CN104075703B - 基于高k氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺，其由激光器、分束器、相位调制器、环形共振器、三角棱镜、氟化物楔形腔、探测器、锁相放大器、PI电路、加法器、高压放大器、信号发生器、隔离器构成。PI电路对光信号进行调制使得从A、B探测器输出的信号中提取出能反应载体旋转角速率的物理量，并且根据该物理量分别改变控制光源出射光的频率和相位调制器的调制电压，实现对光路的反馈，最终达到使在氟化物楔形腔中顺逆时针传播的光路都谐振的目的。

Description

基于高 K 氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺

技术领域

本发明属于陀螺技术领域，涉及一种角速率测量装置，具体地说是指一种以Sagnac效应为基础的一种光在闭合光路中传输的方式，使用氟化物楔形腔，利用多光束干涉实现测量角速度的谐振式光学陀螺，具体是一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺。

背景技术

陀螺惯性器件作为惯导系统中的核心部件，在国土防空、舰船、潜艇的惯性导航系统、导弹轨道控制、飞行器自主导航等陆、海、空、天制导、导航及控制技术领域以及卫星姿态控制、摄像机稳瞄稳像、大地测量、资源勘测、机器人、电子消费品等行业有着广泛的应用背景，其发展对一个国家的国防事业、基础工业以及高科技产业发展具有重要的意义。

目前，陀螺惯性器件主要有传统机械陀螺、光学陀螺（光纤陀螺、激光陀螺）、微机械（MEMS）陀螺等类型。传统的机械式陀螺仪适用于大载体高精度的惯性导航，但普遍存在体积大、启动时间长、存在可动部件等问题，无法满足深空探测、构建深空探测网络等应用领域对器件性能稳定、功耗低、体积小等要求，以及微型化、隐身化武器装备作战使用要求，难以实现“灵便型”测量系统。微机械陀螺仪近年来受到人们广泛关注，发展非常迅速，微陀螺的性能、精度及可靠性逐步提高，但尚未取得根本突破，没有像微加速度计那样在市场上大量应用。微机械惯性器件随着器件的微小化，其质量和动量也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测极限状态。光学陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，成为现代导航仪器中不可或缺的关键部分。但光纤陀螺仪需要较为复杂的光电信号处理，成本较高，受温度等环境条件变化影响大，且不易集成。

随着全球卫星定位系统的广泛应用和高新技术的快速发展，现代惯性导航系统改变了发展方向，对惯性器件提出了更高的要求。惯性器件须在保证高精度的同时，更要求具备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成等特点。因此，具有高精度、高灵敏度、高可靠性的谐振式光学陀螺成为了重要的发展方向。

陀螺是用于测量角速率和角加速度变化的装置。陀螺的主要原理是Sagnac效应，在惯性空间中，Sagnac效应可以描述为：通过检测谐振腔内顺时针和逆时针传播光束输出的频率差来实现谐振腔旋转角速度的测试。当谐振腔静止时，两束光光波频率相同，频差为零；当谐振腔转动时，两束相反方向传播光光波频率发生变化，而且两束光的频差与转速成线性关系，其表达式为：Δf=4AΩ/λL= DΩ/λ（A为谐振腔的面积，D为谐振腔的直径，L为谐振腔的周长,4A/λL为陀螺的标度因子），故测出Δf，就可以知道旋转角速率Ω的值。

谐振式光学陀螺是一种新型的角速度传感器，与机械陀螺相比，具有全固态，对中立不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，具有无高电压电源、无机械抖动的特点，另外，还具有重量轻、小体积、高灵敏度、低成本、高可靠性、低功耗等特点；与干涉式光纤陀螺相比，可减小由多匝线圈缠绕引起的温度效应和Shupe误差，采用高相干光源波长稳定性高、检测精度高、动态范围大。

谐振很窄的单频激光在谐振式光纤陀螺中传播，会改变光纤线芯的折射率，从而引起Kerr效应。顺、逆时针两束光的光强不匹配也可以造成频率误差，从而印象真正陀螺信号检测频差的精度。当谐振腔的精细度很高光强很强时，会使得石英光纤发生手机辐射，造成布里渊散射，而这种受激辐射会使得谐振频率测量及其不稳定。在光纤谐振腔中，把这种经过一次循环而不改变其偏振状态的的性质称为偏振的本征状态。通常，环境中的温度变化或者外界振动等因素的变化都会引起一个由偏振本征态对应的使谐振峰峰值位置的相对变化，从而引起由偏振波动造成的频率差，这将会直接影响陀螺旋转角速度的测量。

