專利名稱：四頻激光陀螺的小抖動穩(wěn)頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及四頻激光陀螺，特別是涉及四頻激光陀螺的穩(wěn)頻方法。
背景技術(shù)：
激光陀螺具有動態(tài)范圍大、無加速度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點，是慣性系統(tǒng) 尤其是捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的理想元件，已大量應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。激光陀螺的原理是薩格 納克(Sagnac)效應(yīng)，在它的光學(xué)諧振腔內(nèi)至少運(yùn)行一對相向傳播的光波。當(dāng)它繞敏感軸相 對于慣性空間轉(zhuǎn)動時，相向行波的頻率產(chǎn)生分裂，形成正比于轉(zhuǎn)動速率的拍頻，因而通過測 量拍頻即可獲得激光陀螺相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動信息。由于諧振腔內(nèi)相向行波間的能量耦合，激光陀螺存在閉鎖效應(yīng)，導(dǎo)致它無法測量 較低的轉(zhuǎn)速。最常見的克服閉鎖的方法是機(jī)械抖動偏頻，但機(jī)械抖動容易對慣性系統(tǒng)中的 其它儀表產(chǎn)生干擾，此外還增加了隨機(jī)游走、降低了信號帶寬。四頻激光陀螺采用光學(xué)偏頻 的方法克服閉鎖，不會產(chǎn)生機(jī)械干擾，因而具有很大的優(yōu)越性。四頻激光陀螺腔內(nèi)運(yùn)行有四 個行波模式，采用石英旋光器或非平面腔使左旋偏振行波和右旋偏振行波產(chǎn)生頻率分裂， 采用法拉第偏頻器件或在增益介質(zhì)上施加縱向磁場在相同偏振的相向行波間建立非互易 偏頻以克服閉鎖。一對左旋偏振相向行波和一對右旋偏振相向行波分別構(gòu)成左、右旋單陀 螺，通過兩個單陀螺拍頻的差動，在四頻激光陀螺的輸出信號中非互易偏頻被削除，因而不 受非互易偏頻不穩(wěn)定的影響，而且對轉(zhuǎn)動的靈敏度加倍。左、右旋單陀螺的對稱性越好，四頻激光陀螺對外界干擾的抵抗力越強(qiáng)，因此要采 用穩(wěn)頻技術(shù)使左、右旋單陀螺位于增益曲線的對稱兩側(cè)，以使兩個單陀螺具有相同的增益。 四頻激光陀螺早先采用光強(qiáng)差穩(wěn)頻，其原理是將四頻激光陀螺穩(wěn)定在左、右旋光強(qiáng)信號相 等的狀態(tài)，然而由于在左、右旋光強(qiáng)信號的獲取過程中，合光、光電轉(zhuǎn)換和放大等過程不可 能對左、右旋光做到完全一致，更為嚴(yán)重的是，這種非一致性還會隨溫度而變，因而降低了 四頻激光陀螺性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了消除上述光強(qiáng)差穩(wěn)頻的缺陷，利用四頻激光陀螺同向運(yùn)行光 束的幅度取極值的原理進(jìn)行穩(wěn)頻，不僅可達(dá)到很高的穩(wěn)頻精度，而且穩(wěn)頻點與合光、光電轉(zhuǎn) 換與放大過程中參數(shù)的變化無關(guān)，從而避免穩(wěn)頻電路參數(shù)的變化影響四頻激光陀螺的性 能。為實現(xiàn)本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用一高頻光電探測器(如PIN型或APD型 光電二極管)將四頻激光陀螺透射出的同向運(yùn)行光束轉(zhuǎn)換為電信號，然后用高頻放大器放 大，再進(jìn)行幅度檢波(解調(diào))得到代表同向光束拍頻幅度的射頻光強(qiáng)；利用振蕩器輸出小抖 動調(diào)制電壓施加在四頻激光陀螺程長控制鏡的壓電陶瓷上，使四頻激光陀螺的程長產(chǎn)生小 抖動調(diào)制，進(jìn)而引起射頻光強(qiáng)的調(diào)制，控制電路根據(jù)射頻光強(qiáng)的調(diào)制特性產(chǎn)生控制電壓調(diào) 節(jié)程長使射頻光強(qiáng)達(dá)到極大值，從而使左、右旋陀螺穩(wěn)定地工作在增益曲線兩側(cè)。
