一种角速度测量方法、测量系统及载体与流程

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种角速度测量方法、测量系统及载体。

背景技术：

sagnac干涉仪为一种可旋转的环形干涉仪，其将同一光源发出的一束光分解为两束，该两束光在同一环路内沿相反方向循行一周后会合，当环路平面绕垂直于闭合光路的轴转动时，环路内相向传播的两列光波之间因光波的惯性运动产生光程差，实现两束光波的干涉，而两束光波的相关参数与旋转角度之间存在一定关系，通过调整光波的相关参数即可得到旋转相对角速度。

采用双光频梳干涉光路可克服上述sagnac干涉仪只能测量相对角速度的弊端，但当物体的旋转速度较低时，环路平面的旋转角度小，两束光波所产生的干涉条纹变化小甚至重合，探测器探测不到光波信号，存在测量死区。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种角速度测量方法、测量系统及载体，以克服现有的角速度测量装置不能消除测量死区的缺陷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种角速度测量方法，包括以下步骤：

发射第一光频梳信号和第二光频梳信号，所述第一光频梳信号与第二光频梳信号具有重复频率差及重叠的光谱范围；

将所述第一光频梳信号分为传输方向相反的第一测量光梳信号和第二测量光梳信号；

将所述第一测量光梳信号与第二测量光梳信号的进行脉冲分离；

所述第一测量光梳信号与所述第二测量光梳信号相向传输并进行合光，形成合光光梳信号；

所述合光光梳信号与所述第二光频梳信号进行多外差干涉并输出干涉信号；

获取所述干涉信号并计算得出角速度值。

在一种优选的实施方式中，将所述第一测量光梳信号与第二测量光梳信号分别经过光程不同的分离光路以实现所述第一测量光梳信号与第二测量光梳的脉冲分离。

在一种优选的实施方式中，所述角速度值的计算方法包括：

截取一个干涉周期内的两个干涉信号，得出两个次干涉信号中心对应的时间差δτ；

计算一个干涉周期内的角速度值ω，所述角速度ω通过以下公式得出：

上式中，n为光纤缠绕圈数，c为光速，a为测量光路围成的面积，δfr为第一光频梳信号与第二光频梳信号之间的重复频率差，fs为第一光频梳信号的重复频率，δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的一个干涉周期内两个干涉信号中心对应的差。

在一种优选的实施方式中，所述时间差δτ的计算方法包括：

获取所截取的一个干涉周期内的两个干涉信号两段时间区间内所对应的时间差t0；

对截取出的两段干涉信号进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，并利用最小二乘法拟合出斜率k；

两次干涉信号中心对应的所述时间差δτ＝k+t0。

一种角速度测量系统，包括：

第一光频梳发射器，所述第一光频梳发射器能够发出第一光频梳信号；

第二光频梳发射器，所述第二光频梳发射器能够发出第二光频梳信号，所述第一光频梳信号与第二光频梳信号具有重复频率差及重叠的光谱范围；

测量光路，包括第一分光器，所述第一分光器用于接收所述第一光频梳信号，基于所述第一分光器延伸出一环形光路，所述环形光路内设有第二分光器及第三分光器，所述第二分光器及第三分光器之间连接有第一分离光路，所述环形光路位于所述第二分光器与第三分光器之间的一段形成第二分离光路，所述第一分离光路与第二分离光路的光程不同；

第四分光器，所述第四分光器能够接收所述第二光频梳信号并输出干涉信号。

在一种优选的实施方式中，所述第一分光器将所述第一光频梳信号分为第一测量光梳信号及第二测量光梳信号，所述第一测量光梳信号与所述第二测量光梳信号在所述环形光路内的传输方向相反，所述第一测量光梳信号经过所述第一分离光路返回至所述第一分光器，所述第二测量光梳信号经过所述第二分离光路并返回至所述第一分光器与所述第一测量光梳信号合光，形成合光光梳信号，所述第二光频梳信号与所述合光光梳信号于所述第四分光器处进行多外差干涉并输出所述干涉信号。

在一种优选的实施方式中，所述第一分离光路上设有第一光隔离器，所述第二分离光路上设有第二光隔离器，所述第一光隔离器与第二光隔离器的光传输方向相反，所述第一分离光路的第一端与所述第二分离光路的第一端于所述第二分光器处连通，所述第一分离光路的第二端与所述第二分离光路的第二端于所述第三分离光路处连通。

在一种优选的实施方式中，还包括合光光路、输出光路及检测光路，所述合光光路的输入口与所述第一分光器连通，所述合光光路的输出口与所述第四分光器连通，所述合光光路上设有第三光隔离器，所述输出光路的输入端与所述第一光频梳发射器连通，所述输出光路的输出管与所述第一分光器连通，所述输出光路上设有第四光隔离器，所述检测光路的输入端与所述第二光频梳发射器连通，所述检测光路和合光光路均与所述第四分光器连通。

