基于二次谐波减法的双路闭环谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及其装置。一种实现该方法的装置包括可调谐半导体激光器、隔离器、分光耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一路信号源、第二路信号源、第三相位调制器、第四相位调制器、入腔耦合器、光学环形谐振腔、出腔耦合器、第一路光电探测器、第一路锁相放大器、频率伺服回路、第三路锁相放大器、第二路光电探测器、第二路锁相放大器、移频模块、第四路锁相放大器和谐波减法补偿模块。本发明专利技术能有效减少Kerr效应带来的陀螺输出误差，采用的谐波相减算法，能做到实时补偿，算法只需在代码中实现，无需额外的光学器件和电学模块，结构简单，有利于系统小型化。

【技术实现步骤摘要】
基于二次谐波减法的双路闭环谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及装置
本专利技术涉及光学传感以及信号检测
，尤其涉及一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及其装置。
技术介绍
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惯性传感器。Kerr效应噪声是由于光强的变化而引起光学器件折射率的变化而引入的误差。可调谐窄线宽半导体激光器是实现谐振式光学陀螺系统小型化的重要光源。在采用半导体激光器作为光源的谐振式光学陀螺信号检测系统中，通常采用调谐半导体激光器注入电流的方法将出射光的频率锁定在光学环形谐振腔的谐振频率，从而实现系统环路的闭环锁定。然而，当半导体激光器的注入电流发生改变时，激光器的输出光功率同时会受到一定的伴随强度调制，这种伴随强度调制效应会引起Kerr效应噪声，进而产生陀螺输出的误差。另一方面，陀螺系统中各元器件性能的不稳定带来的光功率波动也会引入Kerr效应噪声。采取一定的方法抑制Kerr效应噪声对改善谐振式光学陀螺的性能具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术是针对现有双路闭环谐振式光学陀螺系统中半导体激光器的强度调制及其它元器件不稳定带来的光功率波动诱发的Kerr效应噪声问题，提出了一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及其装置。一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法，包括如下步骤：1)根据Sagnac效应和对由Kerr效应产生的扰动传播系数进行积分，Kerr效应引起的误差ΩK可以表示为：式中，uCW＝kc0(1-ɑc0)(1-ɑPM1)(1-ɑPM3)，其中kc0和ɑc0分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑPM1和ɑPM3分别为第一相位调制器(4)和第三相位调制器(8)的插入损耗，uCCW＝kc0(1-ɑc0)(1-ɑPM2)(1-ɑPM4)，ɑPM2和ɑPM4分别为第二相位调制器(5)和第四相位调制器(9)的插入损耗，kc1和ɑc1分别为入腔耦合器(10)的耦合系数和插入损耗，kc2和ɑc2分别为出腔耦合器(12)的耦合系数和插入损耗，αL是光在光学谐振腔中的传输损耗，FSR＝c/(nrL)是自由谱线宽度，nr是光学谐振腔的介质折射率，c是真空中的光速，ω是激光器输出光的中心角频率，η是光学谐振腔介质的阻抗，A是光功率接受面的面积，n2为Kerr系数，I0为激光器初始输出光强，Δfe是由环境因素引起的第一锁定回路谐振点漂移，kf和ki分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，fM_CW和fM_CCW是经过相位调制器之后的等效调频信号。2)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第一、二闭环路的二次频信号Vd2_CW、Vd2_CCW的表达式：式中，Jn(M)为贝塞尔函数，M为相位调制系数，I0为激光器初始输出光强，Δfe是由环境因素引起的第一锁定路谐振点漂移，kf和ki分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，h’n、hn分别为第一、二回路的谐振腔传递函数的幅度特性，为第一、二回路谐振腔传递函数的相位特性，P1、P2分别为为光电探测器(17)和(13)的转换系数，AD1、AD2分别为锁相放大器(19)和(16)的增益。定义一个归一化后的二倍频信号，表达式如下：步骤(1)中的和可以表示为：k1、k2为Kerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数，因此，通过两路归一化后的二倍频差信号来表示Kerr效应引起的误差：k1和k2近似相等，因此，最终的陀螺输出为：ΩF'＝ΩF-k1·(PCW-PCCW)，ΩF为初始陀螺输出，包含了Kerr误差。