阅读说明：本技术 一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪 (Passive laser gyroscope based on phase-sensitive heterodyne measurement ) 是由 李宗阳 张洁 柳奎 冯晓华 陆泽晃 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪,包括Sagnac干涉仪,平衡探测装置以及信号提取装置；三束激光分别锁定到Sagnac干涉仪两个方向的三个不同纵模上；从Sagnac干涉仪透射的激光进入平衡探测装置进行拍频测量；拍频测量得到的射频电信号通过信号提取装置进行自解调,以获得Sagnac信号,通过此信号确定旋转角速度。本发明通过利用三束激光注入被动式激光陀螺仪,避免了激光陀螺仪的后向散射噪声以及光学腔长漂移噪声,改善激光陀螺仪干涉信噪比,同时提高被动激光陀螺仪测量稳定性,获得了更好的转动测量分辨率。(The invention discloses a passive laser gyroscope based on phase-sensitive heterodyne measurement, which comprises a Sagnac interferometer, a balance detection device and a signal extraction device, wherein the Sagnac interferometer is used for measuring the phase-sensitive heterodyne; three beams of laser are respectively locked on three different longitudinal modes in two directions of the Sagnac interferometer; enabling the laser transmitted by the Sagnac interferometer to enter a balance detection device for beat frequency measurement; the radio frequency electric signal obtained by beat frequency measurement is self-demodulated by a signal extraction device to obtain a Sagnac signal from which the angular velocity of rotation is determined. According to the invention, the three beams of laser are injected into the passive laser gyroscope, so that the backscattering noise and optical cavity length drift noise of the laser gyroscope are avoided, the interference signal-to-noise ratio of the laser gyroscope is improved, the measurement stability of the passive laser gyroscope is improved, and better rotation measurement resolution is obtained.)

一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪

技术领域

本发明属于激光陀螺仪领域，更具体地，涉及一种基于相敏外差测量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之一。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。激光陀螺仪的工作原理基于1913年由法国科学家Sagnac提出的Sagnac效应，即在一个光学环形腔中，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，两束光如果同时位于环形腔的同一纵模，则它们的共振角频率之差与旋转角速度的关系可以表示为： 其中ω_s是两个方向谐振激光的频率差，也被称为Sagnac频率，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，激光陀螺仪光学环形腔的环绕面积越大，其测量灵敏度越高。

现有激光陀螺仪大部分为主动激光陀螺仪，即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的限制因素主要来自于三个方面：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，三是由于光学腔镜不完美引起的后向散射噪声。专利文献CN 103047979 A公开了一种被动激光陀螺仪激，其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。但被动式陀螺仪并不能解决后向散射噪声的问题。处于Sagnac频率的后向散射噪声会耦合到被动激光陀螺仪的激光锁定回路中，进而被放大并干扰最终的测量结果。为解决此问题，2016年发表在Classical and Quantum Gravity杂志第33卷第035004页的文章“Passive,free-space heterodyne laser gyroscope”公开了一种基于差模工作方式的被动激光陀螺仪，通过将注入顺时针和逆时针两个方向的激光频率隔开光学腔的一个自由光谱区，使得后向散射噪声的频率达到了高频，超出了激光锁定系统的带宽并被过滤掉，以达到避免后向散射噪声的目的。但是这种方法导致陀螺仪无法直接获得Sagnac信号，而是Sagnac信号同光学腔自由光谱区频率之和ω_s+ω_F的信号。其中自由光谱区角频率ω_F＝2πc/P,其中c为真空中光速。而自由光谱区频率ω_F对于腔长漂移是极其敏感的，从而在被动激光陀螺仪的工作中引入了由于腔长漂移造成的自由光谱区频率漂移的噪声。

