專利名稱：一種諧振式光學(xué)陀螺信號檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性旋轉(zhuǎn)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種諧振式光學(xué)陀螺信 號才企測方法。
背景技術(shù)：
諧振式光學(xué)陀螺(Resonator optic gyro)是一種利用Sagnac效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對
轉(zhuǎn)動角速度檢測的慣性角速度傳感器。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中諧振式光學(xué)陀螺信號檢測方法，采用單路鎖頻信號檢 測，光源輸出的順逆時針兩路光經(jīng)過移頻器調(diào)制后，各自成為一束光頻率按 調(diào)制周期擺動的光，根據(jù)調(diào)制光解調(diào)出的數(shù)據(jù)可以計算出光頻率偏離諧振谷 中心的值(光頻率和解調(diào)數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1所示)。
當(dāng)陀螺工作時，根據(jù)Sagnac效應(yīng)陀螺將產(chǎn)生順逆時針兩路光，使其中的 一路光通過解調(diào)數(shù)值曲線計算出其偏移諧振谷中心的值，然后通過鎖頻電路 調(diào)節(jié)光源輸出頻率，使此路光頻率鎖定在諧振谷中心fO，另一路光用來檢測 頻率差，從解調(diào)光強(qiáng)值曲線上光強(qiáng)差M值計算出它的頻率偏移諧振谷中心fO 的多少就是順逆時針兩路光的頻率差。
以方波調(diào)制舉例說明:順逆時針兩路光經(jīng)過方波調(diào)制以后，各自形成光 頻率按方波頻率變化的兩束光。當(dāng)此光束的兩個頻率的平均值在一個諧振谷 中心時，探測器上輸出的信號為一直流信號(圖2a所示)。當(dāng)平均頻率偏離 諧振谷中心時候，探測器上輸出一個方波信號，方波的正負(fù)半周幅值差VH-VL反映了平均頻率偏移諧振谷中心的多少(圖2b所示)。
當(dāng)陀螺靜止時，順逆時針兩路光的頻率相同。對其中一路光的輸出進(jìn)行 檢測，通過探測器輸出方波的大小，解調(diào)出光束平均頻率偏移諧振谷中心的 多少，通過檢測電路反饋給光源改變出射頻率，使此路光的平均頻率能始終 鎖定在諧振谷中心位置。然后檢測另一路光，此時另一路光的探測器輸出值 應(yīng)該為一直流信號。
當(dāng)陀螺發(fā)生轉(zhuǎn)動時，順逆時針兩路光發(fā)生頻偏。同樣對其中一路光進(jìn)行 鎖頻，使其平均頻率始終在諧振谷中心。此時另一路光的平均頻率就偏離了
中心位置，通過解調(diào)此路光的輸出方波大小VH-VL即可計算出平均頻率偏 離諧振谷中心的多少，也就是和第一路光的頻差。通過頻差即可計算出陀螺 旋轉(zhuǎn)角速度。
現(xiàn)有技術(shù)中，第二路用于檢測的光頻率變化取決于兩個分量的和f1+f 差。其中，f1為第一路頻偏變化量，f差為第二路與第一路頻差。因此，第二 路的頻移量是隨第一路鎖頻光的頻移一起變化的，因此第一路光鎖頻時帶來 的噪聲，振蕩等問題都會從光路附加給第二路檢測光，使信號檢測變得困難 且影響檢測精度。
陀螺對角速度的精確測量是在其中 一路精確而穩(wěn)定的鎖頻前提下。每當(dāng) 陀螺旋轉(zhuǎn)角速度改變的時候，輸入光頻率都要改變以鎖定諧振谷中心。而鎖 頻過程總要有 一 定的響應(yīng)時間，這使得陀螺工作時總是在不斷鎖頻過程中， 而無法快速響應(yīng)角速度變化,及時給出輸出值。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種 諧振式光學(xué)陀螺信號檢測方法，能夠有效增加陀螺輸出的相應(yīng)速度，及時測 量出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度，并且能夠降低噪聲。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種諧振式光學(xué)陀螺的信號檢測方法，包括
陀螺工作時，光源發(fā)出的順逆時針兩路光經(jīng)過移頻器對光頻率的調(diào)制 后，通過調(diào)制方式解調(diào)曲線，解調(diào)出該兩路光的頻率在所述曲線上對應(yīng)的光
