[发明专利]一种基于环形器结构的双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法

说明书

本发明公开了一种基于环形器结构的双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法。本发明利用再生锁模技术、腔长控制技术和偏振态分离技术在光纤环中产生顺逆双向偏振态垂直的高稳定度的光载微波，用于测量旋转角速度。本发明采用环形器结构，通过双向再生锁模技术实现双向光载微波谐振；基于宽谱光干涉仪的非互易性误差消除技术，实现了互易的双向光载微波谐振系统；采用偏振态分离技术实现光信号的双波长分离，并采用垂直的偏振态在敏感环内相向传输，提高敏感环检测能力；采用腔长控制技术，将一个方向的微波振荡频率锁定到高稳定度标准时间参考源上，稳定了光谐振腔的相对腔长。本发明系统及方法具有实用性强、测量精度高等特点。

技术领域

本发明属于高精度光学陀螺技术领域，尤其涉及一种基于环形器结构的双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法。

背景技术

在惯性导航领域，通常是采用加速度计检测载体平动速度，用陀螺仪检测载体旋转角速度。高精度陀螺仪主要有机械陀螺和光学陀螺两种类型，在军事、工业、科学等领域广泛应用。其中光学陀螺仪主要包含激光陀螺和光纤陀螺两类。激光陀螺虽然精度高，但存在闭锁效应，维护成本较高；干涉式光纤陀螺存在光功率利用率低，温度误差、寄生噪声等缺陷，检测精度偏低；谐振式光纤陀螺易于微型化，但是对光源要求很高，目前实用性还待提高。虽然相比于机械陀螺，光学陀螺整体的稳定性仍有不足，但其结构紧凑、灵敏度高等特点，使光学陀螺在高精度陀螺的市场上仍占据重要份额。

光学陀螺检测载体旋转角速度的基本原理是萨格纳克效应(Sagnac effect)。萨格纳克效应的基本原理是闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光由于载体转动而产生不同的光程差，从而产生相位差或频率差。由于产生的相位差或频率差只与载体旋转角速度相关，通过检测光学陀螺产生的相位差或频率差即可实现载体旋转角速度测量。要实现萨格纳克效应检测，首先需要实现同一光源的沿顺时针(CW)和逆时针方向(CCW)传输，由于光电器件的双向传输能力的限制，沿顺时针(CW)和逆时针方向(CCW)的光谐振腔特性无法实现完全相同，因此引入的非互易性误差会降低光载微波陀螺的精度。因此，高精度高可靠的光学陀螺仍然是陀螺研究的重点。

发明内容

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，提供一种基于环形器结构的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，本发明采用以下设计方案：一种基于环形器结构的双向光载微波谐振系统，该系统包括宽谱光源、50:50耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、低速光电转换器、干涉仪控制器、腔长补偿调节器、第一光放大器、第一光电强度调制器、第一光环形器、第一光耦合器、窄带双向光滤波器、第二光耦合器、第二光放大器、第二光电强度调制器、第二光环形器、第一再生腔腔长调节器、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、第二再生腔腔长调节器、第二高速光电探测器、第二微波滤波放大单元、敏感环干涉仪结构、第二微波功分器、第三微波功分器和差频检测单元；

所述第一光放大器、第一光电强度调制器、腔长补偿调节器、第一光环形器、第二波分复用器、第一光耦合器、窄带双向光滤波器、敏感环干涉仪结构、第二光耦合器、第一波分复用器和第二光环形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第一光耦合器、第二再生腔腔长调节器、第二高速光电探测器、第二微波滤波放大单元和第三微波功分器反馈调制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三微波功分器输入差频检测单元；

所述第二光放大器、第二光电强度调制器、第二光环形器、第一波分复用器、第二光耦合器、敏感环干涉仪结构、窄带双向光滤波器、第一光耦合器第二波分复用器和第一光环形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第二光耦合器、第一再生腔腔长调节器、第一高速光电探测器、第一微波滤波放大单元、第一微波功分器和第二微波功分器反馈调制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二微波功分器输入差频检测单元；