其中，k1、k2由理论推导的表达式计算得到；或者通过测试最终的陀螺输出与归一化后的二倍频差之间的实际关系，并线性拟合两者的关系来得到k1与k2；k1、k2理论推导的表达式为：本专利技术还公开了一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制装置，包括可调谐半导体激光器、隔离器、50％耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一路信号源、第二路信号源、第三相位调制器、第四相位调制器、入腔耦合器、光学环形谐振腔、出腔耦合器、第一路光电探测器、第一路锁相放大器、频率伺服回路、第三路锁相放大器、第二路光电探测器、第二路锁相放大器、第四路锁相放大器、移频模块和谐波减法算法模块，其中入腔耦合器和出腔耦合器都是95％的耦合器；可调谐半导体激光器与隔离器相连，隔离器与50％耦合器相连，50％耦合器两路输出分别与第一相位调制器和第二相位调制器相连，第一相位调制器与第三相位调制器相连，第二相位调制器和第四相位调制器相连，第三相位调制器和第四相位调制器的输出光通过入腔耦合器进入光学环形谐振腔，光学环形谐振腔的两路光通过出腔耦合器输出，出腔耦合器的输出端分别与第一路光电探测器和第二路光电探测器相连，第一路光电探测器的输出端分别与第一路锁相放大器、第三路锁相放大器相连，第一路锁相放大器输出与频率伺服回路相连，频率伺服回路输出与可调谐半导体激光器调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器输出与谐波减法算法模块相连接，第二路光电探测器输出与第二路锁相放大器、第四路锁相放大器相连，第二路锁相放大器输出与移频模块相连接，移频模块输出与第一路相位调制器连接，构成第二伺服回路，同时移频模块的输出端还与谐波减法模块连接，提供初始陀螺输出信号；第一路信号源作为第一相位调制器的调制信号；第二路信号源作为第二相位调制器的调制信号。本专利技术与现有技术相比具有的有益效果：1)本专利技术能有效抑制因光强变化在系统中引入的Kerr效应噪声，提高陀螺输出的精度和稳定性。2)本专利技术采用的分别检测两个回路二次频解调输出信号来表征陀螺入腔光强，能做到实时监测，方法简单，无需增加额外的光学及电学器件，有利于系统小型化。3)本专利技术通过实测结果线性拟合陀螺输出与两路归一化后的二倍频差的关系来得到光功率差和Kerr效应噪声的关系，从而得到Kerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数；同时，通过线性拟合的方法，可以将淹没在陀螺输出信号噪声中的微弱的Kerr效应误差随光功率差的变化直观显示。4)本专利技术采用的谐波减法算法，两个回路二次频解调输出和第一回路一次频解调输出作为谐波减法算法模块的输入，能做到实时补偿，该算法只需在代码中即可实现相关参数的实时补偿调整，无需增加额外的光学及电学器件，结构简单，有利于系统小型化。附图说明图1是基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声抑制的结构图；图1中：可调谐半导体激光器(1)、隔离器(2)、50％耦合器(3)、第一相位调制器(4)、第二相位调制器(5)、第一路信号源(6)、第二路信号源(7)、第三相位调制器(8)、第四相位调制器(9)、入腔耦合器(10)、光学环形谐振腔(11)、出腔耦合器(12)、第一路光电探测器(13)、第一路锁相放大器(14)、频率伺服回路(15)、第三路锁相放大器(16)、第二路光电探测器(17)、第二路锁相放大器(18)、第四路锁相放大器(19)、移频模块(20)和谐波减法算法模块(21)。图2为未采用谐波减法的陀螺输出与归一化后二倍频差的关系图。图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：1)根据Sagnac效应和对由Kerr效应产生的扰动传播系数进行积分，Kerr效应引起的误差ΩK可以表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：1)根据Sagnac效应和对由Kerr效应产生的扰动传播系数进行积分，Kerr效应引起的误差ΩK可以表示为：式中，uCW＝kc0(1-ɑc0)(1-ɑPM1)(1-ɑPM3)，其中kc0和ɑc0分别是50％耦合器(3)的耦合系数和插入损耗，ɑPM1和ɑPM3分别为第一相位调制器(4)和第三相位调制器(8)的插入损耗，uCCW＝kc0(1-ɑc0)(1-ɑPM2)(1-ɑPM4)，ɑPM2和ɑPM4分别为第二相位调制器(5)和第四相位调制器(9)的插入损耗，kc1和ɑc1分别为入腔耦合器(10)的耦合系数和插入损耗，kc2和ɑc2分别为出腔耦合器(12)的耦合系数和插入损耗，αL是光在光学谐振腔中的传输损耗，FSR＝c/(nrL)是自由谱线宽度，nr是光学谐振腔的介质折射率，c是真空中的光速，ω是激光器输出光的中心角频率，η是光学谐振腔介质的阻抗，A是光功率接受面的面积，n2为Kerr系数，I0为激光器初始输出光强，Δfe是由环境因素引起的第一锁定回路谐振点漂移，kf和ki分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，fM_CW和fM_CCW是经过相位调制器之后的等效调频信号；2)运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第一、二闭环路的二次频信号Vd2_CW、Vd2_CCW的表达式：式中，Jn(M)为贝塞尔函数，M为相位调制系数，h’n、hn分别为第一、二回路的谐振腔传递函数的幅度特性，分别为第一、二回路谐振腔传递函数的相位特性，P1、P2分别为为光电探测器(17)和(13)的转换系数，AD1、AD2分别为锁相放大器(19)和(16)的增益；定义一个归一化后的二倍频信号，表达式如下：步骤(1)中的和可以表示为：k1、k2为Kerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数，因此，通过两路归一化后的二倍频差信号来表示Kerr效应引起的误差：k1和k2近似相等，因此，最终的陀螺输出为：ΩF'＝ΩF-k1·(PCW-PCCW)，ΩF为初始陀螺输出，包含了Kerr误差；其中，k1、k2由理论推导的表达式计算得到；或者通过测试最终的陀螺输出与归一化后的二倍频差之间的实际关系，并线性拟合两者的关系来得到k1与k2；k1、k2理论推导的表达式为：2.一种基于二次谐波减法技...

【专利技术属性】
技术研发人员：应迪清，叶科斌，王泽宇，谢涛，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33