本發(fā)明的優(yōu)點是直接用一個光電探測器接收四頻激光陀螺鏡片所透射出的光信 號，不用裝調(diào)復(fù)雜的合光棱鏡；穩(wěn)頻信號的獲取只需一路光電轉(zhuǎn)換和放大，光電探測器位置 失調(diào)、轉(zhuǎn)換系數(shù)變化以及放大電路的偏置和增益變化都不會影響穩(wěn)頻點。


圖1是四頻激光陀螺的工作原理。
圖2小抖動穩(wěn)頻原理。
圖3是小抖動穩(wěn)頻系統(tǒng)框圖。
圖4是采用混頻器的射頻幅度解調(diào)器。
圖5是采用乘法器的射頻幅度解調(diào)器。
圖6是采用二極管檢波的射頻幅度解調(diào)器。
圖7是采用乘法器的小抖動解調(diào)器。
圖8是光強(qiáng)掃模曲線。
圖9是修正的光強(qiáng)掃模曲線。
圖10是利用讀出系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行穩(wěn)頻的原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。在圖1中，四頻激光陀螺有四個振蕩模式位于增益曲線49的出光帶寬之內(nèi)，其頻 率分別為f\、f2、f3、f4，幅度分別為ApA2、A3、A4，其中模式1和2構(gòu)成左旋陀螺，模式3和4 構(gòu)成右旋陀螺，模式1和4沿順時針(CW)方向運(yùn)行，模式2和3沿逆時針(AW)方向運(yùn)行。 由于模式1和2距離很近，二者幅度基本相同，因此有A1 = A2,同理可知A3 = A4下面以利用順時針方向運(yùn)行的光束為例對穩(wěn)頻原理進(jìn)行介紹，記四個模式的平均 頻率為fa、模式ι和4的拍頻幅度50為I = A1A4, f0對應(yīng)I的極大值。當(dāng)在四頻激光陀螺 的程長控制鏡上施加小抖動調(diào)制電壓時，拍頻幅度50也受到調(diào)制，其調(diào)制情況與fa的位置 有關(guān)fa < &時，誤差信號51為正；fa > &時，誤差信號51為負(fù)；fa = &時，誤差信號51 為零。利用該原理可將平均頻率fa穩(wěn)定在&的位置。圖3是本發(fā)明的最佳實施例。從四頻激光陀螺1的鏡片2透射出的順時針光束打 在光電探測器3 (如PIN光電二極管)上，然后用射頻放大器4將光電探測器3輸出的電信 號放大，射頻幅度解調(diào)器5可取出拍頻幅度50對應(yīng)的射頻光強(qiáng)信號。頻率測量裝置測出射 頻信號的頻率然后傳輸?shù)綌?shù)字信號處理單元41 (如單片機(jī)、DSP)中。射頻幅度解調(diào)器5輸 出的信號進(jìn)行低通濾波消除高頻噪聲和干擾，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到數(shù)字信號處理單元 41中。讀出系統(tǒng)40得到的左、右旋光強(qiáng)信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到數(shù)字信號處理單元41中。穩(wěn)頻程序在信號處理單元41中設(shè)計，振蕩器8為一數(shù)字小抖動調(diào)制信號發(fā)生器 (如正弦波或方波)，發(fā)出一路調(diào)制信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后耦合到粘貼在 四頻激光陀螺程長控制鏡上的壓電陶瓷11上，壓電陶瓷在調(diào)制信號作用下產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動 從而引起程長調(diào)制。振蕩器8輸出的小抖動調(diào)制信號同時送到小抖動解調(diào)器7內(nèi)，用于從 射頻光強(qiáng)中提取誤差信號，誤差信號經(jīng)控制器(如PID控制器)后產(chǎn)生壓電陶瓷控制信號， 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行高壓放大以控制壓電陶瓷。