強(qiáng)值，根據(jù)所述光強(qiáng)值求出共模量和差模量；
根據(jù)所述共模量解調(diào)出光源頻率偏移量，將所述光源頻率偏移量反饋給 光源，通過調(diào)整光源的輸出頻率，將所述兩路光的頻率鎖定；根據(jù)所述差模 量解調(diào)出的所述兩路光的頻差，檢測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。
進(jìn)一步地，所述檢測陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度的步驟包括將所述差模量根據(jù) 調(diào)制方式的解調(diào)曲線，解調(diào)出所述兩路光的頻差，再根據(jù)薩納克效應(yīng)
""，其中"為陀螺旋轉(zhuǎn)角速度，A/為頻差，義為光波長，n， A， L分 別為諧振腔波導(dǎo)芯層折射率，面積和腔長，檢測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。
進(jìn) 一 步地，所述移頻器是改變光頻率的方波調(diào)制移頻器。
進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述共模量將所述兩路光頻率鎖定的步驟包括將 光源發(fā)出的兩路光頻率鎖定在諧振谷中心，或者將所述兩路光的頻率鎖定在 與諧振谷中心有固定頻差的某一頻率上。
進(jìn)一步地，所述調(diào)整光源的輸出頻率，是通過對光源中的溫度控制電壓 和壓電陶瓷電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步地，所述光源頻率偏移量，是通過光學(xué)陀螺的檢測電路反饋給光 源的。
本發(fā)明的有益效果
采用本發(fā)明的技術(shù)方案，陀螺的鎖頻和檢測是獨(dú)立分開的，檢測角速度 取決于差模量，這和陀螺的鎖頻過程沒有聯(lián)系，因此鎖頻過程的控制噪聲不 會帶到檢測數(shù)據(jù)中，提高了檢測的精度。
一旦陀螺鎖定以后，由于環(huán)境的變化對光源頻率漂移影響很小并且速度
很慢，因此陀螺不用持續(xù)在鎖頻過程中(除非頻率偏移，否則不需鎖頻)， 且系統(tǒng)鎖頻的速度也遠(yuǎn)大于光源漂移的速度，因此可以保證光源光時刻鎖定 諧振谷中心。當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)生改變時候，解調(diào)出的差模值大小立即變 化，可以馬上檢測出旋轉(zhuǎn)角速度大小。


意圖;
圖2a為本發(fā)明所述方法中單路鎖頻信號檢測方法的陀螺調(diào)制鎖定諧振谷 的原理圖2b為本發(fā)明所述方法中單路鎖頻信號檢測方法的陀螺調(diào)制偏移諧振谷 的原理圖3為本發(fā)明所述方法的原理圖4為本發(fā)明所述方法的流程圖5a為本發(fā)明所述方法實(shí)施例陀螺檢測過程原理圖5b為本發(fā)明所述方法實(shí)施例陀螺鎖頻過程原理圖6為本發(fā)明所述方法信號傳輸流程框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明所述的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。 本發(fā)明所述的技術(shù)方案提出了使用陀螺檢測信號的解調(diào)值進(jìn)行共模鎖
頻，差模檢測的方法，使得陀螺的響應(yīng)時間大大縮短，并且抑止了噪聲。 如圖3所示，本發(fā)明 一種諧振式光學(xué)陀螺的信號檢測方法的原理圖； 當(dāng)陀螺工作時，順逆時針兩路光分別為f1和f2，它們在解調(diào)曲線上對應(yīng)
的光強(qiáng)解調(diào)值分別為I1和I2，這樣通過解調(diào)值的共模量I1+I2能夠計算出光源
偏移中心頻率的值，而通過差模量l2-M可以計算出兩路光的頻差f2-f1，在陀 螺轉(zhuǎn)動時，我們以共模量來反饋光源，鎖定光源頻率在諧振谷中心，而以差 模量來檢測陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度。
如圖4所示，本發(fā)明一種諧振式光學(xué)陀螺的信號檢測方法，包括如下步
驟
步驟S101:陀螺工作時，光源發(fā)出的順逆時針兩路光經(jīng)過移頻器對光頻 率的調(diào)制后，通過調(diào)制方式解調(diào)曲線，解調(diào)出該兩路光的頻率在所述曲線上 對應(yīng)的光強(qiáng)值，根據(jù)所述光強(qiáng)值求出共模量和差模量。