在一种优选的实施方式中，还包括检测元件和输出元件，所述检测元件用于探测所述干涉信号，所述输出元件包括信号采集模块及与所述信号采集模块连接的数据处理模块，所述采集模块接收所述干涉信号并传送至所述数据处理模块。

本发明还提供了一种载体，应用上述的角速度测量系统。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供了一种角速度测量方法、测量系统及载体，通过使用具有重复频率差和重叠光谱范围的第一光频梳信号与第二光频梳信号作为光源，第一测量光梳信号与第二测量光梳信号在测量光路上发生sagnac效应，使第一测量光梳信号与第二测量光梳信号的光程发生变化并产生相位延迟，在合光光梳信号与第二光频梳信号进行多外差干涉后形成干涉信号，采集该干涉信号并进行分析计算即可得到待测物的角速度；并且通过在测量光路内设置分离光路使得第一测量光梳信号与第二测量光梳信号的脉冲分离，消除角速度的测量死区，增大角速度的测量范围；另外，还具有较高的测量精度及测量速度，实时性好，操作简便，实用性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是角速度测量方法一个实施例的流程图；

图2是角速度测量系统一个实施例的系统原理图；

图3是角速度测量系统一个实施例的光路原理图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1，本实施例中的角速度测量方法包括如下步骤：

发射第一光频梳信号和第二光频梳信号；

将第一光频梳信号分为第一测量光梳信号和第二测量光梳信号；

第一测量光梳信号和第二测量光梳信号在测量光路内相向传输，将第一测量光梳信号和第二测量光梳信号进行脉冲分离；

第一测量光梳信号与第二测量光梳信号合光以形成合光光梳信号；

合光光梳信号与第二光频梳信号进行多外差干涉并输出干涉信号；

获取该干涉信号并进行推算得出角速度值。

上述的第一光频梳信号与第二光频梳信号具有重复频率且光谱范围具有一定的重叠；上述的第一测量光梳信号的第二测量光梳信号具有相位延迟，使得第二测量光梳信号和第二测量光梳信号的光频梳脉冲分开一定距离，以回避光频梳测量角速度的死区。

第一测量光梳信号与第二测量光梳信号以相反的传输方向进入测量光路内，并相向返回。优选的，上述的测量光路内设有光程不同的两个分离光路，第一测量光梳信号与第二测量光梳信号分别通过该分离光路后进行合光，经过分离光路后的第一测量光梳信号和第二测量光梳信号的光频梳脉冲被强行分开，达到消除测量死区的目的。

进一步的，上述角速度值的计算方法包括如下步骤：

截取一个干涉周期内两个干涉信号，计算两次干涉信号中心对应的时间差δτ；

计算单个干涉周期内信号的角速度值ω；

上述的

上式中，上式中，n为测量光路中光纤的缠绕圈数，c为光速，a为测量光路所围成的面积，δfr为第一光频梳信号与第二光频梳信号之间的重复频率差，fs为第一光频梳信号的重复频率，δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的一个干涉周期内两个干涉信号中心对应的差。

并且，第一光频梳信号的重复频率为flq，通过公式∧fr＝fs-flo即可得出δfr。

进一步的，上述时间差δτ的计算方法包括如下步骤：

获取所截取的一个干涉周期内的两个干涉信号在两段时间区间所对应的时间差t0；

对截取出的两段干涉信号进行快速傅里叶变化，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k；

两次干涉信号中心对应的时间差δτ＝k+t0。

基于上述计算方法即可得出单个干涉周期内的角速度值ω。

因信号处理时以单个干涉周期为处理周期，每个周期进行一次角速度测算，第一测量光梳信号和第二测量光梳信号在测量光路内以两路光进行输出，因此在一个干涉周期内能够观察到两个明显的干涉信号。并且由于相频谱的斜率差等于信号的时移，因此通过斜率k和已知的既定时移t0即可得出一个干涉周期内两个干涉信号中心对应的差δτ。

即在消除测量死区的前提下，将第二光频梳信号与合光光梳信号进行多外差干涉以形成干涉信号，采集该干涉信号并进行分析、计算得出物体的绝对角速度。本实施例中的的角速度测量方法，可用于运动物体的绝对角速度测量，如飞行物体在飞行过程中的角速度测量，如飞机、航空器、航天器、邮轮、汽车等。

