基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置和方法。该装置包括：光源、第一光耦合器、可调节光延迟线、第一光环形器、第二光环形器、Sagnac环、第二光耦合器、光调制器、色散元件、光电探测器、微波放大器和功分器。本发明专利技术通过将Sagnac环由第一光环形器和第二光环形器连接在马赫曾德尔干涉仪(MZI)的两个臂之间，使Sagnac效应引起的相位变化转化为MZI输出干涉信号的自由光谱范围(FSR)变化，进而映射为光电振荡器产生微波信号的频率变化；因此通过监测光电振荡器输出微波信号的频率变化可获得Sagnac环旋转的角速度。本发明专利技术利用微波光子滤波技术，可在提高测量灵敏度的同时，增大角速度测量的范围；且具有结构简单、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置和方法
本专利技术涉及角速度测量和微波光子
，尤其涉及一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置和方法。
技术介绍
角速度测量技术作为惯性系统中的一个重要部分，在军事、航海航空、通信、工业和民用导航等领域具有广泛的应用。基于光学技术的角速度测量方案因其测量精度高、重量轻、动态范围大等优点，受到国内外相关学者的广泛关注和研究。其基本原理是基于Sagnac效应[EJPost.Sagnaceffect.ReviewsofModernPhysics，1967，39(2)：475-493.]，即在光环路中沿正反向传输的两束光在光环路旋转状态下会产生一个与旋转角速度相关的相位差。自Sagnac效应被首次发现和报道后，人们不断探索利用该效应进行角速度测量的方案。最初的基于光学技术的角速度测量方案为环形激光腔，其在旋转状态下，会产生沿环路正反向传输的两束激光，通过测量该两束光的频差即可获得角速度。基于环形激光腔的角速度测量方案因为将相位差转换成频率差，因此测量灵敏度高，但系统比较复杂，制作成本高，且存在闭锁效应，需要采用一些其他的方法来消除该效应。随着光纤及其制造技术的发展和成熟，基于光纤环路的角速度测量方案不断出现。目前技术比较成熟的方案为基于干涉式光纤结构的角速度测量方案，其通过光纤环路中沿相反方向传输的两束光的相位差来测量角速度。一般来说，该方案测量灵敏度较低。为了提高测量灵敏度，一些学者将沿环路传输的光信号替换为原子或者离散的光子对，也有的学者利用四波混频效应代替传统的光分束器，将光束分离成两束。但利用这些方案，灵敏度提高程度有限，或者系统变得比较复杂，难以在实际中应用。现有技术中，基于谐振式的光纤结构成为人们研究的热点，其与基于环形激光腔的角速度测量方案一样，利用频率差来测量角速度，因此测量灵敏度较高，且该方案采用光纤环路，不需要精密的制造工艺，但这种方案的测量性能与谐振腔的品质因数(Q值)有关，且需要复杂的解调和反馈结构来获得角速度，因此为了实现实用化，还有很多问题需要解决。另外，也有一些基于慢光和受激布里渊散射等效应进行角速度测量的方案。因此，有必要设计一种微波光子滤波器，通过光环路来感知旋转角速度，采用光电振荡器将Sagnac效应引起的相位变化转换为其产生微波信号的频率变化，降低系统复杂度、提高角速度测量的灵敏度和动态范围。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置和方法，以解决上述
技术介绍
中的问题。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：本专利技术的一方面，提供了一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置。本专利技术的实施例提供的一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，该装置包括：光源、第一光耦合器、可调节光延迟线、第一光环形器、第二光环形器、Sagnac环、第二光耦合器、光调制器、色散元件、光电探测器、微波放大器和功分器；其中所述光源采用宽谱光源，其输出端连接所述第一光耦合器；所述第一光耦合器和所述第二光耦合器之间形成MZI，所述第一光耦合器用于将所述光源产生的光信号均匀分成两路，使其沿所述MZI的两个臂传输，所述第二光耦合器用于将沿所述MZI的两个臂传输的两路光信号合成一路光信号，使其发生干涉；所述可调节光延迟线的输入端连接所述第一光耦合器，输出端连接所述第一光环形器的a端口，用于使所述MZI的两个臂上的光信号产生一个初始相位差Δφ0；所述第二光环形器的a端口连接所述第一光耦合器的另一个输