在传统的谐振腔选取中，谐振腔材料大部分使用二氧化硅，因为SiO₂具有良好的绝缘性能及稳定的二氧化硅-硅衬底界面，然而由于由二氧化硅制备的谐振腔Q值低，尺寸也只能做到几十um量级，无法满足陀螺导航级的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺，包括集成在硅基板上的激光器、分束器、A相位调制器、B相位调制器、A环形共振器、B环形共振器、三角棱镜、氟化物楔形腔、A探测器、A锁相放大器、PI电路（即增益积分电路）、加法器、高压放大器、C信号发生器、A信号发生器、B探测器、B信号发生器、B锁相放大器、隔离器；A信号发生器、B信号发生器、C信号发生器的结构相同；A相位调制器、B相位调制器结构相同，但在调制过程中设置的调制频率不同；A探测器、B探测器结构相同；氟化物楔形腔是指用精度为0.9999以上的氟化物晶体制作而成的、且周缘为楔形设计的圆盘；

其中，A相位调制器和B相位调制器上下布置于硅基板的中心位置， A、B相位调制器的右边布置上下分布的A环形共振器和B环形共振器；A、B相位调制器的左边由左至右依次布置激光器、隔离器和分束器，A、B环形共振器的右边由左至右依次布置三角棱镜和氟化物楔形腔；A相位调制器的上方布置B信号发生器，B信号发生器上方布置B锁相放大器；B相位调制器的下方布置A信号发生器，A信号发生器下方布置A锁相放大器；隔离器下方布置高压放大器，高压放大器下方布置加法器，加法器下方布置PI电路；分束器下方布置C信号发生器；A环形共振器上方布置B探测器，B环形共振器下方布置A探测器；

激光器与隔离器连接，隔离器与分束器连接，分束器分别与A相位调制器和B相位调制器连接，A相位调制器与A环形共振器连接，B相位调制器与B环形共振器连接，A环形共振器的光输出端经准直器垂直对准三角棱镜的一个侧面， B环形共振器的光输出端经准直器垂直对准三角棱镜的另一个侧面，三角棱镜的底面与氟化物楔形腔通过倏逝场耦合（当三角棱镜与氟化物楔形腔的间隙小于4倍的谐振波长时，本来只在棱镜与空气界面处发生全反射的光，也有一部分以倏逝波的形式进入氟化物楔形腔，即进入氟化物型腔的光波会在腔中进行传输和耦合）；激光器与高压放大器连接，高压放大器与加法器连接，加法器通过开关与C信号发生器连接，加法器还与PI电路连接，PI电路与A锁相放大器连接，A锁相放大器分别与A信号发生器和A探测器连接，A信号发生器与A相位调制器连接，A探测器与B环形共振器连接；B锁相放大器分别与B信号发生器和B探测器连接，B信号发生器与B相位调制器连接，B探测器与A环形共振器连接。

进一步的，激光器是具有保偏光纤、谱线很窄的稳定的单频固态激光器，采用具有保偏光纤、谱线很窄的稳定的单频固态激光器是为了保证稳定的工作波长和温度稳定性以及很好的单向性出射；A相位调制器和B相位调制器都是低振幅调制的相位调制器，因为信号发生器只能输出最大10V电压，且低振幅相位调制器可以避免也因高温引起的调制器调制系数变化和相位响应特性变化从而造成性能的不稳定；PI电路是具有很好的反馈的控制电路，只有PI电路能很好的纠偏、调整误差，将谐振腔频率反馈给高压放大器，激光器才能快速地锁定谐振腔的频率；三角棱镜是等腰直角三角棱镜，选择等腰直角棱镜是保证光在棱镜里的对称传输和严格的全反射传输。

