一种高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪与读出方法

本发明属于光学陀螺仪，更具体地，涉及一种高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪与读出方法。

背景技术：

1、光学陀螺仪通常利用sagnac效应测量载体绕敏感轴转动的角速度，即使沿闭合光路相反方向传播的两束光产生与转动角速度相关的相位差或频率差，根据相位差和频率差得到角速度。与传统干涉式光纤陀螺相比，谐振式光学陀螺仪利用高品质因数光学谐振腔增强光场与转动的相互作用，具有体积小、易于集成、潜在灵敏度高等特点。随着片上光子平台的发展，将谐振腔、干涉结构、探测器和控制单元集成为小型化光学陀螺仪，已经成为该领域的重要研究方向。

2、但目前现有技术仍存在如下不足：现有谐振式光学陀螺仪中基于频率锁定或频率偏移的方案通常需要调制、解调、误差信号提取、锁频和反馈控制等环节，系统控制链路较复杂；单纯利用强度谱线斜率进行读出的方案容易受到输入光功率波动、激光相对强度噪声和探测链路增益漂移影响；部分互易灵敏度增强或多谐振增强方案采用两个环形谐振腔或者两条相互独立的谐振增强路径，通常需要保证两个谐振腔或两条谐振路径的谐振中心、线宽、耦合状态、温度漂移和工艺偏差相互匹配，双向谱线一致性和比例因子稳定性较难保证；以及背向散射引起谐振谱线劈裂、前向直通相位响应畸变和工作点不稳定的不足。

3、综上，现有技术存在问题如下：（1）传统的谐振式陀螺仪需要复杂的锁频控制（即调制、解调和反馈），电子电路制作困难，对激光器稳定性要求极高。（2）角速度的结果容易受光源功率波动影响，抗噪能力弱。（3）在使用双环形谐振腔的方案中，难以保证两个环形谐振腔制作完全一致，导致温度变化时产生误差，影响测量精度。（4）难以抑制背向散射带来的干扰问题。

4、鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明需要解决的问题为如何提供一种结构简单、抗噪能力强且能够有效抑制背向散射干扰问题的光学陀螺仪。

2、第一方面，提供一种高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪，包括：激光源1、分光单元2、上臂波导3、下臂波导4、环形谐振腔5、合束分束单元6、第一光电探测器7、第二光电探测器8及信号处理单元9；其中，所述上臂波导3在第一耦合区31与所述环形谐振腔5耦合，所述下臂波导4在第二耦合区41与所述环形谐振腔5耦合，所述第一耦合区31和所述第二耦合区41相对布置；

3、所述分光单元2用于将来自所述激光源1的输入光分为上臂光信号和下臂光信号，所述上臂光信号和所述下臂光信号在同一所述环形谐振腔5中，以预定幅度关系和预定相对相位激发相反传播方向的环内光场，以选择性抑制一支由背向散射引起的分裂谐振模；

4、所述合束分束单元6用于对所述上臂光信号和所述下臂光信号进行相干耦合，形成两个互补输出端，以形成互补强度输出的第一主光信号和第二主光信号，并分别由所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8进行探测，得到第一光功率信号和第二光功率信号；

5、所述信号处理单元9用于对所述第一光功率信号和所述第二光功率信号进行增益匹配形成归一化差分信号，并对所述归一化差分信号进行解算得到角速度。

6、优选的，所述上臂光信号和所述下臂光信号在同一所述环形谐振腔5中，以预定幅度关系和预定相对相位激发相反传播方向的环内光场，具体包括：

7、所述上臂光信号和所述下臂光信号在同一所述环形谐振腔5中，以等幅同相或者等幅反相激发相反传播方向的环内光场。

8、优选的，所述高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪还包括第一相位偏置单元10，其中：

9、所述第一相位偏置单元10设置于上臂波导3上，并位于所述分光单元2和所述第一耦合区31之间；

10、所述第一相位偏置单元10用于接收所述上臂光信号，并对所述上臂光信号进行相位调制，使得所述上臂光信号和所述下臂光信号以预定相对相位耦合进入环形谐振腔5。

11、优选的，所述高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪还包括第二相位偏置单元11，其中：

