一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器出射光通过信号分束器分束成顺、逆时针两路光，分别依次进入声光移频器、电光调制器、光纤耦合器、空心光子带隙光纤谐振腔、光电探测器、数字锁相放大器，并分别通过可调谐激光器和声光移频器形成频率闭环反馈。双环空心光子带隙光纤结构使得顺、逆时针光波分别在独立的谐振腔中互不影响地传播，能够提高温度稳定性，并有效抑制光学克尔效应、瑞利背向散射等非互易效应噪声。双闭环数字解调方法将顺、逆时针两光路中光频率锁定在各自传输的谐振频率处，使得系统工作在线性区中，有效提高了系统角速度检测的线性范围及标度因数的线性度。

【技术实现步骤摘要】
一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法
本专利技术涉及谐振式光纤陀螺
，尤其涉及一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法。
技术介绍
谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器，通过检测由Sagnac效应产生的谐振频率差实现角速度的高精度测量，是目前光纤陀螺领域研究的重点。较干涉式光纤陀螺，谐振式光纤陀螺通过多光束干涉增强效应，能够通过单圈光纤谐振腔实现数百米光纤环下干涉式光纤陀螺相同的检测精度，避免了温度、应力不均等因素造成的非互易性，有利于系统小型化和集成化。谐振式光纤陀螺目前仍存在实验室样机阶段，还未实现量产。主要原因是一些误差因素导致系统输出性能无法达到设计值，比如：采用了激光器作为光源，系统光路中背向散射和光学克尔效应严重限制了检测精度；光纤谐振腔普遍使用石英光纤，因而受环境温度变化影响较大；传统谐振式光纤陀螺数字解调方案采取的为单闭环反馈，即仅将一路光频率锁定在谐振频率处，另一路光频率与谐振频率偏离量作为系统输出，这种方式将导致系统输出中无法避免的标度因数非线性误差，同时也会限制系统动态测量范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双环并联谐振式陀螺系统及其双闭环数字解调方法，以解决现有技术中存在的普通单模光纤单谐振腔系统中背向散射噪声、光学克尔效应噪声以及输出性能受温度影响大的问题；同时解决传统单闭环数字解调方法中系统动态测量范围窄和标度因数非线性的问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供一种双环并联谐振式陀螺系统，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器Laser发出的光通过信号分束器Coupler1进行分束，其中一束光依次进入声光移频器AOM1、电光调制器EOM1、2×2光纤耦合器Coupler2、光电探测器PD1、数字锁相放大器LIA1并通过声光移频器AOM1形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler2上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR1；另一路光依次进入声光移频器AOM2、电光调制器EOM2、2×2光纤耦合器Coupler3、光电探测器PD2、数字锁相放大器LIA2并通过可调谐激光器Laser形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler3上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR2。进一步地，通过信号分束器Coupler1分束获得两束功率相同的光。进一步地，所述的电光调制器EOM1的正弦调制信号V1＝M1sin(2πf1)和电光调制器EOM2的正弦调制信号V2＝M2sin(2πf2)由同一个数字处理板提供。进一步地，所述空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR1和空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR2由同种空心光子带隙光纤构成，具有相同的光纤长度和光纤环直径，并且上下叠放在一起。进一步地，所述2×2光纤耦合器Coupler2和2×2光纤耦合器Coupler3具有相同的分光比和插入损耗。第二方面，本专利技术实施例提供一种双环并联谐振式陀螺系统的双闭环数字解调方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR2输出的光信号由光电探测器PD2转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA2，数字锁相放大器LIA2参考信号为频率为f2的正弦信号，解调输出信号ΔD2与差值Δfcw成正比，比例系数为k2，差值Δfcw为cw方向光频率与cw方向谐振频率的差值，即ΔD2＝k2·Δfcw，可调谐激光器Laser根据解调数字信号ΔD2对输出光频率进行ΔfLaser的频移调节，其中Δfcw＝ΔfLaser，使得cw光路光频率锁定在cw光路谐振频率处；步骤二：空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR1输出的光信号由光电探测器PD1转换成电信号，并将相应电信号输入到数字锁相放大器LIA1，数字锁相放大器LIA1参考信号为频率为f1的正弦信号，解调输出信号ΔD1与差值Δfccw成正比，比例系数为k1，差值Δfccw为ccw方向光频率与ccw方向谐振频率的差值，即ΔD1＝k1·Δfccw，声光移频器AOM1根据解调数字信号ΔD1对输出光频率进行ΔfAOM1的频移调节，其中Δfccw＝ΔfLaser+ΔfAOM1，使得ccw光路光频率锁定在ccw光路谐振频率处，而声光移频器AOM2在此处不进行移频操作，仅保证ccw和cw两路光的对称性；步骤三：cw光路光频率fcw为f0+ΔfLaser，ccw光路光频率fccw为f0+ΔfLaser+ΔfAOM1，且两路光频率均锁定在双环空心光子带隙光纤谐振腔的谐振频率处，角速度检测输出Ωoutput由ccw和cw光频率之差计算得出：K为空心光子带隙光纤谐振腔的光学标度因数，表示为：式中D为空心光子带隙光纤谐振腔直径，n为空心光子带隙光纤折射率，λ为可调谐激光器Laser的波长。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供一种双环并联谐振式陀螺系统，使得原本只在一个光纤谐振环中两束顺、逆时针相向传播的信号光，改为在两个独立的空心光子带隙光纤谐振环中互不影响地分别传播，利用光子带隙效应在空气介质中进行导光与传输，能够消除光克尔效应带来的影响；空心光子带隙光纤是基于光子带隙效应将光波约束在空气纤芯中传播，双折射系数受温度变化影响很小，具有优异的温度低敏性，能显著提高陀螺的环境温度适应性；双环并联空心光子带隙光纤谐振腔结构使得顺、逆时针光波分别在独立的谐振腔中互不影响地分别传播，能够有效抑制背向散射和光克尔效应噪声；双闭环数字解调方法将顺逆两路光频率均锁定在谐振频率处，使得系统始终工作在线性工作区，能够改善标度因数的非线性同时增大系统动态测量范围。提供一种双闭环数字解调方法，将顺、逆两路光频率通过频率反馈均锁定各自的谐振频率上，使得系统始终工作在线性区，减小了标度因数非线性误差同时也增大了系统动态测量范围。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术实施例提供的一种双环并联谐振式陀螺系统的结构示意图；图2是本专利技术实施例中FPGA信号处理板中控制流程图；图3是本专利技术实施例中正弦调制下数字解调原理；图4是本专利技术实施例中双闭环数字解调方案的顺逆两光路频率锁定示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器Laser发出的光通过信号分束器Coupler1进行分束，其中一束光依次进入声光移频器AOM1、电光调制器EOM1、2×2光纤耦合器Coupler2、光电探测器PD1、数字锁相放大器LIA1并通过声光移频器AOM1形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler2上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR1；另一路光依次进入声光移频器AOM2、电光调制器EOM2、2×2光纤耦合器Coupler3、光电探测器PD2、数字锁相放大器LIA2并通过可调谐激光器Laser形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler3上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBG FRR2。/n