本发明还提供了一种角速度测量系统，其包括：

参照图2与图3，第一光频梳发射器10，该第一光频梳发射器10用于发射第一光频梳信号101(图3中以简单线条表示信号所在区域)；

第二光频梳发射器20，该第二光频梳发射器20用于发射第二光频梳信号102；

第一分光器30，第一分光器30接收第一光频梳信号101，并将第一光频梳信号101分为第一测量光梳信号103和第二测量光梳信号104；

测量光路40，基于第一分光器30延伸出一环形光路41，该环形光路41内设有第二分光器42和第三分光器43，第二分光器42与第三分光器43之间连接有第一分离光路44，环形光路41位于第二分光器42与第三分光器43之间的部分形成第二分离光路45，第一分离光路44与第二分离光路45的光程不同，第一测量光梳信号103经过第一分离光路44返回至第一分光器30，第二测量光梳信号104经过第二分离光路45返回至第一分光器30并与第一测量光梳信号103合光，形成合光光梳信号105；

第四分光器50，第四分光器50接收第二光频梳信号102和合光光梳信号105，该第二光频梳信号102与合光光梳信号105于第四分光器50处进行多外差干涉并输出干涉信号106。

因第一分离光路44与第二分离光路45的光程不同，因此经过第一分离光路44的第一测量光梳信号103与经过第二分离光路45的第二测量光梳信号104的光频梳脉冲被强行分开，克服了在物体旋转角度度较小时，存在死区不能检测的缺陷，扩大了角速度的测量范围。

优选的，第一分离光路44上设有第一光隔离器441，第二分离光路45上设有第二光隔离器451，并且第一光隔离器441与第二光隔离器451所允许通过的光的传输方向相反，因第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104的传输方向相反(本文假设第一分离光路44的光传输方向与第一测量光梳信号103的传输方向相同，第二分离光路45的光传输方向与第二测量光梳信号104的传输方向相同)，第一测量光梳信号103从第一分离光路44通过并再次传输至第一分光器30，第二测量光梳信号104只能从第二分离光路45通过并再次传输至第一分光器30，与相向传输的第一测量光梳信号103合光。通过上述设置，避免光束在测量光路40内的反复传输，造成频谱重叠，影响测量精度。

优选的，第一分离光路44的第一端(图中左侧)与第二分离光路45的第一端于第二分光器42处连通，第一分离光路44的第二端(图中右侧)与第二分离光路45第二端于第三分光器43处连通。第二分光器42接收从第一分光器30传出的第一测量光梳信号103并对第一测量光梳信号103进行分光，但由于第一光隔离器441与第二光隔离器451对光的隔离作用，第一测量光梳信号103只能从第一分离光路44通过并传输至第三分光器43，并从第三分光器43返回至第一分光器30；第三分光器43接收从第一分光器30传出的第二测量光梳信号104，第二测量光梳信号104只能从第二分离光路45通过并传输至第二分光器42，并从第二分光器42传出返回至第一分光器30，与第一测量光梳信号103在第一分光器30处进行耦合、合光。

优选的，还包括合光光路60，合光光路60的输入口与第一分光器30连通，合光光路60的输出口与第四分光器50连通，合光光路60上设有第三光隔离器61。第三光隔离器61的光传输方向与合光光梳信号105的传输方向相同，防止其他方向光束进入合光光路60，影响测量精度；合光光梳信号105从第一分光器30传出后通入合光光路60，并通过合光光路60通入第四分光器50内与第二光频梳信号102进行耦合。

优选的，还包括检测光路80，第四分光器50位于检测光路80上并接收第二光频梳信号102，第二光频梳信号102与进入第四分光器50的合光光梳信号105进行多外差干涉并输出干涉信号106。

优选的，还包括输出光路70，输出光路70的输入端与第一光频梳发射器10连通，输出光路70的输出端与第一分光器30连通，输出光路70上还设有第四光隔离器71。第一光频梳信号101从第一光频梳发射器10发出后进入输出光路70，并通过输出光路70通入第一分光器30，第四光隔离器71的光传输方向与第一光频梳信号101的传输方向相同，避免从环形光路41返回的第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104又重新返回至输出光路70内。

还包括检测元件90与输出元件(未示出)，检测元件90与输出元件连接，并位于检测光路80上，检测元件90用于探测干涉信号106，并进行信号传输。输出元件包括信号采集模块和数据处理模块，信号采集模块接收该干涉信号106并传输至数据处理模块进行计算。优选的，信号采集模块包括高速信号采集部分及干涉信号106截取部分，数据处理模块包括快速傅里叶变换运算部分、最小二乘法拟合斜率计算部分、带入公式求角速度部分，上述的高速信号采集部分、干涉信号106截取部分、快速傅里叶变换运算部分、最小二乘法拟合斜率部分及代入公式求角速度部分依次连接。

