专利名称：基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学传感及信号检测领域，尤其涉及一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺。
背景技术：
谐振式光学陀螺(Resonator Optic Gyroscope，R0G)是一种基于&ignac效应的高精度的新型角速度传感器，其敏感器件光学环形谐振腔可以采用很短的光纤或集成光学的方法来实现，因而在小型化和集成化上具有较大优势。在谐振式光学陀螺中，通过检测谐振腔顺时针和逆时针光路的谐振频率差得到陀螺转动角速率。为提高陀螺的动态范围和标度因素的线性度，ROG通常需要采用双路闭环控制技术。第一闭环通常是通过反馈控制激光器输出光的中心频率，使激光器中心频率跟踪锁定到谐振腔其中一个方向光波的谐振频率上。第二闭环需要在第二环路中增加一个移频器， 传统的用于移频的声光移频器，由于体积较大，不易于ROG的小型化和集成化。利用施加在相位调制器上的相位斜波技术等效移频可以实现第二闭环。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺。基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于包括由可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？楣钩傻墓庋低常傻谝唤獾髂？�、第二解调�？�、第一调制信号发生器模块、第二调制信号发生器模块、移频反馈控制�？�、反馈锁定�？楣钩傻拇淼缏罚豢傻餍臣す馄�、光学分路器、第一相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？�、第一解调�？�、反馈锁定模块顺次相连，反馈锁定�？橛肟傻餍臣す馄飨嗔庋Х致菲饔氲诙辔坏髦破鳌⒐庋痴袂凰炒蜗嗔谝坏髦菩藕欧⑸髂？橛氲谝唤獾髂？橄嗔谝坏髦菩藕欧⑸饔氲谝幌辔坏髦破飨嗔獾缱荒？楹偷诙獾髂？�、移频反馈控制�？椤⒌诙髦菩藕欧⑸髂？�、第二相位调制器顺次相连，第二调制信号发生器�？楹偷诙獾髂？橄嗔豢傻餍臣す馄鞣⒊龅墓庥晒庋Х致菲鞣殖闪铰罚辔坏髦破鞯裙庋骷蠼牍庋痴袂唬诠庋痴袂荒诖涞乃衬媸闭氲牧绞饨凶畔⒌男藕乓怨庋德什畹男问绞涑龅焦獾缱荒？椋还獾缱荒？榻舾械玫降乃衬媸闭氲墓庋藕抛晃缪藕牛⑹涑龅胶蠖说慕獾髂？橹校恍藕欧⑸髂？椴髦菩藕庞糜诠庋低持邢辔坏髦破鞯墓庑藕诺髦疲⑻峁┙獾魉璧耐叫藕牛唤獾髂？榻獾缱荒？槭涑龅钠德什钚藕磐ü獾髯缪共钚藕牛迪滞勇菪藕诺奶崛。⑹涑龅椒蠢∷？楹鸵破捣蠢】刂颇？椋迪侄运衬媸闭肓礁龉饴方獾魇涑鲂藕诺乃欧蠢】刂疲灰破捣蠢】刂颇？槭涑龅男藕欧从沉送勇莸淖撬俣�。所述的移频反馈控制�？榘ǖ髦菩藕欧⑸髂？�、信号处理�？�、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器；调制信号发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器顺次相连，信号处理�？�、台阶高度控制�？�、移频锯齿波发生器�？�、相加�？樗炒蜗嗔坏髦菩藕欧⑸髂？椴跏嫉牡髦菩藕牛藕糯砟？橛糜诖硗勇莸牧铰方獾餍藕牛刂埔破稻獬莶ㄌń赘叨鹊目刂菩藕牛淙氲教ń赘叨瓤刂颇？楦谋湟破凳志獬莶úㄐ危坏髦菩藕藕鸵破凳志獬莶ㄏ嗉雍笸ü鼶A输出到相位调制器对光信号进行相位调制。所述的移频反馈控制�？榘ǖ髦菩藕欧⑸髂？椤⑿藕糯砟？�、分频控制模块、移频锯齿波发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器组成；调制信号发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器顺次相连，信号处理�？�、分频控制模块、移频锯齿波发生器�？�、相加�？樗炒蜗嗔坏髦菩藕欧⑸髂？椴跏嫉牡髦菩藕牛藕糯砟？橛糜诖硗勇莸牧铰方獾餍藕牛刂埔破稻獬莶ㄌń壮中奔涞目刂菩藕牛淙氲椒制悼刂颇？楦谋湟破凳志獬莶úㄐ危坏髦菩藕藕鸵破凳志獬莶ㄏ嗉雍笸ü鼶A输出到相位调制器对光信号进行相位调制。所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。所述的光学谐振腔的结构为透射式光学谐振腔或反射式光学谐振腔。本发明与现有技术相比具有的有益效果