【技术特征摘要】
1.一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，包括可调谐激光器Laser，所述可调谐激光器Laser发出的光通过信号分束器Coupler1进行分束，其中一束光依次进入声光移频器AOM1、电光调制器EOM1、2×2光纤耦合器Coupler2、光电探测器PD1、数字锁相放大器LIA1并通过声光移频器AOM1形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler2上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR1；另一路光依次进入声光移频器AOM2、电光调制器EOM2、2×2光纤耦合器Coupler3、光电探测器PD2、数字锁相放大器LIA2并通过可调谐激光器Laser形成频率闭环反馈，其中2×2光纤耦合器Coupler3上耦合连接有空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR2。


2.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，通过信号分束器Coupler1分束获得两束功率相同的光。


3.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，所述的电光调制器EOM1的正弦调制信号V1＝M1ain(2πf1)和电光调制器EOM2的正弦调制信号V2＝M2sin(2πf2)由同一个数字处理板提供。


4.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，所述空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR1和空心光子带隙光纤谐振腔HC-PBGFRR2由同种空心光子带隙光纤构成，具有相同的光纤长度和光纤环直径，并且上下叠放在一起。


5.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统，其特征在于，所述2×2光纤耦合器Coupler2和2×2光纤耦合器Coupler3具有相同的分光比和插入损耗。


6.根据权利要求1所述的一种双环并联谐振式陀螺系统的双闭...

【专利技术属性】
技术研发人员：周一览，邹康，毕然，缪立军，李楠，陈侃，舒晓武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33