12、所述第二相位偏置单元11设置于上臂波导3上，并位于所述第一耦合区31和所述合束分束单元6之间；

13、所述第二相位偏置单元11用于接收上臂波导3中经过第一耦合区31的光信号，并调节进入合束分束单元6前的光信号的有效相对相位，使互补强度差分响应处于预定斜率工作区。

14、优选的，所述第一耦合区31和所述第二耦合区41的总外耦合率与所述环形谐振腔5的本征损耗率被配置为使被选择分裂本征模处于整体临界耦合附近或整体过耦合的预定状态，以提高直通相位响应斜率。

15、优选的，所述高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪还包括热调谐单元12，所述热调谐单元12设置于所述环形谐振腔5上，用于对所述环形谐振腔5的谐振频率或补偿公共失谐进行调节。

16、优选的，所述高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪还包括隔离单元13，所述隔离单元13设置于激光源1和所述分光单元2之间的光路上，所述隔离单元13用于隔离光路中的返回光。

17、第二方面，提供一种高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪的读出方法，应用在所述的高灵敏度单腔谐振式光学陀螺仪上，包括：

18、在光路处于标定阶段时，开启所述激光源1，并检测两个光电探测器的零点参数；

19、扫描激光源1的输出频率，获取上臂波导3的前向直通响应、下臂波导4的前向直通响应和合束分束单元6的互补输出响应，共同作为初始扫描数据；

20、根据所述零点参数拟合得到零偏项，根据所述初始扫描数据拟合得到前向直通响应斜率、等效干涉可见度、探测链路校正系数和有效相位增益，并根据所述环形谐振腔5的结构参数或已知角速度标定结果确定sagnac比例系数；

21、将激光源1的输出频率设置在满足前向直通响应斜率要求的预设工作区，当监测到光路中存在背向散射分裂时，将上臂波导3和下臂波导4中输入至环形谐振腔5的两路光信号设置为预定幅度关系和预定相对相位，并使合束分束单元6的互补强度输出处于预定工作区；

22、在测量阶段，同步采集第一光电探测器7和第二光电探测器8的第一光功率信号和第二光功率信号，并根据所述探测链路校正系数对所述第一光功率信号和第二光功率信号进行增益校对以及归一化差分处理，得到归一化差分信号；

23、根据所述零偏项、等效干涉可见度、有效相位增益和sagnac比例系数对所述归一化差分信号进行解算，得到角速度。

24、优选的，所述根据所述探测链路校正系数对所述第一光功率信号和第二光功率信号进行增益校对以及归一化差分处理，得到归一化差分信号，具体包括：

25、所述归一化差分信号的表达式为：

26、；

27、其中，为归一化差分信号，和为探测链路校正系数，为第一光功率信号，为第二光功率信号。

28、优选的，所述根据所述零偏项、等效干涉可见度、有效相位增益和sagnac比例系数对所述归一化差分信号进行解算，得到角速度，具体包括：

29、所述角速度的表达式为：

30、；

31、其中，为角速度，为归一化差分信号，为零偏项，v为等效干涉可见度，为有效相位增益，为sagnac比例系数。

32、区别于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

33、将上臂波导3和下臂波导4相对布置并与同一个环形谐振腔5耦合，上臂光信号和所述下臂光信号在同一环形谐振腔5中，以预定幅度关系和预定相对相位激发相反传播方向的环内光场，以选择性抑制一支分裂谐振模，有效抑制了背向散射干扰问题，通过合束分束单元6接收上臂光信号和下臂光信号，形成互补强度输出的两路光信号，通过两个光电探测器分别进行探测，得到光功率信号并进行归一化差分处理，有效抑制了激光源1波动所带来的噪声问题，综上，相比于现有的双环结构，本发明所采用光学陀螺仪结构更简单、抗噪能力强且能够有效抑制背向散射干扰问题。