射頻幅度解調(diào)可采用圖4所介紹的方案射頻放大器4輸出的信號經(jīng)功分器分成 兩路，其中一路直接送入到混頻器16的一個端口，另一路經(jīng)射頻放大器17再次放大以提供 足夠的功率驅(qū)動混頻器16，混頻器16輸出信號經(jīng)低通濾波器18濾除高頻分量得到射頻光 強(qiáng)。圖5是另一種射頻幅度解調(diào)方案，與圖4的區(qū)別是采用乘法器19，其特點是對驅(qū)動 功率要求較低。圖6是可選的另一種射頻幅度解調(diào)方案，采用二極管檢波器21實現(xiàn)混頻器 16的功能。小抖動解調(diào)可采用圖7所給方案。振蕩器8采用數(shù)字正弦發(fā)生器實現(xiàn)，乘法器23 采用數(shù)字乘法器，振蕩器8、乘法器23與低通濾波器24構(gòu)成一相干解調(diào)器(相敏檢波器)， 其功能是從射頻光強(qiáng)中提取反映偏離極值程度與方向的誤差信號。左旋光強(qiáng)31、右旋光強(qiáng)32、射頻光強(qiáng)33和誤差信號34的掃模曲線如圖8所示，可 見射頻光強(qiáng)取極大值時誤差信號為零，因此可將射頻光強(qiáng)33穩(wěn)定在極大值上，但射頻光強(qiáng) 33的極大值對應(yīng)兩種狀態(tài)一種是左旋光強(qiáng)31的掃模曲線斜率為正，另一種是左旋光強(qiáng)31 的掃模曲線斜率為負(fù)，四頻激光陀螺工作在這兩種狀態(tài)時的零偏輸出并不相同，下面給出 此問題的解決方法。采用相干解調(diào)算法可將左旋光強(qiáng)31和右旋光強(qiáng)32的斜率正負(fù)號求出，根據(jù)二者 的斜率對誤差信號34進(jìn)行修正即可確定唯一的工作狀態(tài)。當(dāng)右旋光強(qiáng)32的掃模曲線斜率 為正時保持誤差信號34不變，當(dāng)右旋光強(qiáng)32的掃模曲線斜率為負(fù)時誤差信號34乘以-1， 于是得到修正的誤差信號35，如圖9所示。由于兩種狀態(tài)對應(yīng)的誤差信號不同，因而四頻激 光陀螺只能在設(shè)定的工作狀態(tài)下工作。另一種可選的修正誤差信號的方法是利用頻率測量裝置39所測頻率，兩種工作 狀態(tài)對應(yīng)的頻率相差1 3MHz，因此可通過比較頻率大小確定工作狀態(tài)。另一種確定工作狀態(tài)的方案是利用光強(qiáng)差信號，首先采用光強(qiáng)差穩(wěn)頻，當(dāng)射頻幅 度接近極大值時改用小抖動穩(wěn)頻，在這種方案中光強(qiáng)差所起作用是選擇工作狀態(tài)。圖10是小抖動穩(wěn)頻的另一最佳實施例。讀出系統(tǒng)40可獲得左旋陀螺和右旋陀螺 拍頻信號，數(shù)學(xué)表示分別為Sl = ILcos ( ω Lt)Se = IeCos ( ω Rt)式中&、Se分別表示左、右旋陀螺拍頻信號；I。Ie分別表示左、右旋陀螺拍頻幅 度，其中込=A1A2，Ie = A3A4 ； ω^ ωκ分別表示左、右旋陀螺拍頻頻率，其中c^ = f2_f1; ωΕ =f4_f3;t為時間。采用幅度解調(diào)器(如二極管檢波器)將&和Sk的幅度L和Ik取出，然后進(jìn)行相 乘得到Ilr = IlIr = A1A2A3A4 = A^由于Ap A4都是正值，因此當(dāng)A1A4取極大值時必定也有<劣取極大值，這樣就可利 用Iui進(jìn)行穩(wěn)頻。
權(quán)利要求
