[发明专利]基于可调谐光电振荡器的角速度测量装置

说明书

本发明提供了一种基于可调谐光电振荡器的角速度测量装置。包括：激光源、第一偏振控制器、电光调制元件、光环形器、第二偏振控制器、第一偏振分/合束器、Sagnac环、色散元件、第三偏振控制器、第二偏振分/合束器、第四偏振控制器、第五偏振控制器、第一段光纤、第二段光纤、第三偏振分/合束器、光电探测器、微波放大器和功分器。本发明通过将Sagnac干涉仪嵌入到微波光子滤波器中，使Sagnac效应引起的相位变化转化为微波光子滤波器中心频率的变化，从而使光电振荡器输出微波信号的频率发生变化。因为微波光子滤波器的可调谐范围一般在GHz量级，同时结合光电振荡器产生高质量微波信号的优势，因此系统在提高角速度测量灵敏度的同时，也大大提高了其动态范围。

技术领域

本发明涉及光学陀螺仪技术领域，尤其涉及一种基于可调谐光电振荡器的角速度测量装置。

背景技术

角速度测量作为惯性技术中的一个重要方面，在军事、工业和民用导航等领域发挥着巨大的作用，Sagnac效应的发现为光学陀螺仪的发展奠定了理论基础。Sagnac效应指出，沿闭合光环路正反向传播的两束光在环路进行旋转时会产生一个相位差，该相位差与环路旋转的角速度成正比，表达式为

其中A为闭合光环路的面积；λ为传播两束光的波长；n为组成光环路介质的折射率；c为光在真空中的传播速度；Ω为光环路旋转的角速度。基于光学技术的角速度测量方法具有灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰等优点，因此得到了很多学者的关注和研究。最早使用的光学陀螺仪为激光陀螺仪，其为有源器件，在旋转时会在环形激光腔中产生两个谐振频率不同的信号，通过测量两个信号的频率差可测得旋转角速度，公式如下

其中A′为环形激光腔的面积；λ′为谐振波波长；L为谐振腔长度；Ω′为谐振腔旋转的角速度。激光陀螺仪通过将Sagnac引起的相位变化转换为频率变化，使得角速度测量的灵敏度大大提高，但它生产成本高，难以维护且存在闭锁(lock-in)效应，即当角速度小于某一个值时，由于后向散射或反射镜制作工艺等原因，导致环形激光腔中的两个谐振频率趋于相同，从而使得输出结果为0。为了解决这个问题，一般是在环路中增加一个偏置或扰动信号，使两个谐振信号始终保持不同的频率，然而偏置或扰动信号的不稳定性以及环路的非互易性降低了系统的性能。

相比较于激光陀螺仪，基于光纤结构的陀螺仪结构紧凑，成本低廉，是未来角速度测量的重要发展方向。它主要包括干涉式光纤陀螺仪和谐振腔式光纤陀螺仪。对于干涉仪光纤陀螺仪，其是通过相位变化来测量角速度的，因此总体来说测量灵敏度和精度不够高，通常采用缠绕多匝光纤线圈来提高测量灵敏度，但该方法不仅会使结构变得复杂，同时也使得整个系统受外界环境的影响增大。对于谐振腔式光纤陀螺仪，它和激光陀螺仪一样，也是通过谐振频率差来测量角速度，但是需要相干性较强的光源，同时也需要品质因数较好(高Q值)的谐振腔来满足高精度测量的要求。目前谐振腔式光纤陀螺仪还处于研究阶段，距离实用化还有一段距离。

另外，对于测量系统来说，高灵敏度和大动态范围一般是相互矛盾的，在实际使用中，需要根据自己的需要，在灵敏度和动态范围之间进行权衡，这会带来很多不便，因此研究同时具有高灵敏和大动态范围的陀螺仪具有重要的意义。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于可调谐光电振荡器的角速度测量方法和装置，利用微波光子滤波技术，实现在提高角速度测量灵敏度的同时，也提高其动态范围。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。