出端；所述Sagnac环连接所述第一光环形器和所述第二光环形器的b端口；所述第一光环形器和所述第二光环形器的c端口连接所述第二光耦合器的输入端；所述光调制器的输入端连接所述第二光耦合器的输出端，用于将光电振荡器所产生的微波信号调制到所述MZI输出的光信号上，产生调制信号；所述色散元件的输入端连接所述光调制器，输出端连接所述光电探测器；由所述色散元件输出的光信号经过所述光电探测器转变为电信号，所述电信号经过所述微波放大器放大后，由所述功分器分成两部分，其中一部分加载到所述光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出，测量所述Sagnac环旋转的角速度。优选地，所述第一光耦合器、可调节光延迟线、第一光环形器、第二光环形器、Sagnac环和第二光耦合器形成MZI；其中进入所述第一光环形器a端口的光信号，依次通过所述Sagnac环、所述第二光环行器b端口后，从所述第二光环行器c端口汇入所述第二光耦合器的输入端；进入所述第二光环形器a端口的光信号，依次通过所述Sagnac环、所述第一光环行器b端口后，从所述第一光环行器c端口汇入所述第二光耦合器的输入端。优选地，所述Sagnac环作为角速度测量单元，以角速度Ω进行旋转；所述Sagnac环采用光纤构成，所述光纤包括但不限于：单模光纤、保偏光纤。优选地，所述色散元件，用于引入一个与频率相关的延迟；所述色散元件包括但不限于：单模光纤、线性啁啾光纤光栅和光环形器的组合、色散补偿光纤。优选地，所述光调制器包括但不限于：铌酸锂调制器、电吸收调制器。优选地，所述光源、MZI、光调制器、色散元件、光电探测器构成一个微波光子滤波器。优选地，所述Sagnac环置于所述MZI两臂之间，用于使Sagnac效应引起的相位变化转化为MZI输出干涉信号的FSR变化；当所述色散元件的群速度色散固定时，将角速度映射到所述微波光子滤波器的中心频率上，进而映射到所述光电振荡器所产生微波信号的频率变化上。本专利技术的另一方面，提供了一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量方法。本专利技术的实施例提供的一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量方法，其特征在于，该方法包括：所述光源连接所述第一光耦合器得到两路光信号，两路光信号沿所述MZI的两个臂传输，分别进入所述第一光环形器和所述第二光环形器后，相继通过所述Sagnac环沿所述MZI的两个臂交换传输，再由所述第二光耦合器合成一路光信号发生干涉；所述第二光耦合器输出的干涉光信号经过所述光调制器得到调制信号，所述调制信号依次进入所述色散元件、所述光电探测器转变为电信号；所述电信号经过所述微波放大器传输给所述功分器，所述功分器输出的一部分电信号加载到所述光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，所述功分器输出的另一部分电信号作为微波信号的输出；测量出所述Sagnac环静止时，所述功分器输出的微波信号的初始频率fOSC，测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时，所述功分器输出的微波信号的频率fO′SC；根据所述fOSC、fO′SC和所述光电振荡器环路的参数，计算出所述角速度Ω。优选地，所述的测量出所述Sagnac环静止时，所述功分器输出的微波信号的初始频率fOSC，测量出所述Sagnac环以角速度Ω进行旋转时，所述功分器输出的微波信号的频率fO′SC，包括：当所述Sagnac环静止时，所述光电振荡器产生微波信号的频率为：其中，D为色散元件的群速度色散，单位为ps/nm，ΔλFSR为Sagnac环静止时，MZI的初始FSR，其表达式为：ΔλFSR＝λ2/(neffΔL0)，λ为光信号的波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，ΔL0＝Δφ0/k，为MZI两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，该装置包括：光源、第一光耦合器、可调节光延迟线、第一光环形器、第二光环形器、Sagnac环、第二光耦合器、光调制器、色散元件、光电探测器、微波放大器和功分器；其中所述光源采用宽谱光源，其输出端连接所述第一光耦合器；所述第一光耦合器和所述第二光耦合器之间形成MZI，所述第一光耦合器用于将所述光源产生的光信号均匀分成两路，使其沿所述MZI的两个臂传输，所述第二光耦合器用于将沿所述MZI的两个臂传输的两路光信号合成一路光信号