[发明专利]一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪

说明书

本发明公开了一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，包括超稳激光光源装置、高Q值环形腔干涉仪装置和拍频探测装置，激光器输出激光频率锁定至超稳法珀腔谐振峰，同时锁定至链接到原子频标的飞秒光梳，获得兼具短稳与长稳的超稳激光源；环形腔的周长锁定至沿逆时针方向注入的超稳激光源频率上，沿顺时针方向注入的激光频率锁定到腔同一谐振峰上；拍频探测装置探测腔内两个方向溢出光的拍频得到Sagnac信号，通过此信号确定旋转角速度。本发明通过利用超稳激光作为被动式激光陀螺仪注入光源，改善激光陀螺仪干涉信噪比，同时使得陀螺仪的标度因子稳定性可以得到提高，从而提高整个陀螺仪系统的稳定性，延长积分平均时间，以获得更好的转动测量分辨率。

技术领域

本发明属于激光陀螺仪领域，更具体地，涉及一种基于超稳激光技术的被动式激光陀螺仪。

背景技术

激光陀螺仪由于其优良的转动速率测量性能而被用于惯性导航、地球物理、基础物理等领域。在过去的40年里，激光陀螺仪已经成为惯性导航和精密旋转测量领域最重要的仪器，由于其分辨率高、稳定性好、动态范围广而受到科研界和工业界研究人员的青睐。激光陀螺仪基于Sagnac效应，于1913年由法国科学家Sagnac提出，在一个环形腔中，如果系统在光的传播平面存在转动，那么顺时针方向传播的光与逆时针方向传播的光走过的实际光程不相等，两束光如果同时跟环形腔的同一谐振峰发生共振，则它们的共振频率之差与旋转角速度的关系可以表示为：其中f_sagnac是我们测量的两个方向谐振激光的频率差，也被称为Sagnac频率，其中称为标度因子，A是环形腔的环绕面积，λ是激光的波长，P是环形腔的周长，Ω是环形腔的旋转角速度。可以看出，激光陀螺仪的环绕面积越大，其标度因子越大，其测量灵敏度越高。

现有陀螺仪大部分均为主动激光陀螺仪，即由四个高反腔镜所构成的环形激光干涉仪内部充满He-Ne气体增益介质，它们本身就是一台主动式的环形激光器，其顺/逆时针方向共振的激光输出的频差即为Sagnac频率。这种主动激光陀螺仪设计思想相对简单和直接，目前限制因素主要来自于两个方面：一是受限于自发辐射噪声和腔内介质的扰动；二是用于克服激光陀螺仪频率闭锁现象的抖动偏频及其它偏频技术会损失激光陀螺仪的稳定性。

被动激光陀螺仪激光源位于环形腔外部，可有效避免自发辐射噪声和腔内介质的扰动，利用外部调制的方法也可以有效避免激光陀螺仪中广泛存在的频率闭锁现象。但被动式陀螺仪通常受限于注入激光源的稳定性和自身环形腔的稳定性，既不能获得很好的旋转角速度探测灵敏度，也不能获得很长的积分时间平均来获得很好的旋转角速度分辨率。为了解决这一问题，专利文献CN103047979 B提供了一种利用反馈方式将激光信号的中心频率锁定在法布里珀罗腔谐振频率上，从而实现激光装置输出激光线宽压窄和激光频率的稳定，提高激光陀螺仪的旋转角速度的测量精度和灵敏度，但其并没有解决法布里珀罗腔谐振频率长期漂移问题，被动式激光陀螺仪积分平均时间会非常有限，除此之外其也没有给出被动式激光陀螺仪稳定或者后期处理方案。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，其目的在于解决现有被动式激光陀螺仪中由于注入激光噪声以及陀螺仪稳定性差导致的探测分辨率不够高的问题，通过提高被动式激光陀螺仪注入激光源稳定性和标度因子稳定性，使得激光线宽远小于环形腔线宽，提高激光陀螺仪干涉信号信噪比，同时提高激光陀螺仪的旋转探测灵敏度和长期运行积分时间，最终提高旋转探测分辨率。