电探测器，第一带通滤波器，本地载波产生模块，第一本地载波相移模块，第一90°相移模块，第一乘法器，第二乘法器，第一低通滤波器，第二低通滤波器，第三乘法器，第三低通滤波器，第一数字锁相放大器，PI伺服回路，第四保偏耦合器，第二光电探测器，第二带通滤波器，第二本地载波相移模块，第二90°相移模块，第四乘法器，第五乘法器，第四低通滤波器，第五低通滤波器，第六乘法器，第六低通滤波器，第二数字锁相放大器；

激光器的输出与第一保偏耦合器的输入端连接，第一保偏耦合器的输出分别连接至Y分支相位调制器和相位调制器，Y分支相位调制器的输出与光纤谐振腔连接，相位调制器的输出与第二保偏耦合器的输入相连，光纤谐振腔输出的其中一路激光与第二保偏耦合器输出的一路激光连接至第三保偏耦合器的输入，光纤谐振腔输出的另一路激光与第二保偏耦合器的另一路输出连接至第四保偏耦合器的输入，第三保偏耦合器与第四保偏耦合器的输出分别接入第一光电探测器与第二光电探测器，然后接入第一单通滤波器与第二带通滤波器；

本地载波产生模块与第一本地载波相移模块和第二本地载波相移模块相连，第一本地载波相移模块的输出端与第一90°相移模块相连，第一90°相移模块的输出与第一带通滤波器的输出连接至第一乘法器；第一本地载波相移模块的第二输出带通滤波器的输出连接至第二乘法器，第一乘法器的输出与第一低通滤波器的输入端相连，第二乘法器的输出与第二低通滤波器的输入端相连，第一低通滤波器的输出、第二低通低通滤波器的第一输出端连接至第三乘法器，第三乘法器的输出与第三低通滤波器相连，第三低通滤波器的输出反馈至第一本地载波相移模块，第二低通滤波器的第二输出端连接至第一数字锁相放大器，第一数字锁相放大器、PI伺服回路、激光器顺此相连构成反馈回路；

第二本地载波相移模块的输出端与第二90°相移模块相连，第二90°相移模块的输出与第二带通滤波器的输出连接至第四乘法器；第二本地载波相移模块的第二输出第二带通滤波器的输出连接至第五乘法器；第四乘法器的输出与第四低通滤波器的输入端相连，第五乘法器的输出与第五低通滤波器的输入端相连，第四低通滤波器的输出、第五低通滤波器的唯一输出端连接至第六乘法器，第六乘法器的输出反馈至第二本地载波相移模块，第五低通滤波器的第二输出端连接至第二数字锁相放大器。

4.一种如权利要求3所述***的谐振式光纤陀螺相干解调方法，其特征在于包括如下步骤：

激光器产生的激光经过第一耦合器分为两束，其中一束激光进入Y分支相位调制器，通过Y分支相位调制器对进入谐振腔的两束激光进行调制，另一束激光接入相位调制器，对相位调制器加锯齿波产生移频后的激光，经过第二耦合器后分为两束，其中一束与光纤谐振腔顺时针方向的输出激光利用第三耦合器耦合干涉后，由第一光电探测器探测，另外一束与光纤谐振腔逆时针方向的输出激光利用第四耦合器耦合干涉后，由第二光电探测器探测。第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号分别通过第一带通滤波器和第二带通滤波器滤波后，进行信号处理；

信号处理与激光器锁定部分中的本地载波产生模块和第一本地载波相移模块产生与加在相位调制器上锯齿波信号相同频率的正弦载波信号，产生的正弦载波信号一路经过90°相移后与第一带通滤波器输出的信号相乘，相乘得到的信号经过第一低通滤波器滤波，另一路直接与第一带通滤波器输出的信号相乘，并经过第二低通滤波器滤波，滤波后的两路信号再次相乘得到混频信号，混频信号经过第三低通滤波器后，得到本地载波与顺时针方向信号载波之间的相位误差信号，反馈到第一本地载波相移模块调整本地载波的相位，达到相位跟踪的目的，此时第二低通滤波器的输出信号由第一锁相放大器解调，得到激光器中心频率与谐振腔谐振频率之间的误差信号，经过PI伺服回路后，反馈作用于激光器，完成激光器中心频率与谐振腔谐振频率之间的锁定；

第二本地载波相移模块输出的本地载波信号，一路经过90°相移后与第二带通滤波器输出的信号相乘，相乘得到的信号经过第四低通滤波器滤波，另一路直接与第二带通滤波器输出的信号相乘，并经过第五低通滤波器滤波，滤波后的两路信号再次相乘得到混频信号，混频信号经过第六低通滤波器后，得到本地载波与逆时针方向信号载波之间的相位误差信号，反馈到第二本地载波相移模块调整本地载波相位，实现该方向上的信号相位跟踪，此时第五低通滤波器的输出由第二数字锁相放大器解调，输出信号即为陀螺输出。