一种保偏全互易双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法与流程

本发明属于高精度光学陀螺技术领域，尤其涉及一种保偏全互易双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法。

背景技术：

高精度的惯性器件是载体进行高精度定位和导航的基础。其中高精度陀螺仪主要分为机械陀螺和光学陀螺两类，因其可检测载体运行姿态，广泛应用于军事、工业、科学等领域。其中光学陀螺相比于机械陀螺，研究时间短，虽然具有结构紧凑、灵敏度高等特点，缺点也很明显。激光陀螺精度高，但工作时存在严重的闭锁效应且成本较高。光纤陀螺主要分为干涉式光纤陀螺和谐振式光纤陀螺两类，前者因温度、振动误差等因素，陀螺精度低；后者降低了干涉式的噪声，但对器件要求较高，目前实用性还待提高。

激光陀螺和光纤陀螺检测载体旋转角速度的基本原理都是萨格纳克效应(sagnaceffect)。由于萨格纳克效应产生的相位差或频率差只与载体旋转角速度相关，而与系统结构无关，因此检测同一光源发出的沿顺时针(cw)和逆时针方向(ccw)传输的两束光产生相位差或频率差，即可间接测得旋转角速度。为了保证检测精度需要沿顺时针(cw)和逆时针方向(ccw)传输的两束光具有严格的互易性，即需要沿顺时针(cw)和逆时针方向(ccw)传输的两束光在顺时针和逆时针的谐振腔传输时具有结构和性能上的等同。因此，高精度全互易的光学陀螺仍是光学陀螺的研究重点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有光学陀螺角速度测量方案的不足，提供一种保偏全互易双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种保偏全互易双向光载微波谐振系统，该系统包括双向光放大器、窄带双向光滤波器、第一光电强度调制器、光耦合器、光纤敏感环工作结构、第二光电强度调制器、第一再生腔延时调节单元、第一高速光电探测器、第一微波滤波放大单元、第一微波功分器、第二再生腔延时调节单元、第二高速光电探测器、第二微波滤波放大单元、第三微波功分器和微波频率差检测单元；

所述双向光放大器、窄带双向光滤波器、第一光电强度调制器、光耦合器、光纤敏感环工作结构、第二光电强度调制器依次连接构成顺时针方向环形谐振腔；顺时针方向谐振光依次经过光耦合器、第一再生腔延时调节单元、第一高速光电探测器、第一微波滤波放大单元、第一微波功分器，输入到第一光电强度调制器，构成顺时针方向再生锁模结构；顺时针方向再生锁模结构产生的电信号通过第一微波功分器输入微波频率差检测单元；

所述双向光放大器、第二光电强度调制器、光纤敏感环工作结构、光耦合器、第一光电强度调制器、窄带双向光滤波器依次连接构成逆时针方向环形谐振腔；逆时针方向谐振光依次经过光耦合器、第二再生腔延时调节单元、第二高速光电探测器、第二微波滤波放大单元、第三微波功分器，输入到第二光电强度调制器，构成逆时针方向再生锁模结构；逆时针方向再生锁模结构产生的电信号通过第三微波功分器输入微波频率差检测单元。

所述光纤敏感环工作结构包括偏振分束器、光纤敏感环、第一正交偏振态调节单元和第二正交偏振态调节单元；

顺时针方向谐振光经过第二正交偏振态调节单元将窄带双向光滤波器的双峰值光谱信号调节为偏振态垂直的两路信号，经过偏振分束器进入光纤敏感环，依次经过偏振分束器、第一正交偏振态调节单元将偏振态调回初始状态；

逆时针方向谐振光依次经过第一正交偏振态调节单元将窄带双向光滤波器的双峰值光谱信号调节为偏振态垂直的两路信号，经过偏振分束器进入光纤敏感环，依次经过偏振分束器、第二正交偏振态调节单元将偏振态调回初始状态。

进一步地，所述保偏全互易双向光载微波谐振系统，采用顺时针方向再生锁模结构和逆时针方向再生锁模结构产生的微波信号输入微波频率差检测单元进行角速度检测。

进一步地，所述窄带双向光滤波器将系统工作时的谐振光载微波信号变为双峰值光谱信号，谱峰对应波长分别为λ1和λ2，λ1和λ2的频率差为调制信号fm，实现双向双频谐振。

