本发明专利技术公开了一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法。固定激光器输出光通过分束器后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过第一相位调制器、第一环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器，顺时针一路通过第二相位调制器、第二环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器；经环形谐振腔调制器后，通过光电探测器、锁相放大器、低通滤波器对顺时针一路信号进行解调输出和对逆时针一路信号进行解调输出。本发明专利技术能够避免高性能可调激光器的使用，降低激光器的设计要求，更利于谐振式光学陀螺的一体化集成；同时可以使折射率波动不再成为传感环的噪声。
【技术实现步骤摘要】
基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法
本专利技术涉及惯性传感领域，具体涉及一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法。
技术介绍
谐振式光学陀螺是利用光学Sagnac效应(萨格纳克效应)实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器件。光学陀螺的核心敏感部件是一个由光波导或光纤组成的无源环形谐振腔，简称谐振腔。当谐振腔绕垂直于所在平面的轴产生转动，则谐振腔内顺时针和逆时针方向传播的光束间将产生正比于旋转角速率的谐振频率差，通过检测该谐振频率差即可获得载体旋转角速率。一般的谐振式光学陀螺信号检测方案中都存在反馈控制回路，通常有单回路和双回路两种形式。单回路指通过反馈控制谐振腔内顺时针或逆时针方向传播光束的频率，使谐振腔内顺时针或逆时针传播的光束处于谐振状态；双回路则指控制谐振腔内顺时针和逆时针方向传播光束的频率，使谐振腔内顺时针或逆时针传播的光束皆处于谐振状态。传统谐振式光学陀螺信号检测方案一般采用高性能可调激光器对谐振腔内传播光束的频率进行调控。在反馈回路中利用高性能可调激光器进行频率锁定的方法容易实现，尤其是在分立的谐振式光学陀螺和半分立的谐振式光纤陀螺中，但从谐振式光学陀螺的发展角度来看，这样的方法存在以下三个问题：其一，高性能可调激光器价格昂贵，实验成本高；其二，高性能可调激光器结构复杂，加大了谐振式光学陀螺中有源器件和无源器件单片集成的难度，不利于谐振式光学陀螺的小型化发展；其三，在频率锁定过程中要求传感环频率响应具有很好的稳定性，而传感环折射率在温度、应力等诸多因素的影响下势必存在波动，故很容易引入噪声。随着技术的发展，便携式光学陀螺需求越来越大，如何设计出体积小、重量轻、耐振动、成本低、具备中高精度的微光学陀螺，是本邻域亟待解决的一个问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，所要解决的技术问题是避免高性能可调激光器的采用，使谐振式光学陀螺更易于集成，同时减少由温度、应力等因素导致的折射率波动带来的噪声。本专利技术为解决上述问题而采用的技术方案是：一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置包括固定激光源、分束器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一调制信号发生器、第二调制信号发生器、第一环形器、第二环形器、光波导环形谐振腔调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、具备双路模数/数模转换的FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程逻辑门阵列)开发板。固定激光器与分束器一端连接；分束器另一端分为逆时针和顺时针两路：逆时针一路中，第一相位调制器、第一环形器、光波导环形谐振器依次连接，顺时针一路中，第二相位调制器、第二环形器、光波导环形谐振腔调制器依次连接；第一调制信号发生器与第一相位调制器连接，第二调制信号发生器与第二相位调制器连接；光波导环形谐振腔调制器、第一环形器、第一光电探测器、第一锁相放大器、第一低通滤波器、FPGA开发板依次连接，形成反馈回路；第二环形器、第二光电探测器、第二锁相放大器、第二低通滤波器、FPGA开发板、计算机依次连接，形成谐振式光学陀螺信号检测输出电路。一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测方法如下：固定激光器输出光通过分束器后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过由第一调制信号发生器调制的第一相位调制器、第一环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器，顺时针一路通过由第二调制信号发生器调制的第二相位调制器、第二环形器后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器；经环形谐振腔调制器后，通过第一光电探测器、第一锁相放大器、第一低通滤波器对顺时针一路信号进行解调输出，通过第二光电探测器、第二锁相放大器、第二低通滤波器对逆时针一路信号进行解调输出；FPGA中第一模数转换器接收顺时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生反馈信号，该信号同时也是环形谐振腔调制器的调制信号，该信号通过第一数模转换器输出，施加到光波导传感环上，对光波导传感环折射率进行调谐以实现频率锁定；FPGA中第二模数转换器接收逆时针一路的解调信号，对信号进行处理后产生信号检测结果，即系统角速率，该检测结果通过第二数模转换器输出，在计算机上显示。所述传感环调谐能够通过调谐光波导环形谐振器(7)的折射率，使其在顺时针方向上的谐振频率锁定在固定激光器的中心频率上，折射率的调谐幅度与光波导环形谐振器(7)中两光路的谐振频率差有关，调谐后光波导环形谐振器的折射率为其中，n0为初始折射率，n为调谐后的折射率，f0为固定激光器(1)中心频率，fCW和fCCW分别为光波导环形谐振器在顺时针和逆时针方向上的谐振频率，G表示抽象函数，表示在这个公式里，n只和fCW-fCCW有关。这是一种高精度的微调，调谐后折射率变化量仅为初始折射率n0的10-12～10-10。