[发明专利]一种基于低相干光源的陀螺及其角速度测量方法

权利要求书

1.一种基于低相干光源的陀螺的角速度测量方法，其特征在于：包括基于低相干光源的陀螺，所述基于低相干光源的陀螺包括低相干光源，所述低相干光源通过第一耦合器形成两条光路，第一光路和第二光路通过光开关交替运行，所述第一光路的输出端设置有第一信号转换通道；所述第二光路的输出端设置有第二信号转换通道，所述第一信号转换通道和第二信号转换通道的输出端均与数据采集模块相连，所述第一光路包括第一光路环形器、第一光路光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、第一光路光开关Ⅱ、第一光路相位调制器和第一光路反射镜，所述第一光路的低相干光经过第一光路环形器和第一光路光开关Ⅰ顺时针进入光纤环形谐振腔内，从光纤环形谐振腔出射的低相干光经第一光路光开关Ⅱ进入第一光路相位调制器，并由第一光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向干涉输出，经第一光路环形器进入第一信号转换通道；所述第二光路包括第二光路环形器、第二光路光开关Ⅰ、光纤环形谐振腔、第二光路光开关Ⅱ、第二光路相位调制器和第二光路反射镜，所述第二光路的低相干光经过第二光路环形器和第二光路光开关Ⅰ逆时针进入光纤环形谐振腔内，从光纤环形谐振腔出射的低相干光经第二光路光开关Ⅱ进入第二光路相位调制器，并由第二光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿顺时针方向干涉输出，经第二光路环形器进入第二信号转换通道；

所述第一信号转换通道和第二信号转换通道均包括光电探测器，所述光电探测器与锁相放大器相连，所述锁相放大器分别与相位调制器和伺服控制模块相连，所述伺服控制模块分别与信号发生器和数据采集模块相连；

所述光纤环形谐振腔由第二耦合器和第三耦合器组成；

具体角速度测量方法包括以下步骤：

S1、低相干光源发出的低相干光经过第一耦合器后分为第一光路和第二光路，通过光开关的启闭切换，实现第一光路和第二光路的交替运行；

S2、当第一光路运行时，低相干光经过第一光路环形器和第一光路光开关Ⅰ进入由第二耦合器和第三耦合器组成的光纤环形谐振腔内，低相干光在光纤环形谐振腔内沿顺时针方向多次传输干涉出射；

S3、从光纤环形谐振腔出射的低相干光进入第一光路相位调制器并由第一光路反射镜反射，反射光重新进入光纤环形谐振腔并在腔内沿逆时针方向多次传输干涉出射；

S4、逆时针出射光经过第一光路环形器被第一光路光电探测器探测，第一光路光电探测器探测到的光强信号输入到第一光路锁相放大器内，第一光路锁相放大器通过第一光路相位调制器施加调制信号f₀到第一光路中，此时，第一光路锁相放大器可解调出与调制信号f₀同频率的误差信号δ，当陀螺以一定的角速度Ω₀旋转时，误差信号δ随之发生变化，第一光路伺服控制模块根据误差信号δ控制第一光路信号发生器产生锯齿波信号，将锯齿波信号通过第一光路相位调制器实现光频移，直至第一光路锁相放大器测量的输出误差信号为零，通过数据采集模块采集第一光路信号发生器的锯齿波强度V₁，获得当前测量旋转角速度的值Ω₁，测量旋转角速度Ω₁与实际角速度Ω₀的关系为：

式中，为是同侧光路顺逆时针切换时间产生的谐振频率差；

S5、第二光路运行时，运行步骤与第一光路相同，数据采集模块采集第二光路信号发生器的锯齿波强度V₂，获得当前测量旋转角速度的值Ω₂，测量旋转角速度Ω₂与实际角速度Ω₀的关系为：

S6、设置第一光路开启和第二光路开启两种情况的切换时间为T，则相邻T时间段内的测量值Ω₁与Ω₂之和为2倍的实际角速度值Ω₀，即

；

在步骤S1中，第一光路运行时：第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时开启，第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时关闭；第二光路运行时，第一光路光开关Ⅰ和第一光路光开关Ⅱ同时关闭，第二光路光开关Ⅰ和第二光路光开关Ⅱ同时开启；

在步骤S2中，透射率函数表示为：

式中，v为光频率，R为第二耦合器和第三耦合器的耦合比，为光纤环形谐振腔的自由光谱范围，低相干光在光纤环形谐振腔内沿顺时针方向多次传输干涉出射，顺时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

式中，为旋转引起的谐振腔顺逆时针谐振频率差，可表示为，其中，为光纤环形谐振腔直径，为旋转角速度，为光纤环形谐振腔折射率，为低相干光源中心波长；

在步骤S3中，逆时针方向谐振腔透射函数为，表示为：

；

在步骤S4中，探测光强表示为：

式中，I₀为低相干光源发出低相干光的强度、S(v)为低相干光的光谱归一化分布函数。