进一步地，所述光纤敏感环工作结构中，所述第一正交偏振态调节单元和第二正交偏振态调节单元均由若干偏振分束器和偏振态控制器实现。

进一步地，所述光纤敏感环工作结构中，偏振态垂直的两路信号在敏感环内相向传输时的光速不同，增加敏感环sagnac效应检测增益。

进一步地，所述第一再生腔延时调节单元和第二再生腔延时调节单元作为光程调节单元，采用光纤拉伸器、可调光延时线或空间光位移台。

进一步地，该系统还包括腔长控制系统，所述腔长控制系统包括腔长调节器、第二微波功分器、腔长控制单元和外部时钟参考源，所述腔长调节器设置在双向环形谐振腔内，所述第一微波功分器通过第二微波功分器分别输入微波频率差检测单元、腔长控制单元，所述外部时钟参考源输入腔长控制单元，所述腔长控制单元连接腔长调节器，实现谐振腔腔长稳定。

进一步地，所述腔长调节器包括第一级腔长调节器和第二级腔长调节器，所述第一级腔长调节器的调节范围大于第二级腔长调节器，所述第一级腔长调节器用于慢速调节腔长，所述第二级腔长调节器用于快速调节腔长，所述第一级腔长调节器和第二级腔长调节器作为光程调节单元，采用光纤拉伸器、可调光延时线或空间光位移台。

一种利用保偏全互易双向光载微波谐振系统进行角速度检测的方法，包括以下步骤：

步骤1：双向光放大器的输出光信号分为顺时针和逆时针方向两路；

顺时针方向的工作光经过顺时针方向环形谐振腔和顺时针方向再生锁模结构，通过第一微波功分器实现稳定的f1频率输出；

逆时针方向的工作光经过逆时针方向环形谐振腔和逆时针方向再生锁模结构，通过第三微波功分器实现稳定的f2频率输出；

步骤2：顺时针方向的工作光和逆时针方向的工作光在光纤敏感环工作结构中产生相反的sagnac效应，微波频率差检测单元检测步骤1获得的频率f1和频率f2的频率差即拍频，记为δf；

步骤3：通过以下公式，即可获得旋转角速度ωr

其中，s为光纤敏感环工作结构中光纤敏感环包围的面积，λ为频率f1或频率f2对应的波长，l为光纤敏感环的总光纤长度；g1为顺时针方向工作光进入光纤敏感环中，因分为偏振态垂直的两路敏感sagnac效应产生的增益；g2为逆时针方向工作光进入光纤敏感环中，因分为偏振态垂直的两路敏感sagnac效应产生的增益。

进一步地，当保偏全互易双向光载微波谐振系统具有腔长控制系统时，经过第二微波功分器分配的顺时针方向微波频率f1与外部时钟参考源进行鉴频鉴相，输出信号经过腔长控制单元用于控制腔长调节器，实现顺时针方向谐振腔长锁定；此时，逆时针方向谐振腔长变化量是腔长锁定前的顺时针方向谐振腔长变化量和腔长锁定前的逆时针方向谐振腔长变化量的总和。

本发明的有益效果为：本发明结合双向谐振技术和传统的谐振光学陀螺技术，构建了基于萨格纳克效应(sagnaceffect)原理的保偏全互易双向光载微波谐振系统，该保偏全互易双向光载微波谐振系统通过保偏双向光电振荡获得高度稳定的微波振荡代替传统的光波振荡，并用于旋转角速度的测量。本发明的优势是微波信号可通过放大倍频等方式进行差频检测，与光学差频检测相比，差频检测信号的信噪比更高。尤其全互易的光谐振腔结构使得顺时针和逆时针方向的谐振频率差检测具有更高的精度。同时，系统将其中一个方向的光电振荡频率，即谐振腔长锁定到稳定的标准时钟上，可稳定光电谐振腔的相对腔长，消除了光纤环形腔的温度漂移和光学寄生噪声，进一步提高输出频率稳定性。本发明提供的系统及方法具有实用性强、测量精度高等特点，可以满足高精度光学陀螺应用的要求。

