单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法，包括光路部分和电路部分；光路部分包括宽谱光源、第一光学环形器、第二光学环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、移频器、第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器共同组成光纤环形谐振腔；电路部分包括宽谱光源供电系统和陀螺信号处理系统。本发明专利技术采用低相干度的宽谱光源，能极大解决现有基于窄线宽光源谐振式光纤陀螺造成的较大寄生噪声问题，从而有效提升陀螺精度。螺精度。螺精度。

【技术实现步骤摘要】
单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法


[0001]本专利技术属于谐振式光学陀螺仪
，特别涉及单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法。

技术介绍

[0002]谐振式光纤陀螺仪(Resonator Fiber Optic Gyro,RFOG)是一种角速度惯性传感器，理论上具有精度高、体积小、动态范围大等优势。RFOG是基于光学Sagnac效应原理的新型光学陀螺，相比已经较为成熟的干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyro,IFOG)，RFOG在理论上能够使用短得多的光纤长度获得相同的极限灵敏度，有利于实现小型化和低成本，同时也可降低和温度有关的Shupe效应，光纤环中由于应力分布不均引入的噪声也会大大减小。此外，RFOG使用的是中心波长髙度稳定的窄线宽激光器，有利于减小波长漂移等带来的标度因素稳定性问题。
[0003]但是，目前RFOG仍未进入工程化应用阶段，其原因在于，以往光源使用窄线宽激光器，具有高相干性和长相干长度的特性，可以产生较窄的谐振曲线，提高光学系统频率检测精度，解决波长漂移等误差带来的标度因素稳定性问题，有利于实现较高精度陀螺性能。但是RFOG的核心敏感部件光纤环形谐振腔一般由实芯保偏光纤构成，长相干长度会使得谐振光在腔内传输时产生额外较强的寄生噪声，例如背向散射噪声、偏振噪声、克尔效应噪声、Shupe效应误差等。为降低此类噪声对陀螺性能的影响，需要在系统中引入相应的噪声抑制措施，如差频调制解调、载波抑制、偏振轴错位熔接、光功率平衡等方法，一定程度上解决上述误差的同时，会导致系统存在体积大、成本高、系统复杂、集成难度大等一系列问题。
[0004]综上，现有谐振式光纤陀螺具有理论精度高的优势，但系统本身的结构决定其存在诸多寄生噪声，为抑制噪声需要引入新的控制方法和装置，导致整体陀螺体积和重量增加，且控制精度无法满足目前的应用需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺及闭环控制方法，能极大解决现有基于窄线宽光源谐振式光纤陀螺造成的较大寄生噪声问题，从而有效提升陀螺精度。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0007]一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺，包括光路部分和电路部分；
[0008]所述光路部分包括宽谱光源、第一光学环形器、第二光学环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、移频器、第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器共同组成光纤环形谐振腔；所述宽谱光源依次连接第一光学环形器和第一耦合器，第一光学环形器还连接第二光电探测器，第一耦合器连接第一光电探测器，第二耦合器依次连接第二光学环形器和移频器；其中，第一光电探测器和第二光电探测器分别连接电路部分；
[0009]所述电路部分包括宽谱光源供电系统和陀螺信号处理系统，其中陀螺信号处理系
统包括：参考信号输入模块、乘法运算模块、低通滤波器LPF、总光功率输入模块、除法运算模块和比例积分微分PID模块；其中，比例积分微分PID模块连接光路部分的宽谱光源和移频器；第二光电探测器的信号和参考信号输入模块的信号经过乘法运算模块输送至低通滤波器LPF进行滤波，滤波后的信号和总光功率输入模块输入的功率经过除法运算模块能得到误差信号，误差信号和第一光电探测器的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器可锁定控制第二次进入光纤环形谐振腔滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分PID模块后得到陀螺输出。
[0010]本专利技术还包括如下技术特征：
[0011]具体的，所述宽谱光源连接第一光学环形器的A端，第一光学环形器的B端连接第一耦合器的I端，第一光学环形器的C端连接第二光电探测器，第一耦合器的II端连接第一光电探测器，第一耦合器的IV端连接第二耦合器的I端，第二耦合器的II端连接第二光学环形器的A端，第二光学环形器的B端连接移频器的入射端，移频器的出射端连接第二光学环形器的C端。
[0012]具体的，所述宽谱光源选用SLD光源、LED光源或ASE光源；
[0013]所述移频器选用声光移频器或相位调制器；
[0014]所述光纤环形谐振腔包括单匝或多匝保偏光纤环、第一耦合器、第二耦合器；
[0015]所述陀螺信号处理系统中参考信号选用正弦波、三角波或锯齿波。
