基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统及方法与流程

1.本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种应用于低相干光源、光波导谐振腔角速度检测的组合调制技术。光学谐振腔具有对输入光进行选频和滤波的作用，根据光学sagnac效应，在不同旋转角速度下谐振腔对顺时针光路和逆时针光路具有不同的滤波特性，基于此特性可用来检测系统的角速度。


背景技术：

2.谐振式光学陀螺是一种利用光学sagnac效应来实现对角速度进行检测的一种高精度惯性传感器，它包括谐振式光纤陀螺和谐振式微光学陀螺两大类。其中，谐振式光纤陀螺利用光纤谐振腔作为其敏感元件，谐振式微光学陀螺则是利用光波导谐振腔作为其敏感元件，因此在小型化与集成化上谐振式微光学陀螺具有更大的优势。
3.由于sagnac效应是一种极其微弱的效应，而传统的谐振式微光学陀螺是利用高相干性的光作为其系统光源，这就会使得系统内产生许多光学寄生效应，如背向散射噪声、偏振噪声、残余强度噪声等。这些噪声的出现会增加系统信号处理的复杂性，同时也限制了系统精度的提升，更不利于系统小型化的实现。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种采用低相干光源作为发射源，光波导谐振腔作为角速度敏感元件，利用不同角速度下顺时针光路和逆时针光路滤波特性的不同，实现角速度检测的检测系统及方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.本发明首先提供了一种基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统，其包括由低相干光源和光电探测器模块、耦合器和光波导谐振腔模块、相位调制器和反射镜模块所构成的光学系统以及由信号调制解调模块所构成的信号处理系统；所述低相干光源和光电探测器模块包括低相干光源和光电探测器，耦合器和光波导谐振腔模块包括耦合器和光波导谐振腔，相位调制器和反射镜模块包括相位调制器和反射镜；低相干光源、耦合器、光波导谐振腔、相位调制器依次相连；经相位调制器调制后的信号经反射镜反射后再次经过相位调制器以及光波导谐振腔；光波导谐振腔的输出经过耦合器后连接到光电探测器；光电探测器的输出信号输入到信号调制解调模块；信号调制解调模块产生的调制信号输入到相位调制器，信号调制解调模块产生的解调信号作为系统输出信号输入到外部数据记录仪。
7.作为本发明的优选方案，所述的低相干光源和光电探测器模块、耦合器和光波导谐振腔模块、相位调制器和反射镜模块通过die to wafer)键合技术异质集成在同一个si基底上。
8.作为本发明的优选方案，所述的光波导谐振腔为氧化硅或氮化硅光波导环形谐振腔，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。
9.本发明还提供了一种应用上述检测系统的检测方法，其包括以下步骤：
10.(1)光的传输：低相干光源发出的光经过耦合器后先从逆时针方向经过光波导谐振腔，之后经过相位调制器进行调制，调制后的光经反射镜反射再次经过相位调制器进行二次调制后从顺时针方向进入光波导谐振腔并从入腔端输出；
11.(2)组合调制：逆时针出腔的光两次经过相位调制器，并被相位调制器进行组合调制其中，信号调制解调模块产生正弦调制信号u1(t)，驱动相位调制器完成相位调制，同时信号调制解调模块生成移频信号u2(t)，驱动相位调制器完成移频从而实现对系统中背向散射噪声的抑制；(3)信号的解调：顺时针出腔的光再次经过耦合器后进入光电转换器转换为电信号；之后信号解调模块产生与正弦调制信号u1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
12.(4)系统信号输出：解调后的信号作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪。
13.作为本发明的优选方案，所述的移频信号u2(t)为不会引入系统偏置的信号。优选的，所述的移频信号u2(t)为三角波信号或正弦调制信号。
14.本发明具有的有益效果：
15.本发明提供的基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统及方法，利用低相干光作为光源可以在很大程度上减小包括偏振噪声在内的光学寄生效应，从而在很大程度上提高了系统的稳定性。
16.本发明提供的基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统及方法，利用组合调制的手段抑制了原本存在于该系统的背散噪声，从而有效的抑制了漂移。
17.本发明提出的基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统及方法，对系统采用了集成化的设计，因此极大的缩小了系统的体积，同时在很大程度上降低了顺、逆时针光束的入腔时间差，从而有效的降低了系统的漂移。
附图说明
18.图1是基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统及方法的结构示意图；
19.图2是信号解调后输出的曲线示意图。
