专利名称：一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种高度互易的调制的谐振式光学陀螺的检测装置及方法。
背景技术：
谐振式光学陀螺(Resonator Optic Gyro，R0G)是利用光学Sagnac效应实现转动检测的一种高精度的惯性传感器。相比微机械陀螺(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS), ROG无振动部件，有较强的抗振动和抗冲击能力，且对重力加速度不敏感；相比干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro, IFOG), ROG通过环形谐振腔来增强Sagnac效应，在小型化和低成本上具有很大的优势。Sagnac效应是一种非常微弱的效应,而实际谐振式光学陀螺中存在着各种光学噪声，特别是背向散射噪声，严重制约着陀螺精度的提高。一般地，为减小背向散射噪声影响，需要对ROG中顺时针(Clockwise, CW)和逆时针(Counterclockwise, CCW)方向光波采用不同的频率调制和解调技术。然而，CW和CCW光束采用不同的频率调制和解调技术，不可避免地增大了系统的非互易性，使得非互易性噪声对ROG的影响大大增加。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置及方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块；可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器顺次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，光学分路器分别与第二相位调制器、第三相位调制器相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，第三相位调制器与光学谐振腔相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，信号调制解调模块与第三相位调制器相连，光学谐振腔与光电转换器、信号调制解调模块顺次相连，信号调制解调模块与反馈锁定模块相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连。另一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器、第二相位调制器、光学衰减器、光学谐振腔、光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块；可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器顺次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，光学分路器分别与第二相位调制器、光学衰减器相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学衰减器与光学谐振腔相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，光学谐振腔与光电转换器、信号调制解调模块顺次相连，信号调制解调模块与反馈锁定模块相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连。—种高度互易的谐振式光学陀螺的检测方法包括以下步骤1)信号调制可调谐激光器发出的激光经过第一相位调制器调制后，通过光学分路器分成功率相同的两束激光，分别通过第二相位调制器和第三相位调制器，以及调制解调模块产生信号检测调制信号U1 (t)驱动第一相位调制器完成相位调制，信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U2 (t)和％(0分别驱动第二相位调制器和第三相位调制器完成相位调制；
2)信号的解调完成相位调制的激光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，分别进入光电转换器转换成电信号，对逆时针路的电信号以及顺时针和逆时针路的电信号之差，使用与检测调制信号U1U)同频的参考信号进行解调；
3)陀螺信号输出逆时针光束得到的电信号解调后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对误差信号进行比例与积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，使得激光器的输出光的频率稳定在谐振式光学陀螺的逆时针谐振频率，而逆时针和顺时针的两个谐振光束转换成电信号相减后解调，得到光学陀螺信号，输出至数据记录仪记录。另一种高度互易的谐振式光学陀螺检测方法包括以下步骤
1)信号调制可调谐激光器发出的激光经过第一相位调制器调制后，通过光学分路器分成功率相同的两束激光，分别通过第二相位调制器调制和光学衰减器，以及信号调制解调模块产生信号检测调制信号U1U)驱动第一相位调制器完成相位调制，信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U2 (t)驱动第二相位调制器完成相位调制；
2)信号的解调完成相位调制的激光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐 振光束，分别进入光电转换器转换成电信号，对逆时针路的电信号以及顺时针和逆时针路的电信号之差，使用与仏(0同频的参考信号进行解调；
3)陀螺信号输出逆时针光束得到的电信号解调后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对误差信号进行比例与积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，使得激光器的输出光的频率稳定在谐振式光学陀螺的逆时针谐振频率，而两路光束转换成电信号相减后解调，得到光学陀螺信号，输出至数据记录仪记录。本发明具有的有益效果
1)本发明提供的谐振式光学陀螺的检测装置具有高度的互易性，使得谐振式光学陀螺的顺时针光信号和逆时针光信号所携带的噪声具有高度互易性；
2)本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法能很好的消除互易性噪声，提高输出信号的信噪比；
3)本发明提供的调制方法在保证高度互易性的同时又很好地抑制了背向散射噪声，提高了系统的稳定度。