[0016]所述的单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺的闭环控制方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1、宽谱光源出射的光经过第一光学环形器后，一部分光经过第一耦合器的II端在第一光电探测器处被探测，转换为电信号后进入陀螺信号处理系统作为监测光功率的信号，另一部分光经过第一耦合器的IV端进入光纤环形谐振腔，形成沿顺时针(CW)方向传输的谐振光，实现宽谱光源的第一次滤波，滤波后从第二耦合器的II端引出，经过第二光学环形器到达移频器；
[0018]步骤2、经过移频器调制和移频控制后的谐振光，经过第二光学环形器和第二耦合器，反向进入光纤环形谐振腔，形成沿逆时针(CCW)方向传输的谐振光，实现第二次滤波，谐振光经第一耦合器的I端出射；
[0019]步骤3、完成第二次滤波后的谐振光从第一耦合器的I端出射至第一光学环形器的B端，从第一光学环形器的C端出射到达第二光电探测器，在第二光电探测器处得到光功率信号，经过光电转换后进入陀螺信号处理系统；
[0020]步骤4、陀螺信号处理系统将第二光电探测器的信号与参考信号进行乘法运算，之后通过低通滤波器LPF与总光功率输入模块输入的功率经过除法运算得到误差信号，误差信号关于f＝0频率点不对称，因此可以区分旋转方向，同时将误差信号与第二光电探测器的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器可锁定控制第二次进入谐振环路滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分PID模块后进行系数转换可以作为Sagnac频移和陀螺转速的线性输出指标，即陀螺输出，至此能实现陀螺的转动方向与转速检测。
[0021]具体的，所述步骤1和步骤2中，在第一耦合器前使用第一光学环形器，将进入光纤
环形谐振腔的顺时针(CW)方向的谐振光和光纤环形谐振腔出射的逆时针(CCW)方向的谐振光分别引入和引出。
[0022]具体的，所述步骤2中，经过光纤环形谐振腔的第一耦合器的I端出射的二次滤波光谱信号P用公式(1)表示为：
[0023][0024]其中，R为耦合器的分光比，υ为频率，Δυ为光纤环形谐振腔的自由光谱范围。
[0025]具体的，所述步骤3中，完成第二次滤波后的谐振光在第二探测器处探测到光功率信号P
out
用公式(2)表示为：
[0026]P
out
＝P
in
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺，其特征在于，包括光路部分和电路部分；所述光路部分包括宽谱光源(1)、第一光学环形器(2)、第二光学环形器(7)、第一光电探测器(4)、第二光电探测器(9)、移频器(8)、第一耦合器(3)和第二耦合器(6)，第一耦合器(3)和第二耦合器(6)共同组成光纤环形谐振腔(5)；所述宽谱光源(1)依次连接第一光学环形器(2)和第一耦合器(3)，第一光学环形器(2)还连接第二光电探测器(9)，第一耦合器(3)连接第一光电探测器(4)，第二耦合器(6)依次连接第二光学环形器(7)和移频器(8)；其中，第一光电探测器(4)和第二光电探测器(9)分别连接电路部分；所述电路部分包括宽谱光源供电系统和陀螺信号处理系统(10)，其中陀螺信号处理系统(10)包括：参考信号输入模块(11)、乘法运算模块、低通滤波器LPF(12)、总光功率输入模块(13)、除法运算模块和比例积分微分PID模块(14)；其中，比例积分微分PID模块(14)连接光路部分的宽谱光源(1)和移频器(8)；第二光电探测器(9)的信号和参考信号输入模块(11)的信号经过乘法运算模块输送至低通滤波器LPF(12)进行滤波，滤波后的信号和总光功率输入模块(13)输入的功率经过除法运算模块能得到误差信号，误差信号和第一光电探测器(4)的监测信号对比得到对比处理后的信号；一部分对比处理后的信号反馈移频器(8)可锁定控制第二次进入光纤环形谐振腔(5)滤波前的工作光中心频率，形成闭环控制，同时反馈至宽谱光源(1)；另一部分对比处理后的信号经过比例积分微分PID模块(14)后得到陀螺输出。2.如权利要求1所述的单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述宽谱光源(1)连接第一光学环形器(2)的A端，第一光学环形器(2)的B端连接第一耦合器(3)的I端，第一光学环形器(2)的C端连接第二光电探测器(9)，第一耦合器(3)的II端连接第一光电探测器(4)，第一耦合器(3)的IV端连接第二耦合器(6)的I端，第二耦合器(6)的II端连接第二光学环形器(7)的A端，第二光学环形器(7)的B端连接移频器(8)的入射端，移频器(8)的出射端连接第二光学环形器(7)的C端。3.如权利要求1所述的单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺，其特征在于，所述宽谱光源(1)选用SLD光源、LED光源或ASE光源；所述移频器(8)选用声光移频器或相位调制器；所述光纤环形谐振腔(5)包括单匝或多匝保偏光纤环、第一耦合器(3)、第二耦合器(6)；所述陀螺信号处理系统(10)中参考信号选用正弦波、三角波或锯齿波。4.权利要求2所述的单光束宽谱光源二次滤波谐振式光纤陀螺的闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、宽谱光源出射的光经过第一光学环形器后，一部分光经过第一耦合器的II端在第一光电探测器处被探测，转换为电信号后进入陀螺信号处理系统作为监测光功率的信号，另一部分光经过第一耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐新元，高天香，李俊，吴凡，蓝士祺，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：