20.图3是基于组合调制低相干光集成化的角速度检测在转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图。
21.图4是基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统及方法的具体实施案例示意图。
22.图中：1、硅基底，2、氧化硅或氮化硅光波导环形谐振腔和耦合器模块，3、低相干光源和光电探测器模块，4、相位调制器和反射镜模块，5、信号调制解调模块，6、数据记录仪，7、光电探测器，8、低相干光源，9、相位调制器，10、反射镜，11耦合器。
具体实施方式
23.下面结合实例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
24.如图1所示，本实施例基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统包括由低相干光源和光电探测器模块、耦合器和光波导谐振腔模块、相位调制器和反射镜模块所构
成的光学系统以及由信号调制解调模块所构成的信号处理系统；所述低相干光源和光电探测器模块包括低相干光源和光电探测器，耦合器和光波导谐振腔模块包括耦合器和光波导谐振腔，相位调制器和反射镜模块包括相位调制器和反射镜；低相干光源、耦合器、光波导谐振腔、相位调制器依次相连；经相位调制器调制后的信号经反射镜反射后再次经过相位调制器以及光波导谐振腔；光波导谐振腔的输出经过耦合器后连接到光电探测器；光电探测器的输出信号输入到信号调制解调模块；信号调制解调模块产生的调制信号输入到相位调制器，信号调制解调模块产生的解调信号作为系统输出信号输入到外部数据记录仪。
25.上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
26.(1)光的传输：低相干光源发出的光经过耦合器后先从逆时针方向经过光波导谐振腔，之后经过相位调制器进行调制，调制后的光经反射镜反射再次经过相位调制器进行二次调制后从顺时针方向进入光波导谐振腔并从入腔端输出；
27.(2)组合调制：逆时针出腔的光两次经过相位调制器，并被相位调制器进行组合调制。具体来说：信号调制解调模块产生正弦调制信号u1(t)，驱动相位调制器完成相位调制，同时信号调制解调模块生成移频信号u2(t)，驱动相位调制器完成移频从而实现对系统中背向散射噪声的抑制，其中三角波信号可替换为其他不会引入系统偏置的信号，如正弦波信号。
28.(3)信号的解调：顺时针出腔的光再次经过耦合器后进入光电转换器转换为电信号；之后信号解调模块产生与正弦调制信号u1(t)同频的参考信号对电信号进行解调；
29.(4)系统信号输出：解调后的信号作为角速度检测系统的输出信号，输出至外部数据记录仪。
30.如图2所示，给出了基于组合调制低相干光集成化的角速度检测系统的输出解调曲线。从解调曲线上可以看出，当系统静止时，解调输出为0，当系统转动时，即顺、逆时针光束存在谐振频差时，解调输出开始变化，通过对解调输出及系统实际转动的角速度之间的关系进行标定，即可根据解调输出值来获得系统转动的角速度大小。
31.如图3所示，给出了基于组合调制低相干光集成化的角速度检测在转动时顺时针与逆时针频率关系示意图，顺时针与逆时针的谐振频差即为系统的转动信号。由于系统采用的是低相干光源，因此它的谱宽远大于谐振腔的自由谱宽(fsr)，故图中用在一个fsr内顺、逆时针光束谐振频率的变化情况来表征整体的情况。当系统静止时，顺、逆时针光束的谐振频率相同，此时即对应光电探测器处的最大探测光功率；而当系统发生转动时，即图中所示情况，此时光电探测器处的光功率下降，光功率的变化情况即反应出顺、逆时针光束的频差信号即系统转动信号。
32.如图4所示，是一种基于组合调制低相干光集成化的角速度检测方案的实施案例，角速度检测系统包括1、硅基底2、光波导环形谐振腔和耦合器模块3、低相干光源和光电探测器模块4、相位调制器和反射镜模块5、信号调制解调模块6、数据记录仪。其中，低相干光源和光电探测器模块3包括光电探测器7、低相干光源8，相位调制器和反射镜模块4包括相位调制器9和反射镜10，在本发明中，相位调制器9采用铌酸锂相位调制器，光波导环形谐振腔及耦合器模块2包括耦合器11和光波导环形谐振腔，所述光波导环形谐振腔可以为氧化硅或氮化硅光波导环形谐振腔。本发明将低相干光源和光电探测器模块3，氧化硅或氮化硅光波导环形谐振腔和耦合器模块2，铌酸锂相位调制器和反射镜模块4，通过die to wafer
(d2w)键合技术异质集成在同一个si基底上。所述低相干光源、耦合器、光波导谐振腔、相位调制器依次相连；经相位调制器调制后的信号经反射镜反射后再次经过相位调制器以及光波导谐振腔；光波导谐振腔的输出经过耦合器后连接到光电探测器；光电探测器的输出信号输入到信号调制解调模块；信号调制解调模块产生的调制信号输入到相位调制器，信号调制解调模块产生的解调信号作为系统输出信号输入到外部数据记录仪。发明利用巧妙的结构将低相干光应用于角速度的检测中，从而在源头上降低了传统谐振式微光学陀螺中偏振噪声、残余强度噪声等许多光学寄生效应，并利用组合调制的手段抑制了背向散射噪声，这不仅简化了系统结构而且在很大程度上提高了系统的稳定性。此外，集成化的设计将更有利于系统漂移的减小及小型化的实现。