基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统

本发明是关于谐振式光学陀螺，特别是关于一种基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统。

背景技术：

1、惯性导航技术由于具有较高的隐蔽性以及具有完全自主能力获取运动信息，在军事国防和国计民生等众多领域具有广泛应用。目前，光学陀螺作为惯导系统中最重要的组成部分，对其性能有着重要的影响，因此，光学陀螺成为各研究机构研发的重点之一。

2、谐振式光学陀螺是在惯性导航系统对高精度、小型化、低成本陀螺的需求背景下，基于激光陀螺和干涉式光纤陀螺发展起来的一种光学陀螺。谐振式光学陀螺以无源光纤或波导谐振腔为敏感介质，综合激光陀螺的谐振原理和干涉式光纤陀螺无源结构特点，能够在实现高精度的同时有效降低光纤长度，具有无源结构、精度高、体积小、成本低等优点，是国内外惯性器件发展的重要方向之一。

3、实际上，除探测器散粒噪声限制的理论灵敏度外，谐振式光学陀螺检测精度尚受限于实际系统中的背向反射/散射噪声以及和温度有关的偏振噪声等。经过多年研究，影响谐振式光学陀螺检测精度的背向反射/散射噪声，无论是从噪声机理还是到抑制措施等，已有比较系统完备的理论和技术。而由于双折射效应，谐振腔内能激励出两个彼此正交的本征偏振态，每个偏振态都存在各自的谐振曲线和谐振频率，谐振腔的总输出信号是两个本征偏振态对应输出谐振曲线的叠加。由于外界温度等环境因素改变时，会影响谐振腔的两个本征偏振态各自所对应的谐振光波发生叠加与干涉效应，从而导致谐振频率点的检测误差。

4、和背向反射/散射噪声相比，对影响谐振式光学陀螺长期稳定性的偏振噪声，尚没有实质性的进展。基于光纤环形谐振腔结构的光学陀螺可以采用光纤轴旋转90°熔接，腔内加入起偏器，以及采用单偏振光纤等措施，减小偏振噪声。但是在实际的实验中发现，并不能完全对偏振噪声进行抑制，还是会受到温度的影响。对于基于波动谐振腔的光学陀螺，虽然可以通过在谐振腔中插入半波片的方法来实现，但无疑会增加谐振腔的总损耗，降低光学陀螺的理论灵敏度。另外一种有效的偏振噪声抑制方法是使谐振腔只支持单一偏振态的光传输，如采用具有起偏性能的极低深宽比氮化硅波导制作谐振腔，虽然从报道上来看实现了谐振腔的单偏振，但是其过高的传输损耗限制了光学陀螺的检测精度。因此，现有的措施不能同时满足谐振腔低损耗和单偏振的要求。而由于制作谐振腔的材料都具有双折射效应，且与温度有关，当温度发生变化时，谐振腔内所激发的谐振曲线的位置就会发生变化，在某温度下会产生偏振干涉峰和偏振干涉谷，在靠近干涉峰和干涉谷的位置就会影响谐振式光学陀螺的检测精度。

5、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统，解决了现有谐振式光学陀螺系统因谐振腔激发两种偏振态，导致温度变化时影响光学陀螺长期工作稳定性的问题。

2、为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统，包括：光源模块，调制模块，谐振腔，锁频模块，驱动控制模块以及温控模块；所述光源模块连接所述调制模块；所述调制模块连接所述谐振腔；所述谐振腔分别与所述锁频模块、所述驱动控制模块以及所述温控模块相连接；所述锁频模块还与所述光源模块相连接；所述驱动控制模块还与所述调制模块相连接；所述温控模块与所述谐振腔相连接；其中，所述光源模块发出的光束在所述调制模块中分成两路，其中第一路光束经所述谐振腔输出至所述锁频模块，所述锁频模块将所述第一路光束信息反馈至所述光源模块以控制所述光源模块发出光束的中心频率，并将该频率锁定在所述谐振腔的谐振频率上；其中第二路光束经所述谐振腔输出至所述温控模块，所述温控模块根据所述第二路光束信息控制所述谐振腔的温度；且所述第二路光束经所述谐振腔还输出至所述驱动控制模块，所述驱动控制模块根据所述第二路光束信息控制所述调制模块实现对所述光源模块发出的光束的频率移动。