1)本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，对于陀螺目前的主要噪声来说，是完全互易的。2)本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，相比单路闭环的谐振式光学陀螺，可以提供更好的线性度和更大的动态范围。3)本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，可以使顺逆时针两路光都锁定在谐振频率点上，使谐振腔内的功率完全相同，减小陀螺系统中的光学克尔噪声。4)本发明提供的基于数字相位斜波移频技术的ROG系统，相比于传统的用于移频的声光移频器，更易于ROG的小型化和集成化。
图1是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺结构示意图2 (a)是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺静止时顺逆时针谐振频率、 激光器频率、以及第二闭环移频量的关系示意图2 (b)是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺转动时顺逆时针谐振频率、 激光器频率、以及第二闭环移频量的关系示意图3是采用数字相位斜波移频技术的移频反馈控制�？镮型结构示意图； 图4是采用数字相位斜波移频技术的移频反馈控制模块II型结构示意图； 图5 (a)是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺移频数字锯齿波波形示意
图5 (b)是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶持续时间不变时，台阶高度与移频数字锯齿波波形关系示意图5 (c)是基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶高度不变时，台阶持续时间和移频数字锯齿波波形关系示意图。
具体实施例方式下面结合实例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。如图1所示，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺包括由可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？楣钩傻墓庋低常傻谝唤獾髂？�、第二解调�？�、第一调制信号发生器�？�、第二调制信号发生器�？�、移频反馈控制�？�、反馈锁定�？楣钩傻拇淼缏罚豢傻餍臣す馄�、光学分路器、第一相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？椤⒌谝唤獾髂？�、反馈锁定�？樗炒蜗嗔蠢∷？橛爰す馄飨嗔庋Х致菲饔氲诙辔坏髦破�、光学谐振腔顺次相连，第一调制信号发生器�？橛氲谝唤獾髂？橄嗔谝坏髦菩藕欧⑸饔氲谝幌辔坏髦破飨嗔獾缱荒？楹偷诙獾髂？�、移频反馈控制�？�、第二调制信号发生器�？�、第二相位调制器顺次相连，第二调制信号发生器�？楹偷诙獾髂？橄嗔�。所述的移频反馈控制�？榈氖涑鲎魑勇莸氖涑鲂藕�。所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。所述的光学谐振腔的结构为透射式光学谐振腔或反射式光学谐振腔。可调谐激光器发出的光由光学分路器分成两路，经过相位调制器等光学器件后进入光学谐振腔，在光学谐振腔内传输的顺逆时针的两束光将带有转动信息的信号以光学频率差的形式输出到光电转换模块；光电转换�？榻舾械玫降乃衬媸闭氲墓庋藕抛晃缪藕牛⑹涑龅胶蠖说慕獾髂？橹校恍藕欧⑸髂？椴髦菩藕庞糜诠庋低持邢辔坏髦破鞯墓庑藕诺髦疲⑻峁┙獾魉璧耐叫藕牛唤獾髂？榻獾缱荒？槭涑龅钠德什钚藕磐ü獾髯缪共钚藕牛迪滞勇菪藕诺奶崛。⑹涑龅椒蠢∷？楹鸵破捣蠢】刂颇？椋迪侄运衬媸闭肓礁龉饴方獾魇涑鲂藕诺乃欧蠢】刂疲傻谝唤獾髂？樘崛〉牡谝宦沸藕啪蠢∷？榭刂频鹘诩す馄鞯闹行钠德剩傻诙獾髂？樘崛〉牡诙沸藕啪破捣蠢】刂颇？椴破凳志獬莶ǎ胄藕欧⑸髂？椴牡髦菩藕畔嗉雍笫┘釉谙辔坏髦破魃希迪值诙仿返钠德仕ǎ灰破捣蠢】刂颇？槭涑龅男藕欧从沉送勇莸淖撬俣�。