图I是本发明第一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置的结构示意 图2是本发明第二种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置的结构示意 图3是高度互易的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系不意 图4是高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置的具体实施案例示意 图中可调谐激光器I、隔离器2、第一相位调制器3、光学分路器4、第二相位调制器5、第三相位调制器6、第一环形器7、第二环形器8、光学谐振腔9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、电学减法器12、信号调制解调模块13、反馈锁定模块14、数据记录仪15。
具体实施例方式下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。如图I所示，一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块；可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器顺次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，光学分路器分别与第二相位调制器、第三相位调制器相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，第三相位调制器与光学谐振腔相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，信号调制解调模块与第三相位调制器相连，光学谐振腔与光电转换器、信号调制解调模块顺次相连，信号调制解调模块与反馈锁定模块相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连。激光器后端需加隔离器保护，相位调制器，光学谐振腔，光电转换器通过环形器相连。如图2所示，另一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器、第二相位调制器、光学衰减器、光学谐振腔、光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块；可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器顺次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，光学分路器分别与第二相位调制器、光学衰减器相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学衰减器与光学谐振腔相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，光学谐振腔与光电转换器、信号调制解调模块顺次相连，信号调制解调模块与反馈锁定模块相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连。激光器后端需加隔离器保护，相位调制器，光学谐振腔，光电转换器通过环形器相连。如图I所示，一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测方法包括以下步骤
1)信号调制可调谐激光器发出的激光经过第一相位调制器调制后，通过光学分路器分成功率相同的两束激光，分别通过第二相位调制器和第三相位调制器，以及调制解调模块产生信号检测调制信号U1 (t)驱动第一相位调制器完成相位调制，信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U2 (t)和％(0分别驱动第二相位调制器和第三相位调制器完成相位调制；
2)信号的解调完成相位调制的激光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，分别进入光电转换器转换成电信号，对逆时针路的电信号以及顺时针和逆时针路的电信号之差，使用与检测调制信号U1U)同频的参考信号进行解调；
3)陀螺信号输出逆时针光束得到的电信号解调后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对误差信号进行比例与积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，使得激光器的输出光的频率稳定在谐振式光学陀螺的逆时针谐振频率，而逆时针和顺时针的两个谐振光束转换成电信号相减后解调，得到光学陀螺信号，输出至数据记录仪记录。如图2所示，另一种高度互易的谐振式光学陀螺检测方法包括以下步骤
I)信号调制可调谐激光器发出的激光经过第一相位调制器调制后，通过光学分路器分成功率相同的两束激光，分别通过第二相位调制器调制和光学衰减器，以及信号调制解调模块产生信号检测调制信号U1U)驱动第一相位调制器完成相位调制，信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U2 (t)驱动第二相位调制器完成相位调制；
(1)信号的解调完成相位调制的激光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，分别进入光电转换器转换成电信号，对逆时针路的电信号以及顺时针和逆时针路的电信号之差，使用与仏(0同频的参考信号进行解调； (2)陀螺信号输出逆时针光束得到的电信号解调后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对误差信号进行比例与积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，使得激光器的输出光的频率稳定在谐振式光学陀螺的逆时针谐振频率，而两路光束转换成电信号相减后解调，得到光学陀螺信号，输出至数据记录仪记录。如图3所示，我们给出了高度互易的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图，激光器频率始终稳定在逆时针光束的谐振频率，顺时针和逆时针光束的谐振频率差即为谐振式光学陀螺的转动信号。