一種四頻激光陀螺穩(wěn)頻系統(tǒng)，其特征在于它包括腔內(nèi)運(yùn)行有四個行波模式的環(huán)形諧振腔，用光電探測器將腔鏡透射的部分光束轉(zhuǎn)換為電信號，對腔長進(jìn)行小抖動調(diào)制使各行波模式的幅度發(fā)生變化，根據(jù)其變化情況控制腔長，使四頻激光陀螺穩(wěn)定工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)頻方法，其特征是采用光電探測器將從四頻激光陀螺一個 鏡片中透射的光束轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)射頻放大和幅度解調(diào)后提取拍頻幅度，將射頻信 號分成兩路，并將其中一路放大到足夠的功率然后一起送入到混頻器的輸入端，對混頻器 輸出信號進(jìn)行低通濾波求得拍頻幅度對應(yīng)的射頻光強(qiáng)。通過對腔長進(jìn)行小抖動調(diào)制，使射 頻光強(qiáng)幅度發(fā)生變化，根據(jù)射頻光強(qiáng)的變化進(jìn)行穩(wěn)頻，將拍頻幅度控制在極大值上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)頻方法，其特征是將四頻激光陀螺讀出系統(tǒng)輸出的左、右 旋陀螺拍頻信號的幅度取出，然后使左、右旋拍頻幅度相乘，對腔長進(jìn)行小抖動調(diào)制，利用 左、右旋拍頻幅度的相乘結(jié)果隨腔長調(diào)制的情況進(jìn)行穩(wěn)頻，使左、右旋拍頻幅度乘積取極大 值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作狀態(tài)判定方法，其特征是利用同向行波的拍頻頻率對小 抖動穩(wěn)頻誤差信號進(jìn)行修正，根據(jù)事先測定好的同向行波拍頻頻率與小抖動穩(wěn)頻誤差信號 的對應(yīng)關(guān)系對小抖動穩(wěn)頻誤差信號進(jìn)行修正。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作狀態(tài)判定方法，其特征是首先利用光強(qiáng)差穩(wěn)頻將射頻光 強(qiáng)控制在極大值附近，然后改用小抖動穩(wěn)頻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工作狀態(tài)判定方法，其特征是利用左旋光強(qiáng)或右旋光強(qiáng)隨掃 模曲線的斜率對小抖動穩(wěn)頻誤差信號進(jìn)行修正。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拍頻幅度解調(diào)方法，其特征是將射頻信號分成兩路，分別送 入到乘法器的兩個輸入端，對乘法器輸出信號進(jìn)行低通濾波求得拍頻幅度對應(yīng)的射頻光 強(qiáng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拍頻幅度解調(diào)方法，其特征是利用二極管檢波求出拍頻幅度 對應(yīng)的射頻光強(qiáng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的穩(wěn)頻方法，其特征是對腔長施加小抖動調(diào)制(100 IOkHz)， 采用相敏檢波技術(shù)對射頻光強(qiáng)中調(diào)制信號分量的幅度進(jìn)行解調(diào)，作為誤差信號以控制腔長 直到誤差信號幅度為零。
全文摘要
四頻激光陀螺采用光強(qiáng)差穩(wěn)頻時，其精度容易受到合光、光電轉(zhuǎn)換和放大過程中參數(shù)變化的影響。本發(fā)明公開了一種新型穩(wěn)頻方式，通過對四頻激光陀螺的程長進(jìn)行小抖動調(diào)制，然后根據(jù)四頻激光陀螺腔內(nèi)行波模式幅度的調(diào)制情況進(jìn)行穩(wěn)頻，使四頻激光陀螺工作在同向行波模式拍波幅度最大的狀態(tài)下。本發(fā)明可解決光強(qiáng)差穩(wěn)頻所產(chǎn)生的問題，保證了四頻激光陀螺工作在唯一的不受干擾的狀態(tài)，使四頻激光陀螺性能得到改進(jìn)。
文檔編號G01C19/68GK101975574SQ201010501879
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
發(fā)明者汪之國, 王飛, 龍興武 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)