相比于传统的基于单路闭环的谐振式光学陀螺，通过引入第二反馈控制环路的基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，构建了更加互易的陀螺结构，进一步消除了存在陀螺中的互易性噪声，获得了更好的线性度和更大的动态范围，减小了由光功率分配不均引入的光学克尔噪声。相比于传统的用于移频的声光移频器，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺更易于小型化和集成化。如图2 (a)所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺静止时顺逆时针谐振频率、激光器频率、以及第二闭环移频量的关系示意图；当陀螺静止时，激光器的输出中心频率fLaser锁定在第一路信号的谐振频率/^f上，第二闭环移频量fs为零，第二路信号的谐振频率fc,等于第一路信号的谐振频率fc『如图2 (b)所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺转动时顺逆时针谐振频率、激光器频率、以及第二闭环移频量的关系示意图；当陀螺转动时，激光器的输出中心频率锁定在第一路信号的谐振频率/^f上，第二闭环移频量厶就是陀螺信号的转动输出A，第二路信号的谐振频率/i等于第一路信号的谐振频率/^f与第二闭环移频量4之和。如图3所示，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的移频反馈控制�？榘ǖ髦菩藕欧⑸髂？椤⑿藕糯砟？�、台阶高度控制�？椤⒁破稻獬莶ǚ⑸髂？�、相加�？�、DA模块、相位调制器；调制信号发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器顺次相连，信号处理�？�、台阶高度控制�？�、移频锯齿波发生器�？椤⑾嗉幽？樗炒蜗嗔�。所述的信号处理�？榈氖淙攵宋勇莸牧铰方獾餍藕�。调制信号发生器�？椴跏嫉牡髦菩藕牛恍藕糯砟？橛糜诖砹铰方獾餍藕牛刂埔破稻獬莶ㄌń赘叨鹊目刂菩藕牛淙氲教ń赘叨瓤刂颇？楦谋湟破凳志獬莶úㄐ危坏髦菩藕藕鸵破凳志獬莶ㄏ嗉雍笸ü鼶A输出到相位调制器对光信号进行相位调制。如图4所示，基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的移频反馈控制�？榘ǖ髦菩藕欧⑸髂？�、信号处理�？椤⒎制悼刂颇？�、移频锯齿波发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器；调制信号发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器顺次相连， 信号处理�？椤⒎制悼刂颇？�、移频锯齿波发生器�？椤⑾嗉幽？樗炒蜗嗔�。所述的信号处理�？榈氖淙攵宋勇莸牧铰方獾餍藕�。调制信号发生器�？椴跏嫉牡髦菩藕牛恍藕糯砟？橛糜诖砹铰方獾餍藕牛刂埔破稻獬莶ㄌń壮中奔涞目刂菩藕牛淙氲椒制悼刂颇？楦谋湟破凳志獬莶úㄐ危坏髦菩藕藕鸵破凳志獬莶ㄏ嗉雍笸ü鼶A输出到相位调制器对光信号进行相位调制。如图5 (a)所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺的移频数字锯齿波波形示意图；τ为数字锯齿波台阶持续时间，AV为台阶高度，锯齿波幅度2V为相位调制器复位电压，对相位调制器施加锯齿波进行调相可以等效为对光的一个移频，锯齿波的斜率大小即是移频量的大�。赏ü谋涮ń赘叨群吞ń壮中奔淞街址绞绞迪�。如图5 (b)所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶持续时间不变时，台阶高度与移频数字锯齿波波形关系示意图；在台阶持续时间τ不变时， 台阶高度△ V越大移频数字锯齿波斜率越大；陀螺系统中将CW和CCW两路解调信号经过信号处理�？榻斜冉希鬋W路解调信号大，则降低台阶高度，减少第二闭环激光器移频量; 若CCW路解调信号大，则增加台阶高度，增加第二闭环激光器移频量。如图5 (c)所示，给出了基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺在台阶高度不变时，台阶持续时间和移频数字锯齿波波形关系示意图；在台阶高度△ V不变时，台阶持续时间τ越小移频数字锯齿波斜率越大；陀螺系统中将CW和CCW两路解调信号经过信号处理模块进行比较，若CW路解调信号大，则增加台阶持续时间，减少第二闭环激光器移频量；若CCW路解调信号大，则减少台阶持续时间，增加第二闭环激光器移频量。