3、在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括信号采集模块，所述信号采集模块连接所述驱动控制模块，以采集未经过所述谐振腔的所述第二路光束的第一频率和经过所述谐振腔的所述第二路光束的第二频率，所述信号采集模块通过获取所述第一频率和所述第二频率的频差信号来获取陀螺系统的角速度信息。

4、在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括耦合模块，所述耦合模块包括第一耦合器和第二耦合器，所述调制模块通过所述第一耦合器与所述谐振腔相连接，所述谐振腔通过所述第二耦合器与所述锁频模块、所述驱动控制模块以及所述温控模块相连接。

5、在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括探测模块，所述探测模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第二耦合器通过所述第一光电探测器与所述锁频模块相连接，所述第二耦合器通过所述第二光电探测器与所述驱动控制模块和所述温控模块相连接。

6、在本发明的一个或多个实施方式中，所述光源模块包括光纤激光器和光隔离器，所述光纤激光器的输出端与所述光隔离器的输入端相连接。

7、在本发明的一个或多个实施方式中，所述调制模块包括铌酸锂相位调制器，所述铌酸锂相位调制器的第一输入端和第二输入端均连接所述光隔离器的输出端，所述铌酸锂相位调制器的第一输出端和第二输出端均连接所述第一耦合器的输入端。

8、在本发明的一个或多个实施方式中，所述锁频模块包括依次相连接的第一模数转换器、第一信号解调装置、第一pi积分器以及第一数模转换器，所述第一模数转换器连接所述第一光电探测器，所述第一数模转换器连接所述光纤激光器。

9、在本发明的一个或多个实施方式中，所述驱动控制模块包括依次相连接的第二模数转换器、第二信号解调装置、第二pi积分器、移频驱动器以及第二数模转换器，所述第二模数转换器连接所述第二光电探测器，所述第二数模转换器连接所述铌酸锂相位调制器的第二输出端，其中，所述第二pi积分器以及所述移频驱动器均连接所述信号采集模块。

10、在本发明的一个或多个实施方式中，所述温控模块包括依次相连接的第二模数转换器、第三信号解调装置、第三pi积分器、第三数模转换器以及tec温控装置，所述第二模数转换器连接所述第二光电探测器，所述tec温控装置连接所述谐振腔。

11、在本发明的一个或多个实施方式中，所述谐振腔选自光纤谐振腔或波导谐振腔；所述光纤谐振腔的材料包括单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤；所述波导谐振腔的材料包括二氧化硅、氮化硅、硅以及聚合物。

12、与现有技术相比，本发明实施方式的基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统，无论谐振腔采用何种材料，都可以让谐振腔工作在最佳温度点，在保持光学陀螺高精度的同时，实现光学陀螺的长期工作稳定性。

13、本发明实施方式的基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统，通过对二倍频信号进行解调，二倍频解调曲线的峰值与谐振峰的强度值成正比，当温度变化时，由于存在偏振误差，此时谐振峰的峰值就会发生变化，同时二倍频的解调值也会随着发生变化，以此可实时检测谐振腔的温度变化，并通过pi积分器反馈到tec温控装置，及时调整谐振腔的工作温度，以保证谐振腔始终工作在最佳温度点，实现光学陀螺长期工作稳定性。

14、本发明实施方式的基于谐振腔实时温度检测控制的光学陀螺系统，可用于任何材料谐振腔的温度控制，相对于采用成本较高的单偏振材料谐振腔，其结构更加简单，更加容易实现，且不增加原有陀螺系统的成本。