如图4所示，高度互易的谐振式光学陀螺包括可调谐激光器I、隔离器2、第一相位调制器3、光学分路器4、第二相位调制器5、第三相位调制器6、第一环形器7、第二环形器8、光学谐振腔9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、电学减法器12、信号调制解调模块13、反馈锁定模块14、数据记录仪15 ;可调谐激光器I与隔离器2、第一相位调制器3、光学分路器4顺次相连，信号调制解调模块13与第一相位调制器3相连，光学分路器4分别与第二相位调制器5、第三相位调制器6相连，第二相位调制器5与第一环形器7相连，第三相位调制器与第二环形器8相连，信号调制解调模块13与第二相位调制器5相连，信号调制解调模块13与第三相位调制器6相连，第一环形器7与光学谐振腔9相连，第二环形器8与光学谐振腔9相连，第一环形器7与第一光电探测器10相连，第二环形器8与第二光电探测器11相连，第一光电探测器10、第二光电探测器11分别与电学减法器12相连，第二光电探测器11与信号调制解调模块13相连，电学减法器12与信号调制解调模块13相连，信号调制解调模13分别与反馈锁定模块14、数据记录仪15相连，反馈锁定模块14与可调谐激光器I相连。我们使用光学相位调制器作为相位调制器，光电探测器作为光电转换器，在基于FPGA的开发平台上进行代码编写实现信号调制解调模块，反馈锁定模块，使用数字万用表或者个人电脑作为数据记录仪。
权利要求
1.一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置，其特征在于，它包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器、第二相位调制器、第三相位调制器、光学谐振腔、光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块；可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器顺次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，光学分路器分别与第二相位调制器、第三相位调制器相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，第三相位调制器与光学谐振腔相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，信号调制解调模块与第三相位调制器相连，光学谐振腔与光电转换器、信号调制解调模块顺次相连，信号调制解调模块与反馈锁定模块相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连。
2.一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置，其特征在于，它包括由可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器、第二相位调制器、光学衰减器、光学谐振腔、光电转换器、信号调制解调模块、反馈锁定模块；可调谐激光器、第一相位调制器、光学分路器顺次相连，信号调制解调模块与第一相位调制器相连，光学分路器分别与第二相位调制器、光学衰减器相连，第二相位调制器与光学谐振腔相连，光学衰减器与光学谐振腔相连，信号调制解调模块与第二相位调制器相连，光学谐振腔与光电转换器、信号调制解调模块顺次相连，信号调制解调模块与反馈锁定模块相连，反馈锁定模块与可调谐激光器相连。
3.一种应用权利要求I所述装置的高度互易的谐振式光学陀螺的检测方法，其特征在于，包括以下步骤 1)信号调制可调谐激光器发出的激光经过第一相位调制器调制后，通过光学分路器分成功率相同的两束激光，分别通过第二相位调制器和第三相位调制器，以及调制解调模块产生信号检测调制信号U1 (t)驱动第一相位调制器完成相位调制，信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U2 (t)和％(0分别驱动第二相位调制器和第三相位调制器完成相位调制； 2)信号的解调完成相位调制的激光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，分别进入光电转换器转换成电信号，对逆时针路的电信号以及顺时针和逆时针路的电信号之差，使用与检测调制信号U1U)同频的参考信号进行解调； 3)陀螺信号输出逆时针光束得到的电信号解调后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对误差信号进行比例与积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，使得激光器的输出光的频率稳定在谐振式光学陀螺的逆时针谐振频率，而逆时针和顺时针的两个谐振光束转换成电信号相减后解调，得到光学陀螺信号，输出至数据记录仪记录。
4.一种应用权利要求2所述装置的高度互易的谐振式光学陀螺检测方法，其特征在于，包括以下步骤. 1)信号调制可调谐激光器发出的激光经过第一相位调制器调制后，通过光学分路器分成功率相同的两束激光，分别通过第二相位调制器调制和光学衰减器，以及信号调制解调模块产生信号检测调制信号U1 (t)驱动第一相位调制器完成相位调制，信号调制解调模块产生载波抑制调制信号U2 (t)驱动第二相位调制器完成相位调制； . 2)信号的解调完成相位调制的激光，输入光学谐振腔，形成逆时针和顺时针的两个谐振光束，分别进入光电转换器转换成电信号，对逆时针路的电信号以及顺时针和逆时针路的电信号之差，使用与仏(0同频的参考信号进行解调； .3)陀螺信号输出逆时针光束得到的电信号解调后作为误差信号传输至反馈锁定模块，反馈锁定模块对误差信号进行比例与积分运算处理后反馈控制可调谐激光器，使得激 光器的输出光的频率稳定在谐振式光学陀螺的逆时针谐振频率，而两路光束转换成电信号相减后解调，得到光学陀螺信号，输出至数据记录仪记录。
全文摘要
本发明公开了一种高度互易的谐振式光学陀螺的检测装置及方法，本发明首先对激光器输出的光进行较高频率的相位调制，然后通过光学分路器将其分成能量相同的两路光，再分别对其进行较低频率的相位调制，最后这两路光进入光学环形谐振腔。光电转换器将谐振腔出来的两路光信号转换成电信号，逆时针信号解调后作为误差量进行反馈，两路电信号相减后解调得到的结果即为陀螺的输出信号。本发明使谐振式光学陀螺具有高度互易性，而陀螺信号的提取方式又有利于消除互易性噪声。
文档编号G01C25/00GK102636187SQ201210115648
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者王文怡, 金仲和, 马慧莲 申请人:浙江大学