所述共模量是將調(diào)制后所述兩路光的光強(qiáng)值求和；所述差模量是將調(diào)制 后所述兩路光的光強(qiáng)值求差。
所述移頻器可以采用不同類型及調(diào)制效果的移頻器對所述兩路光進(jìn)行調(diào) 制，該移頻器優(yōu)選改變光頻率的方波調(diào)制移頻器。
步驟S 102:所述共模量根據(jù)調(diào)制方式解調(diào)曲線解調(diào)出光源頻率偏移量， 將所述光源頻率偏移量反饋給光源，通過調(diào)整光源的輸出頻率，將所述兩路 光的頻率鎖定；將所述差模量根據(jù)調(diào)制方式的解調(diào)曲線解調(diào)出的所述兩路光 的頻差，檢測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。
所述檢測陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度的步驟包括將所述差模量根據(jù)調(diào)制方式的<formula>formula see original document page 7</formula>
解調(diào)曲線，解調(diào)出所述兩路光的頻差，再根據(jù)薩納克效應(yīng) ""，其中" 為陀螺旋轉(zhuǎn)角速度，A/為頻差，義為光波長，n, A， L分別為諧振腔波導(dǎo)芯 層折射率，面積和腔長，檢測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。
所述根據(jù)所述共模量將所述兩路光頻率鎖定的方法包括將光源發(fā)出的 兩路光頻率鎖定在諧振谷中心，或者將所述兩路光的頻率鎖定在與諧振谷中 心有固定頻差的某一頻率上，本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選將所述兩路光的頻率鎖定諧 振谷中心。
所述根據(jù)共模量解調(diào)出的光源頻率偏移量調(diào)整光源輸出頻率的方法包
括對光源中的溫度控制電壓和壓電陶瓷電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，來控制光源的輸出頻率。
所述根據(jù)共模量解調(diào)出的光源頻率偏移量，是通過光學(xué)陀螺的檢測電路 反饋給光源的。
下面結(jié)合具體實(shí)例對本發(fā)明所述技術(shù)方案作詳細(xì)說明。
如圖5a和圖5b所示，本實(shí)例以方波調(diào)制為例
陀螺工作時，光源發(fā)出的光經(jīng)分光器后分為順逆時針的兩路光，通過移 頻器調(diào)制后進(jìn)入諧振腔；
當(dāng)光源發(fā)出的光頻率由于外界環(huán)境偏移諧振谷中心的時候，則順逆時針 兩路光經(jīng)過調(diào)制后的輸出方波將不再大小相等，而它們的正負(fù)半周期光強(qiáng)差 之和(即共模量)AM + AI2可以解調(diào)出此時光源的頻率偏移量，通過陀螺的 檢測電路對光源反饋這個頻率偏移量，經(jīng)過調(diào)節(jié)光源輸出頻率，使所述順逆 時針兩路光的頻率重新鎖定在諧振谷中心，實(shí)現(xiàn)鎖頻(圖5b)。
當(dāng)將所述順逆時針兩路光鎖定在諧振谷中心頻率f時，此時陀螺發(fā)生轉(zhuǎn) 動，順時針和逆時針兩路光發(fā)生偏移，頻差為f1，則順時針和逆時針兩路光 經(jīng)過調(diào)制后會形成兩個大小相等，相位相反的方波。通過兩方波的正負(fù)半周 期光強(qiáng)差之差(即差模量)AI1-AI2-2厶M可以解調(diào)出頻差f1，根據(jù)薩納克 效應(yīng)進(jìn)而計算出陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度(圖5a)。當(dāng)陀螺靜止時，順逆時針兩路 光的頻差為0，這時檢測到的角速度就是0。
下面結(jié)合工作過程對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行說明。
如圖6所示,當(dāng)陀螺工作時，光源發(fā)出的光經(jīng)分光器后分為順逆時針的 兩路光，再通過移頻器調(diào)制后進(jìn)入諧振腔；在諧振腔中順逆時針兩路光諧振后分別通過耦合器1和耦合器2進(jìn)入探測器1和探測器2;在探測器中，光信號 的強(qiáng)弱被轉(zhuǎn)化成電壓值，并輸出給后面的放大電路，所述光信號為模擬的方 波信號量，模擬信號被放大后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字信號進(jìn)入FPGA (現(xiàn)場 可編程邏輯門陣列)進(jìn)行數(shù)字處理。