附图说明

图1是本发明一个实施例的保偏全互易双向光载微波谐振系统的组成框图；

图2是本发明另一个实施例的保偏全互易双向光载微波谐振系统的组成框图；

图中：双向光放大器1、窄带双向光滤波器2、第一光电强度调制器5、光耦合器6、第一级腔长调节器7、第二级腔长调节器8、光纤敏感环工作结构9、第二光电强度调制器11、第一再生腔延时调节单元12、第一高速光电探测器13、第一微波滤波放大单元14、第一微波功分器15、第二微波功分器16、腔长控制单元17、外部时钟参考源18、第二再生腔延时调节单元19、第二高速光电探测器20、第二微波滤波放大单元21、第三微波功分器22、微波频率差检测单元23、偏振分束器24、光纤敏感环25、第一正交偏振态调节单元27、第二正交偏振态调节单元29；图中实线部分表示光路连接，是光通路；虚线表示电路连接，是电通路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种保偏全互易双向光载微波谐振系统，该系统包括双向光放大器1、窄带双向光滤波器2、第一光电强度调制器5、光耦合器6、光纤敏感环工作结构9、第二光电强度调制器11、第一再生腔延时调节单元12、第一高速光电探测器13、第一微波滤波放大单元14、第一微波功分器15、第二再生腔延时调节单元19、第二高速光电探测器20、第二微波滤波放大单元21、第三微波功分器22和微波频率差检测单元23；

所述双向光放大器1、窄带双向光滤波器2、第一光电强度调制器5、光耦合器6、光纤敏感环工作结构9、第二光电强度调制器11依次连接构成顺时针方向环形谐振腔；顺时针方向谐振光依次经过光耦合器6、第一再生腔延时调节单元12、第一高速光电探测器13、第一微波滤波放大单元14、第一微波功分器15，输入到第一光电强度调制器5，构成顺时针方向再生锁模结构；顺时针方向再生锁模结构产生的电信号通过第一微波功分器15输入微波频率差检测单元23；

所述双向光放大器1、第二光电强度调制器11、光纤敏感环工作结构9、光耦合器6、第一光电强度调制器5、窄带双向光滤波器2依次连接构成逆时针方向环形谐振腔；逆时针方向谐振光依次经过光耦合器6、第二再生腔延时调节单元19、第二高速光电探测器20、第二微波滤波放大单元21、第三微波功分器22，输入到第二光电强度调制器11，构成逆时针方向再生锁模结构；逆时针方向再生锁模结构产生的电信号通过第三微波功分器22输入微波频率差检测单元23；

所述双向光放大器1的双向输出光分别沿顺时针和逆时针方向经过环形谐振腔，最终回到双向光放大器1完成谐振放大，因此系统具有全互易的结构；

所述光纤敏感环工作结构9包括偏振分束器24、光纤敏感环25、第一正交偏振态调节单元27和第二正交偏振态调节单元29；

顺时针方向谐振光经过第二正交偏振态调节单元29将窄带双向光滤波器2的双峰值光谱信号分离为中心波长分别为λ1和λ2，偏振态垂直的两路光信号，经过偏振分束器24分为λ1和λ2两路进入光纤敏感环25敏感角速度，而后经过偏振分束器24合束，经过第一正交偏振态调节单元27后实现光纤敏感环工作结构9的输出信号与输入信号偏振态一致；

逆时针方向谐振光经过第一正交偏振态调节单元27将窄带双向光滤波器2的双峰值光谱信号分离为中心波长分别为λ1和λ2，偏振态垂直的两路光信号，经过偏振分束器24分为λ1和λ2两路进入光纤敏感环25敏感角速度，而后经过偏振分束器24合束，经过第二正交偏振态调节单元29后实现光纤敏感环工作结构9的输出信号与输入信号偏振态一致；

所述顺时针方向再生锁模结构和逆时针方向再生锁模结构产生的微波信号输入微波频率差检测单元23进行角速度检测，采用微波检频率测提高系统的角速度检测精度。

所述第一再生腔延时调节单元12和第二再生腔延时调节单元19作为光程调节单元，可以采用光纤拉伸器、可调光延时线或空间光位移台。

所述窄带双向光滤波器2将系统工作时的谐振光载微波信号变为双峰值光谱信号，谱峰对应波长分别为λ1和λ2，λ1和λ2的频率差为调制信号fm，实现双向双频谐振。

所述光纤敏感环工作结构9中，所述第一正交偏振态调节单元27和第二正交偏振态调节单元29均可以由若干偏振分束器和偏振态控制器实现。

在光纤敏感环工作结构9内，顺时针方向进入敏感环内传输的两路光信号λ1和λ2，经偏振态分离后在敏感环内相向传输时的光速不同，增加敏感环sagnac效应检测增益；同样逆时针方向进入敏感环内传输的两路光信号λ1和λ2，在敏感环内相向传输时也会增加敏感环sagnac效应检测增益。