权利要求
1.一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于包括由可调谐激光器、光学分路器、第一相位调制器、第二相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？楣钩傻墓庋低常傻谝唤獾髂？�、第二解调�？椤⒌谝坏髦菩藕欧⑸髂？�、第二调制信号发生器�？�、移频反馈控制�？�、反馈锁定�？楣钩傻拇淼缏罚豢傻餍臣す馄�、光学分路器、第一相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？�、第一解调�？�、反馈锁定模块顺次相连，反馈锁定�？橛肟傻餍臣す馄飨嗔庋Х致菲饔氲诙辔坏髦破�、光学谐振腔顺次相连，第一调制信号发生器�？橛氲谝唤獾髂？橄嗔谝坏髦菩藕欧⑸饔氲谝幌辔坏髦破飨嗔獾缱荒？楹偷诙獾髂？�、移频反馈控制�？�、第二调制信号发生器模块、第二相位调制器顺次相连，第二调制信号发生器�？楹偷诙獾髂？橄嗔豢傻餍臣す馄鞣⒊龅墓庥晒庋Х致菲鞣殖闪铰罚辔坏髦破鞯裙庋骷蠼牍庋痴袂唬诠庋痴袂荒诖涞乃衬媸闭氲牧绞饨凶畔⒌男藕乓怨庋德什畹男问绞涑龅焦獾缱荒？椋还獾缱荒？榻舾械玫降乃衬媸闭氲墓庋藕抛晃缪藕牛⑹涑龅胶蠖说慕獾髂？橹校恍藕欧⑸髂？椴髦菩藕庞糜诠庋低持邢辔坏髦破鞯墓庑藕诺髦疲⑻峁┙獾魉璧耐叫藕牛唤獾髂？榻獾缱荒？槭涑龅钠德什钚藕磐ü獾髯缪共钚藕牛迪滞勇菪藕诺奶崛。⑹涑龅椒蠢∷？楹鸵破捣蠢】刂颇？椋迪侄运衬媸闭肓礁龉饴方獾魇涑鲂藕诺乃欧蠢】刂疲灰破捣蠢】刂颇？槭涑龅男藕欧从沉送勇莸淖撬俣�。
2.根据权利要求2所述的一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的移频反馈控制�？榘ǖ髦菩藕欧⑸髂？�、信号处理�？�、台阶高度控制模块、移频锯齿波发生器模块、相加模块、DA模块、相位调制器；调制信号发生器�？椤⑾嗉幽？�、DA�？椤⑾辔坏髦破魉炒蜗嗔藕糯砟？�、台阶高度控制�？�、移频锯齿波发生器模块、相加�？樗炒蜗嗔坏髦菩藕欧⑸髂？椴跏嫉牡髦菩藕牛藕糯砟？橛糜诖硗勇莸牧铰方獾餍藕牛刂埔破稻獬莶ㄌń赘叨鹊目刂菩藕牛淙氲教ń赘叨瓤刂颇？楦谋湟破凳志獬莶úㄐ危坏髦菩藕藕鸵破凳志獬莶ㄏ嗉雍笸ü鼶A输出到相位调制器对光信号进行相位调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的移频反馈控制�？榘ǖ髦菩藕欧⑸髂？�、信号处理�？�、分频控制�？椤� 移频锯齿波发生器�？�、相加�？�、DA�？�、相位调制器；调制信号发生器�？�、相加�？椤� DA�？�、相位调制器顺次相连，信号处理�？�、分频控制�？�、移频锯齿波发生器�？�、相加�？樗炒蜗嗔坏髦菩藕欧⑸髂？椴跏嫉牡髦菩藕牛藕糯砟？橛糜诖硗勇莸牧铰方獾餍藕牛刂埔破稻獬莶ㄌń壮中奔涞目刂菩藕牛淙氲椒制悼刂颇？楦谋湟破凳志獬莶úㄐ危坏髦菩藕藕鸵破凳志獬莶ㄏ嗉雍笸ü鼶A输出到相位调制器对光信号进行相位调制。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的光学谐振腔为光纤器件或集成光学器件。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺，其特征在于所述的光学谐振腔的结构为透射式光学谐振腔或反射式光学谐振腔。
全文摘要
本发明公开了一种基于数字相位斜波移频技术的谐振式光学陀螺。它包括由可调谐激光器、光学分路器、两个相位调制器、光学谐振腔、光电转换�？楣钩傻墓庋低常闪礁鼋獾髂？�、两个调制信号发生器�？椤⒁破捣蠢】刂颇？椤⒎蠢∷？楣钩傻拇淼缏罚挥傻谝唤獾髂？樘崛〉牡谝宦沸藕啪蠢∷？榭刂频鹘诳傻餍臣す馄鞯闹行钠德剩诙獾髂？樘崛〉牡诙沸藕啪破捣蠢】刂颇？榻械诙菲德仕ǎ灰破捣蠢】刂颇？榈氖涑鲎魑勇莸淖涑�。本发明构造了一种谐振式光学陀螺结构，其第二闭环采用数字相位斜波移频技术，有利于系统的小型化和集成化，有利于提高系统的线性度和动态范围，有利于减小系统中的互易性噪声。
文档编号G01C19/66GK102519445SQ20111040204
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者俞旭辉, 卢霄, 金仲和, 马慧莲 申请人:浙江大学
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