氟化物楔形腔的楔形角度θ为20°，楔形角做到20°，Q值更高，即谐振腔局域光的能力越强。

工作时，如图1、3所示，光源从激光器中发出，经隔离器ISO隔离，隔离器ISO用于防止反射到激光器的光对其原始输出的频率产生影响，经隔离器输出的光通过分束器分束为光束1和光束2，此时分束器平分的是光强而不是频率，光束1进出A相位调制器后再进出A环形共振器，光束2进出B相位调制器后再进出B环形共振器，A、B环形共振器主要作用是用来指示方向；从A环形共振器出射的调制光从三角棱镜的201侧面垂直的进入三角棱镜，经折射后在三角棱镜203底面发生全反射，再从三角棱镜的202侧面输出；从B环形共振器出射的调制光从三角棱镜的202侧面垂直的进入三角棱镜，经折射后在三角棱镜203底面发生全反射，再从三角棱镜的201侧面输出（如图3所示，设三角棱镜中与A环形共振器对应的一个侧面为201侧面，与B环形共振器对应的一个侧面为202侧面，底面为203底面）。在三角棱镜203底面与氟化物楔形腔的间隔间产生倏逝场而使得两束光波耦合进入三角棱镜，其中经三角棱镜的201侧面进入的光在氟化物楔形腔内形成逆时针CCW光束，经三角棱镜202侧面进入氟化物楔形腔内的光在氟化物楔形腔内形成顺时针CW光束，进入氟化物楔形腔内的逆时针光束CCW循环出来进入B环形共振器，被A探测器检测到，再通过A锁相放大器，进入PI电路、加法器和高压放大器，最后传给激光器，在此，PI电路是用来纠偏、调整误差，从而使激光器的PZT锁定了氟化物楔形腔的频率（逆时针的光束），加法器以及开关作用是在锁频时，打开开关，扫描电压和PI控制电压相加然后传给激光器的PZT从而控制频率。经过B环形共振器进入氟化物楔形腔内的顺时针光束CW循环出来进入A环形共振器，被B探测器检测到，再通过B锁相放大器输出，此时输出的信号即为陀螺的频差信号，从而实现单路闭环控制系统。

本发明采用高介电常数（高K）的氟化物材料来代替二氧化硅材料来制备楔形腔，从而得到高Q、高精度的谐振式光学陀螺。本发明为精度更高、灵敏度更高的谐振式光学陀螺仪。以氟化物如氟化锂、氟化镁、氟化钙、氟化钡等高K氟化物为材料制备的谐振腔，具有高Q值，大直径d的优点，可以获得高精细度透射谱输出，从而实现更高分辨率的角速度测量，将现有微机电惯性传感器的测量精度提高两个数量级以上，达0.1-0.01^o/h，可满足导航级要求。使用等腰直角三角棱镜作为耦合器，可以保证光路的对称输入和输出，从而减小上述的偏振误差；使用三角棱镜与楔形腔的耦合方式，在固定好棱镜和楔形腔的相对位置后，封装时相比用光纤耦合方式使用紫外固化胶的封装更容易，性能更好。

在本发明的基于氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺，PI电路对光信号进行调制使得从光电探测器（A探测器、B探测器）输出的信号中提取出能反应载体旋转角速率的物理量，并且根据该物理量分别改变控制光源出射光的频率和相位调制器的调制电压，实现对光路的反馈，最终达到使在氟化物楔形腔中顺逆时针传播的光路都谐振的目的。本发明中通过检测谐振腔（由三角棱镜和氟化物楔形腔构成）中顺逆时针传播的光的频率差，并经过频率-转速转换关系△f=DΩ/λ，间接测量载体的旋转角速率。图5是Sagnac效应的原理图，即，当陀螺不转动的时候，从出射点P发出的两束顺、逆时针光经过相同的光程差后同时传到P点，当陀螺以Ω的角速度转动时，顺时针和逆时针光束向相反方向传输后回到出射点时，P点已经发生了移动变到P’点，因此，可以根据顺逆时针两束光的频差计算得到陀螺转动的角速度。

本发明的有益效果为：

1）构成谐振腔的氟化物材料具有很宽的透射波段和很高的透明度，结构简单不潮解，是一种具有优异光学特性的材料；

2）构成谐振腔（氟化物楔形腔）的尺寸直径可达mm级，从而由氟化物材料制备的谐振腔Q值可达到10⁸-10¹¹，精细度可达10⁵，为陀螺的高灵敏度和高精细度提供了保证，为谐振式陀螺的性能指标达到惯导级和精密级提供了可能；