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相敏外差测量的被动式激光陀螺仪，其目的在于同时解决现有被动式激光陀螺仪中的后向散射噪声以及腔长漂移造成的自由光谱区频率漂移的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪，包括：Sagnac干涉仪，平衡探测装置以及信号提取装置；所述Sagnac干涉仪包括四面高反射率腔镜组成的光学环形腔以及三束注入激光；所述四面高反射率腔镜包括三面输入腔镜和一面输出腔镜；所述三束注入激光分别从三个输入腔镜注入光学环形腔中，其中三束激光中的两束沿一个旋转方向注入光学环形腔，另一束沿另一个旋转方向注入光学环形腔；所述平衡探测装置包括马赫曾德干涉仪以及平衡探测器，用来探测表征Sagnac干涉仪中输出腔镜透射的两个方向三束激光频率差的射频信号；所述信号提取装置包括功分器、混频器、带通滤波器和频率计数器，用于将平衡探测装置中平衡探测器输出的射频信号进行自相关提取并进行记录。

进一步地，所述三束注入激光的频率分别锁定在光学环形腔相邻的三个纵模上，角频率分别ω₁、ω₂和ω₃；其中一个旋转方向注入的两束激光分别位于另一个旋转方向注入激光所在纵模的两边，其频率关系满足ω₁＝ω₃+ω_s+ω_F,ω₂＝ω₃+ω_s-ω_F，其中ω_s为Sagnac信号的角频率，ω_F为光学环形腔的自由光谱区角频率。

进一步地，所述马赫曾德干涉仪既可以用分体光学元件搭建，也可以用一体化合束棱镜实现，用于对两个方向三束激光进行合束并进行拍频测量，以获得表征其频率差的射频信号。

进一步地，所述平衡探测器所探测的信号为角频率在ω_s+ω_F、ω_s-ω_F和2ω_F的反映三束注入激光频率差的射频信号以及反映三束注入激光光强的直流信号，所述平衡探测器包括带通滤波装置，仅保留角频率为ω_s±ω_F的信号输出。

进一步地，所述功分器用于将射频信号进行等强度等相位的分束。

进一步地，所述混频器用于将两束射频信号进行乘法运算，以实现信号的解调，可以得到频率分别为2ω_s、2ω_F和2ω_s±2ω_F的交流信号以及直流信号。

进一步地，所述带通滤波器的通带中心角频率为2ω_s，将频率分别为2ω_F和2ω_s±2ω_F的交流信号以及直流信号全部过滤。

进一步地，所述频率计数器既可以采用移动存储介质进行数据的存储，也可以直接连接计算机进行远程数据采集存储。

进一步地，所述Sagnac干涉仪中的三束注入激光的注入方向为其中两束激光沿环形腔顺时针方向注入，一束激光沿逆时针方向注入。

进一步地，所述Sagnac干涉仪中的三束注入激光的注入方向为一束激光沿环形腔顺时针方向注入，两束激光沿逆时针方向注入。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果：

本发明通过向陀螺仪光学环形腔的两个方向注入三束激光，这三束激光分别位于光学环形腔的三个相邻纵模，且一个旋转方向注入的两束激光所在纵模分别位于另一个旋转方向的注入激光所在纵模的两边，并通过平衡探测装置测量三束光之间的拍频信号，继而通过信号提取装置对三束光的拍频信号进行自解调，直接获得二倍频的Sagnac信号。因此，本发明通过将三束分别处于不同纵模的激光从两个方向上注入被动式激光陀螺仪，避免了同一纵模注入激光的后向散射噪声会影响激光锁定的问题。同时利用自混频系统，直接提取得到了角频率为2ω_s的二倍频的Sagnac信号，避免了差模工作状态下被动激光陀螺仪由于腔长漂移引入的自由光谱区频率漂移的影响。即本发明可以使得被动激光陀螺仪同时避开后向散射噪声和腔长漂移噪声造成的影响，提升长积分时间下的探测分辨率。从而本发明同时解决了后向散射噪声和腔长漂移造成的自由光谱区频率漂移的问题，提高了激光陀螺仪的旋转探测分辨率。