，使其发生干涉；所述可调节光延迟线的输入端连接所述第一光耦合器，输出端连接所述第一光环形器的a端口，用于使所述MZI的两个臂上的光信号产生一个初始相位差Δφ0；所述第二光环形器的a端口连接所述第一光耦合器的另一个输出端；所述Sagnac环连接所述第一光环形器和所述第二光环形器的b端口；所述第一光环形器和所述第二光环形器的c端口连接所述第二光耦合器的输入端；所述光调制器的输入端连接所述第二光耦合器的输出端，用于将光电振荡器所产生的微波信号调制到所述MZI输出的光信号上，产生调制信号；所述色散元件的输入端连接所述光调制器，输出端连接所述光电探测器；由所述色散元件输出的光信号经过所述光电探测器转变为电信号，所述电信号经过所述微波放大器放大后，由所述功分器分成两部分，其中一部分加载到所述电光调制元件的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出，测量所述Sagnac环旋转的角速度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，该装置包括：光源、第一光耦合器、可调节光延迟线、第一光环形器、第二光环形器、Sagnac环、第二光耦合器、光调制器、色散元件、光电探测器、微波放大器和功分器；其中所述光源采用宽谱光源，其输出端连接所述第一光耦合器；所述第一光耦合器和所述第二光耦合器之间形成MZI，所述第一光耦合器用于将所述光源产生的光信号均匀分成两路，使其沿所述MZI的两个臂传输，所述第二光耦合器用于将沿所述MZI的两个臂传输的两路光信号合成一路光信号，使其发生干涉；所述可调节光延迟线的输入端连接所述第一光耦合器，输出端连接所述第一光环形器的a端口，用于使所述MZI的两个臂上的光信号产生一个初始相位差Δφ0；所述第二光环形器的a端口连接所述第一光耦合器的另一个输出端；所述Sagnac环连接所述第一光环形器和所述第二光环形器的b端口；所述第一光环形器和所述第二光环形器的c端口连接所述第二光耦合器的输入端；所述光调制器的输入端连接所述第二光耦合器的输出端，用于将光电振荡器所产生的微波信号调制到所述MZI输出的光信号上，产生调制信号；所述色散元件的输入端连接所述光调制器，输出端连接所述光电探测器；由所述色散元件输出的光信号经过所述光电探测器转变为电信号，所述电信号经过所述微波放大器放大后，由所述功分器分成两部分，其中一部分加载到所述电光调制元件的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出，测量所述Sagnac环旋转的角速度。2.根据权利要求1所述的基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述第一光耦合器、可调节光延迟线、第一光环形器、第二光环形器、Sagnac环和第二光耦合器形成MZI；其中进入所述第一光环形器a端口的光信号，依次通过所述Sagnac环、所述第二光环行器b端口后，从所述第二光环行器c端口汇入所述第二光耦合器的输入端；进入所述第二光环形器a端口的光信号，依次通过所述Sagnac环、所述第一光环行器b端口后，从所述第一光环行器c端口汇入所述第二光耦合器的输入端。3.根据权利要求1所述的基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述Sagnac环作为角速度测量单元，以角速度Ω进行旋转；所述Sagnac环采用光纤构成，所述光纤包括但不限于：单模光纤、保偏光纤。4.根据权利要求1所述的基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述色散元件，用于引入一个与频率相关的延迟；所述色散元件包括但不限于：单模光纤、线性啁啾光纤光栅和光环形器的组合、色散补偿光纤。5.根据权利要求1所述的基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述光调制器包括但不限于：铌酸锂调制器、电吸收调制器。6.根据权利要求2所述的基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，其特征在于，所述光源、MZI、光调制器、色散元件、光电探测器构成一个微波光子滤波器。7.根据权利要求6所述的基于宽带可调谐光电振荡器的角速度测量装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王目光，张静，唐宇，丁琪，牟宏谦，武蓓蕾，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11