[发明专利]一种机器学习辅助的光纤陀螺仪偏振锁定与慢漂补偿系统及方法

说明书

本发明公开了一种机器学习辅助的光纤陀螺仪偏振锁定与慢漂补偿系统。该系统通过引入机器学习中的神经网络，能够智能化地搜索和预测光纤陀螺仪干涉误差信号与入射光偏振方向的关系，并将预测到的最优值反馈给硬件系统进行补偿，进而实现光纤偏振锁定和抑制输出信号的强度慢漂的功能。所述系统包括相干光源、格兰激光棱镜、第一偏振分束器、第一反射镜、第一法拉第旋光器、第一半波片、液晶调制器、保偏光纤、相位调制器、第二法拉第旋光器、第二半波片、第二反射镜、第三半波片、第二偏振分束器、光电探测器、计算机、信号发生器。本发明还公开了利用上述系统实现的机器学习辅助的光纤陀螺仪偏振锁定与慢漂补偿方法。

技术领域

本发明属于人工智能、电子控制、量子光学与精密测量领域，主要涉及一种机器学习辅助的光纤陀螺仪偏振锁定与慢漂补偿系统及方法，用于光纤陀螺的角速度测量和相位测量。

背景技术

光纤陀螺仪对精密测量领域有着重要意义，在引力波探测、分布式传感、角速度测量、空间导航、温度传感、形变探测等领域有着广阔应用前景。其采用激光手段可以克服传统机械陀螺、悬浮陀螺、压电陀螺的一些缺点。此外，得益于光纤微纳加工工艺的成熟，现在可以利用多匝保偏光纤圈来显著增加环路长度，进一步提高了角速度测量精度。但是，也正是因为光纤的引入，不可避免地会给陀螺仪带来光纤慢漂、零漂、噪声等误差。尤其对于干涉型光纤陀螺仪来说，慢漂和噪声可来源于温度、机械扰动、应力形变、偏振耦合、布里渊散射、瑞利散射、Kerr效应等诸多因素。其中，温度、机械扰动、偏振模式耦合是其噪声的重要来源，同时也是光纤陀螺信号慢漂的主要来源。而在相对恒定控制的实验温度条件和平台隔振条件下，偏振因素就成为了需要重点考虑的对象。

角速度的测量精度和陀螺仪的鲁棒性是空间导航和定位精度的关键一环，因此，人们需要尽可能地消除不必要的噪声和慢漂以提高光纤陀螺仪的角速度测量精度和鲁棒性。传统的方法主要可以分为两类：一类是从光路结构上出发，例如采用最小互易性光路、集成化的Y波导或四极对称环绕结构来减少慢漂和噪声，进而提高陀螺仪精度；还有一类方法则是从控制算法上入手，例如采用比例积分微分算法去闭环反馈去锁相、锁偏振或是采用卡尔曼滤波等方法对采集数据进行后处理。传统比例积分微分算法依赖于多次预实验以摸索控制器的经验参数，参数的选取对锁定效果影响很大。而数据后处理的办法无法直接作用于实验测量系统自身并且不能快速实时处理，这导致这一类方法在实际复杂多变的环境中应用性和可操作性大大降低。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目标是提供一种新型的机器学习辅助的光纤陀螺仪偏振锁定和慢漂补偿系统及相应方法，旨在解决传统光纤陀螺仪中的偏振模式耦合和输出信号慢漂、测量灵敏度低的问题。本发明受传统干涉仪锁相技术的启发，结合了机器学习和比例积分微分控制算法，并与光纤陀螺仪硬件系统相适配，既能够智能化地搜索光纤陀螺仪误差信号的全局极小值，同时可以实时快速响应以避免对待测角速度信号的额外干扰。本发明的系统能够从程序和硬件的交叉控制上较好地解决偏振因素对光纤陀螺信号的影响。与传统光纤陀螺相比，本发明显著抑制了信号的慢漂，大大提高了系统长时间鲁棒性和测量灵敏度，提高了在普适环境中的抗干扰能力。该发明进一步提升了光纤陀螺仪在光纤传感、空间导航、地理勘测等精密测量领域的应用价值。

为了实现上述目的，本发明设计并实现了一种机器学习辅助的光纤陀螺仪偏振锁定与慢漂补偿系统，具体如下：

相干光源，是一种线偏振光，由连续激光器产生，进入陀螺仪的光纤环路后可感知由sagnac效应引起的顺时针环路与逆时针环路的相位差；

格兰激光棱镜，具有高消光比，其用于进一步提高入射相干光源的线偏振纯度，保证入射到环路的光是消光比大于1：10000的线偏光且偏振方向可调。

第一偏振分束器用于将线偏光沿水平偏振和垂直偏振方向50：50分束；

第一反射镜用于改变光场的传播方向，使光路与后续器件的中心线重合；