顺时针和逆时针方向谐振腔因sagnac效应产生的光程差(相位差)符号相反，导致顺时针和逆时针方向的光程差为两倍的单方向sagnac效应产生的光程差。

利用保偏全互易双向光载微波谐振系统进行角速度检测的方法，包括以下步骤：

步骤1：双向光放大器1的输出光信号分为顺时针和逆时针方向两路；

顺时针方向的工作光先通过窄带双向光滤波器2进行窄带滤波，然后依次通过第一光电强度调制器5、光耦合器6后分为两路，其中第一路继续经过光纤敏感环工作结构9传输，而后光信号经过第二光电强度调制器11后，重新经过双向光放大器1放大，形成顺时针方向光谐振环路；第二路经过第一再生腔延时调节单元12，而后经第一高速光电探测器13进行光电转换，转换生成的微波信号经过第一微波滤波放大单元14进行滤波选频和放大，经过第一微波功分器15进行功率分配后，一路进入第一光电强度调制器5形成顺时针方向再生锁模结构；其中调节第一高速光电探测器13前的第一再生腔延时调节单元12可改变再生锁模回路注入第一光电强度调制器5的微波相位，实现稳定的f1频率输出；

逆顺时针方向的工作光先经过第二光电强度调制器11，而后依次经过光纤敏感环工作结构9、光耦合器6将其分为两路，第一路继续经第一光电强度调制器5回到偏窄带双向光滤波器2进行窄带滤波，然后重新经过双向光放大器1放大，形成逆时针方向光谐振环路；第二路经过第二再生腔延时调节单元19后，经第二高速光电探测器20进行光电转换，转换生成的微波信号经过第二微波滤波放大单元21进行微波选频和放大，经过第三微波功分器22进行功率分配后，一路进入第二光电强度调制器11形成再生锁模结构；其中调节第二高速光电探测器20前的第二再生腔延时调节单元19可改变再生锁模回路注入第二光电强度调制器11的微波相位，实现稳定的f2频率输出；

步骤2：顺时针方向的工作光和逆时针方向的工作光在光纤敏感环工作结构9中产生相反的sagnac效应，微波频率差检测单元23检测步骤1获得的频率f1和频率f2的频率差即拍频，记为δf；

步骤3：通过以下公式，即可获得旋转角速度ωr

其中，s为光纤敏感环工作结构中光纤敏感环包围的面积，λ为频率f1或频率f2对应的波长，l为光纤敏感环的总光纤长度；g1为顺时针方向工作光进入光纤敏感环中，因分为偏振态垂直的两路敏感sagnac效应产生的增益；g2为逆时针方向工作光进入光纤敏感环中，因分为偏振态垂直的两路敏感sagnac效应产生的增益。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的一种保偏全互易双向光载微波谐振系统，在实施例1的基础上，还包括腔长控制系统，所述腔长控制系统包括腔长调节器、第二微波功分器16、腔长控制单元17和外部时钟参考源18。

所述腔长调节器设置在双向环形谐振腔内，所述第一微波功分器15通过第二微波功分器16分别输入微波频率差检测单元23、腔长控制单元17，所述外部时钟参考源18输入腔长控制单元17，所述腔长控制单元17连接腔长调节器，实现谐振腔腔长稳定。

进一步地，所述腔长调节器包括第一级腔长调节器7和第二级腔长调节器8，所述第一级腔长调节器7的调节范围大于第二级腔长调节器8，所述第一级腔长调节器7用于慢速调节腔长，所述第二级腔长调节器8用于快速调节腔长，所述第一级腔长调节器7和第二级腔长调节器8作为光程调节单元，可以采用光纤拉伸器、可调光延时线或空间光位移台等。

经过第二微波功分器16分配的顺时针方向微波频率f1与外部时钟参考源18进行鉴频鉴相，输出信号经过腔长控制单元17用于控制腔长调节器，实现顺时针方向谐振腔长锁定；此时，逆时针方向谐振腔长变化量是腔长锁定前的顺时针方向谐振腔长变化量和腔长锁定前的逆时针方向谐振腔长变化量的总和。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。