3）等腰直角三角棱镜具有平面全内反射特性，角向选模特性和相位共轭效果，使在振荡过程中光场分布趋于均匀，输出光远场发散角小，低价模输出，光束质量好；

4）楔型谐振腔内光耦合采用的是棱镜耦合，棱镜耦合是通过空间光进行耦合的，在调整好耦合角度后，可以直接进行封装，不同于光纤耦合，若要封装，需要使用紫外固化胶固定，而紫外固化胶的热效应差，温度升高或降低，都会影响折射率，而致使最终输出的透射谱和封装前的透射谱发生变化。在提高耦合效率的基础上，避免了耦合器的损耗以及由于光纤陀螺的模场直径不匹配而产生的光散射等附加损耗及封装问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中氟化物楔形腔的结构示意图。

图3为图2的局部切面结构图。

图4为本发明中三角棱镜与氟化物楔形腔的耦合原理图。

图5为Sagnac效应原理图。

图中：1-激光器、2-分束器、3- A相位调制器、4- B相位调制器、5- A环形共振器、6- B环形共振器、7-三角棱镜、8-氟化物楔形腔、9- A探测器、10- A锁相放大器、11- PI电路、12-加法器、13-高压放大器、14- C信号发生器、15- A信号发生器、16- B探测器、17- B信号发生器、18- C信号发生器、19-隔离器、20-开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地描述：

如图1至图5所示，一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺，包括集成在硅基板上的激光器1、分束器2、A相位调制器3、B相位调制器4、A环形共振器5、B环形共振器6、三角棱镜7、氟化物楔形腔8、A探测器9、A锁相放大器10、PI电路11、加法器12、高压放大器13、C信号发生器14、A信号发生器15、B探测器16、B信号发生器17、B锁相放大器18、隔离器19；A信号发生器15、B信号发生器17、C信号发生器14的结构相同；A相位调制器3、B相位调制器4结构相同；A探测器9、B探测器16结构相同；氟化物楔形腔8是指用精度为0.9999以上的氟化物晶体制作而成的、且周缘为楔形设计的圆盘；

其中，A相位调制器3和B相位调制器4上下布置于硅基板的中心位置， A、B相位调制器3、4的右边布置上下分布的A环形共振器5和B环形共振器6；A、B相位调制器3、4的左边由左至右依次布置激光器1、隔离器19和分束器2，A、B环形共振器5、6的右边由左至右依次布置三角棱镜7和氟化物楔形腔8；A相位调制器3的上方布置B信号发生器17，B信号发生器17上方布置B锁相放大器18；B相位调制器4的下方布置A信号发生器15，A信号发生器15下方布置A锁相放大器10；隔离器19下方布置高压放大器13，高压放大器13下方布置加法器12，加法器12下方布置PI电路11；分束器2下方布置C信号发生器14；A环形共振器5上方布置B探测器16，B环形共振器6下方布置A探测器9；

激光器1与隔离器19连接，隔离器19与分束器2连接，分束器2分别与A相位调制器3和B相位调制器4连接，A相位调制器3与A环形共振器5连接，B相位调制器4与B环形共振器6连接，A环形共振器5的光输出端经准直器垂直对准三角棱镜7的一个侧面， B环形共振器6的光输出端经准直器垂直对准三角棱镜7的另一个侧面，三角棱镜7的底面与氟化物楔形腔8通过倏逝场耦合；激光器1与高压放大器13连接，高压放大器13与加法器12连接，加法器12通过开关20与C信号发生器14连接，加法器12还与PI电路11连接，PI电路11与A锁相放大器10连接，A锁相放大器10分别与A信号发生器15和A探测器9连接，A信号发生器15与A相位调制器3连接，A探测器9与B环形共振器6连接；B锁相放大器18分别与B信号发生器17和B探测器16连接，B信号发生器17与B相位调制器4连接，B探测器16与A环形共振器5连接。

在本发明中，三角棱镜7和氟化物楔形腔8构成一个谐振腔，氟化物楔形腔8的结构如图2、3所示，三角棱镜7与氟化物楔形腔8的耦合原理如图4所示；

本发明的光路、电路走向为：

光源从激光器1出射进入隔离器19隔离后进入分束器2分束；

经分束器2的光分束后分为光束1和光束2，光束1和光束2分别进入A相位调制器3和B相位调制器4，再通过A环形共振器5和B环形共振器6出来；

从A环形共振器5出射的调制光从与三角棱镜7的201侧面垂直的方向进入棱镜经折射后在棱镜203底面发生全反射从棱镜的202侧面输出，从B环形共振器6出射的调制光从与三角棱镜7的202侧面垂直的方向进入棱镜经折射后在棱镜203底面发生全反射从棱镜的201侧面输出；