在FPGA中，將兩路調(diào)制后的數(shù)字方波信號先進(jìn)行數(shù)字濾波后，再通過 對方波的正負(fù)半周光強(qiáng)差求和與求差的方式求出共模量和差模量，將所求共 模量經(jīng)過積分后發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)化成模擬信號，反饋給光源，通過調(diào)節(jié)光源中 的溫度控制電壓和PZT (壓電陶瓷)的電壓來調(diào)整光源輸出頻率，實(shí)現(xiàn)鎖 頻。所述差模量解調(diào)出兩路光的頻差，根據(jù)薩納克效應(yīng)計算出陀螺的旋轉(zhuǎn)角 速度，發(fā)送給顯示設(shè)備(如電腦)，顯示并記錄輸出值。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種諧振式光學(xué)陀螺信號檢測方法，其特征在于，包括以下步驟陀螺工作時，光源發(fā)出的順逆時針兩路光經(jīng)過移頻器對光頻率的調(diào)制后，通過調(diào)制方式解調(diào)曲線，解調(diào)出該兩路光的頻率在所述曲線上對應(yīng)的光強(qiáng)值，根據(jù)所述光強(qiáng)值求出共模量和差模量；根據(jù)所述共模量解調(diào)出光源頻率偏移量，將所述光源頻率偏移量反饋給光源，通過調(diào)整光源的輸出頻率，將所述兩路光的頻率鎖定；根據(jù)所述差模量解調(diào)出的所述兩路光的頻差，檢測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述檢測陀螺旋轉(zhuǎn)的角速 度的步驟包括將所述差模量根據(jù)調(diào)制方式的解調(diào)曲線，解調(diào)出所述兩路光的頻差，再根據(jù)薩納克效應(yīng)義丄"，其中"為陀螺旋轉(zhuǎn)角速度，^為頻差，義為光波長，n, A， L分別為諧振腔波導(dǎo)芯層折射率，面積和腔長，檢 測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述移頻器是改變光頻率 的方波調(diào)制移頻器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述共模量將所 述兩路光頻率鎖定的步驟包括將光源發(fā)出的兩路光頻率鎖定在諧振谷中 心，或者將所述兩路光的頻率鎖定在與諧振谷中心有固定頻差的某一頻率 上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整光源的輸出頻 率，是通過對光源中的溫度控制電壓和壓電陶瓷電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源頻率偏移量，是 通過光學(xué)陀螺的檢測電路反饋給光源的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諧振式光學(xué)陀螺信號檢測方法，包括陀螺工作時，光源發(fā)出的順逆時針兩路光經(jīng)過移頻器對光頻率的調(diào)制后，通過調(diào)制方式解調(diào)曲線，解調(diào)出該兩路光的頻率在所述曲線上對應(yīng)的光強(qiáng)值，根據(jù)所述光強(qiáng)值求出共模量和差模量；根據(jù)所述共模量解調(diào)出光源頻率偏移量，將所述光源頻率偏移量反饋給光源，通過調(diào)整光源的輸出頻率，將所述兩路光的頻率鎖定；根據(jù)所述差模量解調(diào)出的所述兩路光的頻差，檢測出所述陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。采用本發(fā)明所述方法，能夠有效增加陀螺輸出的相應(yīng)速度，及時測量出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度，并且能夠降低噪聲。
文檔編號G01C19/02GK101339032SQ20081011827
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日
發(fā)明者于懷勇, 馮麗爽, 劉惠蘭, 楠 姜, 洪靈菲, 馬迎建 申請人:北京航空航天大學(xué)