附图说明

图1是本发明基于相敏外差探测的被动式激光陀螺仪的一种总体结构图；

图2是本发明中三束激光频率关系的示意图；

图3是本发明基于相敏外差探测的被动式激光陀螺仪的另一种总体结构图；

图4是本发明中三束激光另一种频率关系的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

第一实施例

本发明提供了一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪，图1是本发明的一种总体结构图，主要由Sagnac干涉仪100，平衡探测装置200以及信号提取装置300；所述Sagnac干涉仪100包括四面高反射率腔镜1011，1012，1013，1014组成的光学环形腔以及三束注入激光1021，1022，1023；所述四面高反射率腔镜1011，1012，1013，1014包括三面输入腔镜1011，1012，1013和一面输出腔镜1014；所述三束注入激光1021，1022，1023分别从三个输入腔镜1011，1012，1013注入光学环形腔中，其中两束激光1021和1022沿环形腔顺时针方向注入，一束激光1023沿逆时针方向注入；所述三束激光的角频率分别ω₁，ω₂和ω₃；所述平衡探测装置200包括马赫曾德干涉仪201以及平衡探测器202，用来表征探测Sagnac干涉仪中输出腔镜透射的两个方向三束激光频率差的射频信号；所述信号提取装置300包括功分器301，混频器302，带通滤波器303以及频率计数器304，用于将平衡探测装置200中平衡探测器202输出的射频信号进行自相关提取并进行记录。

所述三束注入激光1021，2022，2023的频率分别锁定在光学环形腔相邻的三个纵模上，其中顺时针方向注入的两束激光1021，2022分别位于逆时针方向注入激光2023所在纵模的两边，其频率关系满足ω₁＝ω₃+ω_s+ω_F,ω₂＝ω₃+ω_s-ω_F，其中ω_s为Sagnac信号的角频率，ω_F＝2πc/P为光学环形腔的自由光谱区角频率，其中c为真空中光速，优选地，所述所有激光来自于窄线宽固体激光器或半导体激光器。

所述平衡探测装置200中的马赫曾德干涉仪201既可以用分体光学元件搭建，也可以用一体化合束棱镜实现，用于对两个方向三束激光进行合束并进行拍频测量，以获得表征其频率差的射频信号；

所述平衡探测装置200中的平衡探测器202所探测的信号为角频率在ω_s+ω_F，ω_s-ω_F以及2ω_F的反映三束注入激光频率差的射频信号和反映三束注入激光光强的直流信号，平衡探测器202包括包含带通滤波装置，仅保留角频率为ω_s±ω_F的信号输出，所述平衡探测器202中所使用的光电二极管根据注入激光的波长进行选择，优选地，当波长小于900nm时选择使用硅光电二极管，当波长大于等于900nm时选用铟镓砷光电二极管。

所述信号提取装置300中的功分器301用于将射频信号进行等强度等相位的分束。

所述信号提取装置300中的混频器302用于将两束射频信号进行乘法运算，以实现信号的解调，可以得到频率分别为2ω_s，2ω_F以及2ω_s±2ω_F的交流信号和直流信号。

所述信号提取装置300中的带通滤波器303的通带中心角频率为2ω_s，将频率分别为2ω_F以及2ω_s±2ω_F的交流信号和直流信号全部过滤，优选地，所述带通滤波器303可使用共振型带通滤波器。

所述信号提取装置300中的频率计数器304既可以采用移动存储介质进行数据的存储，也可以直接连接计算机进行远程数据采集存储。

图2是本实施例中三束注入激光1021、1022、1023以及Sagnac干涉仪100中光学环形腔纵模的角频率关系图，其中每一个纵模在顺时针方向和逆时针方向的频率略有差别，为Sagnac频率ω_s，同方向上两个相邻纵模的频率间隔为自由光谱区频率ω_F，顺时针方向两束注入激光1021，1022的角频率满足ω₁＝ω₀+ω_F，ω₂＝ω₀-ω_F，逆时针方向一束注入激光1023的角频率满足ω₃＝ω₀-ω_s。