上述的第一光频梳发射器10及第二光频梳发射器20选用频率稳定的光频梳激光器，第一光频梳信号101与第二光频梳具有微小的重频差且拥有重叠的光谱范围。第一光频梳发射器10的重复频率分别flo和第二光频梳的重复频率为fs，重频差δfr＝fs-flo。因测量系统中使用全光纤测量，信噪比较高，分别调节第一光频梳信号101与第二光频梳信号102的强度，使第二光频梳信号102的光功率为第一光频梳信号101的光功率的二分之一时，整个测量系统的信噪比优化为最大。

检测元件90可选用单点探测器，通过一个单点探测器即可同时独立的探测到两路的测量信号，测量精度高。第四分光器50与检测元件90之间设有窄带滤光片，干涉信号106通过一个窄带滤光片后被高宽带探测器接收，通过使用滤光片可以保证双光频梳的多外差干涉不发生频谱重叠。

优选的，使用中心波长和宽带可调的滤光片，优化中心波长和宽带时依据探测器信号的时域波形和频谱位置，当时域干涉部分点数足够多且频谱中心位于光频梳重频的四分之一位置时，信号混叠达到最小，角速度测量系统的精度达到最大。

检测元件90与输出元件之间设有滤波器，检测元件90发出的信号先经过一个宽带约为重复频率一般的低通滤波器，再使用输出元件进行信号收集，上述设置能够去除信号中的非相干部分，能够直接得到连续的干涉信号106，输出元件的采样周期也可根据实际情况合理设定。

光频梳在时域表现为飞秒级的载波包络脉冲，将光频梳作为测量光路40的光源，放待测物体产生角速度时，第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104在第一分光器30处产生sagnac效应，第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104在环形光路41内的光程发生改变，并且具有不同的相位延迟，原来的合光光梳信号105的单脉冲分裂为时移恒定的双脉冲，即两束光产生两个位置不同的干涉信号106。这些干涉信号106的幅值大小近似相同，双脉冲之间的时移微小，一般的探测方法测量困难，因此需要使用一个与第一光频梳信号101又微小重复频率差的第二光频梳信号102与两组测量光脉冲进行多外差干涉。如果以第二光频梳信号102的脉冲信号作为启动采样的外时钟，采集到的点就是第二光频梳信号102和两组测量光脉冲的互相关函数，两组互相关函数之间的时延和原本的时延之间存在一个固定倍数关系，分别拟合傅里叶变换相频谱的斜率即可求出两组互相关函数之间的时延。即通过将两个测量光梳信号与第二光频梳信号102进行多外差干涉形成干涉信号106，对干涉信号106进行采集及分析处理，得到测量光路40旋转的角速度值。

以单个干涉周期为处理周期，针对每一处理周期进行一次角速度测算，检测元件90截取每个干涉周期内的干涉信号106，由于光在测量光路40内以两路输出，在一个干涉周期内能够截取到两个明显的干涉信号106，利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出两次干涉信号106中心对应的时间差δτ，则单个周期内被测物体的角速度ω可采用以下公式求出。

上式中，n为环形光路41的缠绕圈数，c为光速，a为环形光路41所围成的面积，δfr为第一光频梳信号101与第二光频梳信号102之间的重复频率差，δfr为第一光频梳的重复频率，δτ为利用傅里叶变化和最小二乘法拟合求出的两侧干涉信号106中心对应的时间差。

在一个干涉周期内，记录两段时间区间对应的时间差t0；将截取出的两段干涉信号106进行快速傅里叶变换，分别求出相频谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合出斜率k；由于相频谱的斜率差等于信号的时移，通过斜率k和已知的既定时移t0，即可计算出单个干涉周期内的角速度值，即δτ＝k+t0。

因此上述角速度计算公式可变形为：

上述的测量过程中，物体产生角速度时，第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104在测量光路40内形成时移恒定的双脉冲是基于物体旋转角速度较大的情况，在物体角速度较小时，两个双脉冲之间差别微小，几乎重合，两个双脉冲通过普通探测装置基本探测不到，存在角速度的测量死区。

测量光路40内设有第一分离光路44与第二分离光路45，第一分离光路44与第二分离光路45的光程不同，且允许通过的光的传输方向相反，因此第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104只能分别从不同的分离光路通过，因第一分离光路44与第二分离光路45的光程不同，使得第一测量光梳信号103与第二测量光梳信号104的脉冲强行分离，以避免测量死区。在消除死区的前提下，角速度测量系统能够快速的测量绝对角速度，每1ms即可得到一次测量结果，具有较高的实时性。

本发明还提供了一种载体，该载体应用上述的角速度测量系统，该载体可以是任何可运动的物体，如，飞行器、船只、车辆等。

上述的角速度测量方法、测量系统及载体能够消除角速度的测量死区，具有较高的测量精度及测量范围；整个系统结构简单，测量速度快，检测时将测量系统放置于待测物中，检测元件90即可接受干涉信号106，通过信号采集及数据处理得出物体的角速度，使用快捷、方便。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。