这两束光波在三角棱镜7的203底面与氟化物腔的间隔间产生倏逝场而使的两束光波耦合进入三角棱镜7，其中经三角棱镜7 的201侧面进入的光在氟化物腔内形成逆时针CCW光束，经三角棱镜7 的202侧面进入腔内的光在氟化物腔中形成顺时针CW光，进入氟化物谐振腔内的逆时针光束CCW循环出来进入B环形共振器6，被A探测器9检测到；

如图1所示，CCW方向传输的光束经A探测器9转换为电信号后经A锁相放大器10解调输出，得到用于反馈控制激光光波频率的误差信号，误差信号的存在， PI电路11控制作用一直进行，最终的结果使误差信号为零，此时的激光输出光波频率被锁定在氟化物楔形腔8的CCW方向的谐振频率点处；

此时的CW方向的谐振光束经B探测器16给B锁相放大器18解调，输出即为陀螺信号，从而实现单路闭环控制系统。

具体实施时，激光器1是具有保偏光纤、谱线很窄的稳定的单频固态激光器；A相位调制器3和B相位调制器4都是低振幅调制的相位调制器；PI电路11是具有很好的反馈的控制电路；三角棱镜7是等腰直角三角棱镜，且其反射率可以通过镀膜实现来达到0.9以上；氟化物楔形腔8的楔形角度θ为20°。

Claims (2)

1.一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：包括集成在硅基板上的激光器（1）、分束器（2）、A相位调制器（3）、B相位调制器（4）、A环形共振器（5）、B环形共振器（6）、三角棱镜（7）、氟化物楔形腔（8）、A探测器（9）、A锁相放大器（10）、PI电路（11）、加法器（12）、高压放大器（13）、C信号发生器（14）、A信号发生器（15）、B探测器（16）、B信号发生器（17）、B锁相放大器（18）、隔离器（19）；A信号发生器（15）、B信号发生器（17）、C信号发生器（14）的结构相同；A相位调制器（3）、B相位调制器（4）结构相同；A探测器（9）、B探测器（16）结构相同；氟化物楔形腔（8）是指用精度为0.9999以上的氟化物晶体制作而成的、且周缘为楔形设计的圆盘；

其中，A相位调制器（3）和B相位调制器（4）上下布置于硅基板的中心位置， A、B相位调制器（3、4）的右边布置上下分布的A环形共振器（5）和B环形共振器（6）；A、B相位调制器（3、4）的左边由左至右依次布置激光器（1）、隔离器（19）和分束器（2），A、B环形共振器（5、6）的右边由左至右依次布置三角棱镜（7）和氟化物楔形腔（8）；A相位调制器（3）的上方布置B信号发生器（17），B信号发生器（17）上方布置B锁相放大器（18）；B相位调制器（4）的下方布置A信号发生器（15），A信号发生器（15）下方布置A锁相放大器（10）；隔离器（19）下方布置高压放大器（13），高压放大器（13）下方布置加法器（12），加法器（12）下方布置PI电路（11）；分束器（2）下方布置C信号发生器（14）；A环形共振器（5）上方布置B探测器（16），B环形共振器（6）下方布置A探测器（9）；

激光器（1）与隔离器（19）连接，隔离器（19）与分束器（2）连接，分束器（2）分别与A相位调制器（3）和B相位调制器（4）连接，A相位调制器（3）与A环形共振器（5）连接，B相位调制器（4）与B环形共振器（6）连接，A环形共振器（5）的光输出端经准直器垂直对准三角棱镜（7）的一个侧面， B环形共振器（6）的光输出端经准直器垂直对准三角棱镜（7）的另一个侧面，三角棱镜（7）的底面与氟化物楔形腔（8）通过倏逝场耦合；激光器（1）与高压放大器（13）连接，高压放大器（13）与加法器（12）连接，加法器（12）通过开关（20）与C信号发生器（14）连接，加法器（12）还与PI电路（11）连接，PI电路（11）与A锁相放大器（10）连接，A锁相放大器（10）分别与A信号发生器（15）和A探测器（9）连接，A信号发生器（15）与A相位调制器（3）连接，A探测器（9）与B环形共振器（6）连接；B锁相放大器（18）分别与B信号发生器（17）和B探测器（16）连接，B信号发生器（17）与B相位调制器（4）连接，B探测器（16）与A环形共振器（5）连接。

2.根据权利要求1所述的基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：氟化物楔形腔（8）的楔形角度θ为20°。