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：现有技术中，原本调激光器频率时，传感环折射率会随温度随机波动，产生一些噪声。但是如果调节传感环折射率，它就始终处于一个可控的动态状态。经过本专利技术改进设计后，一是降低了激光器的设计要求，更利于光学陀螺的一体化集成，二是可以使折射率波动不再成为传感环的噪声。本专利技术能够避免高性能可调激光器的使用，降低激光器的设计要求，更利于谐振式光学陀螺的一体化集成；同时通过光波导环形谐振腔调制器使传感环折射率处于一种动态可控的状态，与传统光源调谐方法相比能够减少由温度、应力等因素导致的折射率随机波动带来的噪声，具有重要的科学意义和应用价值。本专利技术基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，通过调谐光波导环形谐振器的折射率使其顺时针方向上的谐振频率锁定在激光器固定中心频率上，避免了高性能可调激光器的使用，降低了激光器的设计要求，更利于谐振式光学陀螺的一体化集成。本专利技术基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测装置及方法，通过光波导环形谐振腔调制器使传感环折射率处于一种动态可控的状态，与传统光源调谐方法相比能够减少由温度、应力等因素导致的折射率随机波动带来的噪声，具有重要的科学意义和应用价值。附图说明图1是基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置示意图。图2是光波导环形谐振腔调制器与直波导的交叉耦合示意图。图3是谐振式光学陀螺解调曲线示意图。图中：1.固定激光源，2.分束器，3.第一相位调制器，4.第二相位调制器，5.第一环形器，6.第一环形器，7.第二环形器，8.第一光电探测器，9.第一锁相放大器，10.第一低通滤波器，11.具备双路模数/数模转换的FPGA开发板,12.第二光电探测器，13.第二锁相放大器，14.第二低通滤波器，15.第一模数转换器，16.第一数模转换器，17.第二模数转换器，18.第二数模转换器，19.计算机，20.第一调制信号发生器，21.第二调制信号发生器。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术做进一步说明。如图1所示，基于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于，包括固定激光源(1)、分束器(2)、第一相位调制器(3)、第二相位调制器(4)、第一调制信号发生器(20)、第二调制信号发生器(21)、第一环形器(5)、第二环形器(6)、光波导环形谐振腔调制器(7)、第一光电探测器(8)、第二光电探测器(12)、第一锁相放大器(9)、第二锁相放大器(13)、第一低通滤波器(10)、第二低通滤波器(14)以及具备双路模数/数模转换的FPGA开发板(11)；/n所述的固定激光器(1)与分束器(2)一端连接，所述的分束器(2)另一端分为逆时针和顺时针两路：/n逆时针一路中，所述的第一相位调制器(3)、第一环形器(5)、光波导环形谐振腔调制器(7)依次连接；顺时针一路中，所述的第二相位调制器(4)、第二环形器(6)、光波导环形谐振腔调制器(7)依次连接；所述的第一调制信号发生器(20)与第一相位调制器(3)连接，所述的第二调制信号发生器(21)与第二相位调制器(4)连接；/n所述的光波导环形谐振腔调制器(7)、第一环形器(5)、第一光电探测器(8)、第一锁相放大器(9)、第一低通滤波器(10)、FPGA开发板(11)依次连接，形成反馈回路；/n所述的光波导环形谐振腔调制器(7)、第二环形器(6)、第二光电探测器(12)、第二锁相放大器(13)、第二低通滤波器(14)、FPGA开发板(11)、计算机(19)依次连接，形成谐振式光学陀螺信号检测输出电路。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置，其特征在于，包括固定激光源(1)、分束器(2)、第一相位调制器(3)、第二相位调制器(4)、第一调制信号发生器(20)、第二调制信号发生器(21)、第一环形器(5)、第二环形器(6)、光波导环形谐振腔调制器(7)、第一光电探测器(8)、第二光电探测器(12)、第一锁相放大器(9)、第二锁相放大器(13)、第一低通滤波器(10)、第二低通滤波器(14)以及具备双路模数/数模转换的FPGA开发板(11)；
所述的固定激光器(1)与分束器(2)一端连接，所述的分束器(2)另一端分为逆时针和顺时针两路：
逆时针一路中，所述的第一相位调制器(3)、第一环形器(5)、光波导环形谐振腔调制器(7)依次连接；顺时针一路中，所述的第二相位调制器(4)、第二环形器(6)、光波导环形谐振腔调制器(7)依次连接；所述的第一调制信号发生器(20)与第一相位调制器(3)连接，所述的第二调制信号发生器(21)与第二相位调制器(4)连接；
所述的光波导环形谐振腔调制器(7)、第一环形器(5)、第一光电探测器(8)、第一锁相放大器(9)、第一低通滤波器(10)、FPGA开发板(11)依次连接，形成反馈回路；
所述的光波导环形谐振腔调制器(7)、第二环形器(6)、第二光电探测器(12)、第二锁相放大器(13)、第二低通滤波器(14)、FPGA开发板(11)、计算机(19)依次连接，形成谐振式光学陀螺信号检测输出电路。
2.一种基于传感环调谐的微型谐振式光学陀螺信号检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于传感环调谐的谐振式光学陀螺信号检测装置，所述的方法包括以下步骤：
固定激光器(1)输出光通过分束器(2)后分为逆时针和顺时针两路，逆时针一路通过由第一调制信号发生器(20)调制的第一相位调制器(3)、第一环形器(5)后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器(7)，顺时针一路通过由第二调制信号发生器(21)调制的第二相位调制器(4)、第二环形器(6)后经过交叉耦合进入光波导环形谐振腔调制器(7)；经光波导环形谐振腔调...
【专利技术属性】
技术研发人员：林孟欣，储涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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