第二实施例

如图3及图4所示，本实施例提供了一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪，图3是本发明的一种总体结构图，主要由Sagnac干涉仪100，平衡探测装置200以及信号提取装置300；所述Sagnac干涉仪100包括四面高反射率腔镜1011，1012，1013，1014组成的光学环形腔以及三束注入激光1021，1022，1023；所述四面高反射率腔镜1011，1012，1013，1014包括三面输入腔镜1011，1012，1013和一面输出腔镜1014；所述三束注入激光1021，1022，1023分别从三个输入腔镜1011，1012，1013注入光学环形腔中，其中两束激光1021和1022沿环形腔逆时针方向注入，一束激光1023沿顺时针方向注入；所述三束激光的角频率分别ω₁，ω₂和ω₃；所述平衡探测装置200包括马赫曾德干涉仪201以及平衡探测器202，用来探测Sagnac干涉仪中输出腔镜透射的两个方向三束激光的拍频信号；所述信号提取装置300包括功分器301，混频器302，带通滤波器303以及频率计数器304，用于将平衡探测装置200中平衡探测器202输出的射频信号进行自相关提取并进行记录。

所述三束注入激光1021，2022，2023的频率分别锁定在光学环形腔相邻的三个纵模上，其中顺时针方向注入的两束激光1021，2022分别位于逆时针方向注入激光2023所在纵模的两边，其频率关系满足ω₁＝ω₃-ω_s+ω_F,ω₂＝ω₃-ω_s-ω_F，其中ω_s为Sagnac信号的角频率，ω_F＝2πc/P为光学环形腔的自由光谱区角频率，其中c为真空中光速，优选地，所述所有激光来自于窄线宽固体激光器或半导体激光器。

所述平衡探测装置200中的马赫曾德干涉仪201既可以用分体光学元件搭建，也可以用一体化合束棱镜实现，用于对两个方向三束激光进行合束并进行拍频测量，以获得表征其频率差的射频信号；

所述平衡探测装置200中的平衡探测器202所探测的信号为角频率在ω_s+ω_F，ω_s-ω_F以及2ω_F的反映三束注入激光频率差的射频信号和反映三束注入激光光强的直流信号，平衡探测器202包括包含带通滤波装置，仅保留角频率为ω_s±ω_F的信号输出，所述平衡探测器202中所使用的光电二极管根据注入激光的波长进行选择，优选地，当波长小于900nm时选择使用硅光电二极管，当波长大于等于900nm时选用铟镓砷光电二极管。

所述信号提取装置300中的功分器301用于将射频信号进行等强度等相位的分束。

所述信号提取装置300中的混频器302用于将两束射频信号进行乘法运算，以实现信号的解调，可以得到频率分别为2ω_s，2ω_F以及2ω_s±2ω_F的交流信号和直流信号。

所述信号提取装置300中的带通滤波器303的通带中心角频率为2ω_s，将频率分别为2ω_F以及2ω_s±2ω_F的交流信号和直流信号全部过滤，优选地，所述带通滤波器303可使用共振型带通滤波器。

所述信号提取装置300中的频率计数器304既可以采用移动存储介质进行数据的存储，也可以直接连接计算机进行远程数据采集存储。

图4是本实施例中三束注入激光1021，1022，1023以及Sagnac干涉仪100中光学环形腔纵模的角频率关系图，其中每一个纵模在顺时针方向和逆时针方向的频率略有差别，为Sagnac频率ω_s，同方向上两个相邻纵模的频率间隔为自由光谱区频率ω_F，逆时针方向两束注入激光1021，1022的角频率满足ω₁＝ω₀+ω_F，ω₂＝ω₀-ω_F，顺时针方向一束注入激光1023的角频率满足ω₃＝ω₀+ω_s。

综上本发明针对目前大型激光陀螺仪中的后向散射噪声与腔长漂移噪声的问题，提出了一种基于相敏外差探测的被动式激光陀螺仪，可以同时避免后向散射噪声和腔长漂移噪声的影响，改善激光陀螺仪干涉信噪比，提高整个陀螺仪系统的稳定性，获得更好的转动测量分辨率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。