CN109556591A - 一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪 - Google Patents
一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，包括超稳激光光源装置、高Q值环形腔干涉仪装置和拍频探测装置，激光器输出激光频率锁定至超稳法珀腔谐振峰，同时锁定至链接到原子频标的飞秒光梳，获得兼具短稳与长稳的超稳激光源；环形腔的周长锁定至沿逆时针方向注入的超稳激光源频率上，沿顺时针方向注入的激光频率锁定到腔同一谐振峰上；拍频探测装置探测腔内两个方向溢出光的拍频得到Sagnac信号，通过此信号确定旋转角速度。本发明通过利用超稳激光作为被动式激光陀螺仪注入光源，改善激光陀螺仪干涉信噪比，同时使得陀螺仪的标度因子稳定性可以得到提高，从而提高整个陀螺仪系统的稳定性，延长积分平均时间，以获得更好的转动测量分辨率。
Description
技术领域
本发明属于激光陀螺仪领域，更具体地，涉及一种基于超稳激光技术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，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。激光陀螺仪基于Sagnac效应，于1913年由法国科学家Sagnac提出，在一个环形腔中，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，两束光如果同时跟环形腔的同一谐振峰发生共振，则它们的共振频率之差与旋转角速度的关系可以表示为：其中fsagnac是我们测量的两个方向谐振激光的频率差，也被称为Sagnac频率，其中称为标度因子，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，激光陀螺仪的环绕面积越大，其标度因子越大，其测量灵敏度越高。
现有陀螺仪大部分均为主动激光陀螺仪，即由四个高反腔镜所构成的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设计思想相对简单和直接，目前限制因素主要来自于两个方面：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。
被动激光陀螺仪激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。但被动式陀螺仪通常受限于注入激光源的稳定性和自身环形腔的稳定性，既不能获得很好的旋转角速度探测灵敏度，也不能获得很长的积分时间平均来获得很好的旋转角速度分辨率。为了解决这一问题，专利文献CN103047979 B提供了一种利用反馈方式将激光信号的中心频率锁定在法布里珀罗腔谐振频率上，从而实现激光装置输出激光线宽压窄和激光频率的稳定，提高激光陀螺仪的旋转角速度的测量精度和灵敏度，但其并没有解决法布里珀罗腔谐振频率长期漂移问题，被动式激光陀螺仪积分平均时间会非常有限，除此之外其也没有给出被动式激光陀螺仪稳定或者后期处理方案。
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超稳激光的被动式激光陀螺仪，其目的在于解决现有被动式激光陀螺仪中由于注入激光噪声以及陀螺仪稳定性差导致的探测分辨率不够高的问题，通过提高被动式激光陀螺仪注入激光源稳定性和标度因子稳定性，使得激光线宽远小于环形腔线宽，提高激光陀螺仪干涉信号信噪比，同时提高激光陀螺仪的旋转探测灵敏度和长期运行积分时间，最终提高旋转探测分辨率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，包括：超稳激光光源装置、高Q值环形腔干涉仪装置和拍频探测装置；所述超稳激光光源装置包括：激光装置、法布里珀罗腔装置、飞秒光梳装置和原子频标装置；激光装置分别向所述法布里珀罗腔装置、飞秒光梳装置和环形腔干涉仪装置提供激光信号，激光信号的频率同时锁定到所述法布里珀罗腔和飞秒光梳装置，与此同时，飞秒光梳装置将自身重复频率和零偏频率锁定到原子频标装置，使得激光装置最终输出激光信号频率同时兼具法布里珀罗腔的短期稳定性和原子频标的长期稳定性；所述高Q值环形腔干涉仪装置用来构建被动式激光陀螺仪干涉光路，所述激光装置经过频率长期与短期的稳定之后输出激光信号分两路，分别沿逆时针方向和顺时针方向注入所述环形腔装置；沿逆时针方向注入激光信号作为长度基准，通过所述腔长频率锁定装置将所述环形腔装置谐振频率锁定到激光信号频率上，沿顺时针方向注入激光信号注入所述环形腔装置并将激光信号频率锁定至所述环形腔装置谐振频率上；拍频探测装置用于探测在所述高Q值环形腔干涉仪装置之内分别沿逆时针方向和顺时针方向传播的激光信号频率之差Sagnac信号，以此来确定整个装置的旋转角速度。
其中，超稳激光光源装置100中原子频标装置104可以利用稳定基准源来实现，如铷钟，铯钟，氢钟，光频标等；超稳激光光源装置100中飞秒光梳装置103和频标装置104的组合可用碘分子、铷原子、铯原子稳频系统来代替。
更进一步地，被动式激光陀螺仪还包括：第一激光传输单元、第一反馈单元、第二激光传输单元和第二反馈单元；第二激光传输单元的第一输入端连接至飞秒光梳装置的输出端，第二激光传输单元的第二输入端连接至激光装置的输出端，第二反馈单元的输入端连接至第二激光传输单元的输出端，第二反馈单元的输出端连接至的第一输入端；第一激光传输单元的输入端连接至激光装置的输出端，第一激光传输单元的输入输出端与连接，第一反馈单元的输入端连接至第一激光传输单元的输出端，第一反馈单元的输出端连接至的第二输入端；第一激光传输单元用于将激光装置输出的激光信号传输至所述法布里珀罗腔；第一反馈单元用于将激光装置输出的激光信号频率锁定至所述法布里珀罗腔；第二激光传输单元用于将激光装置输出的激光信号传输至所述飞秒光梳装置；第二反馈单元用于将激光装置输出的激光信号频率锁定至所述飞秒光梳装置。
更进一步地，激光装置输出的激光信号的频率由法布里珀罗腔装置和链接到原子频标的飞秒光梳装置稳定。
更进一步地，激光装置输出的激光信号的频率短期稳定性由法布里珀罗腔稳定，激光信号经第二分光镜所反射的一束激光通过第一电光调制器相位调制，后被光隔离器反射进法珀腔，该激光信号与法珀腔相互作用后被反射，在第一光电探测器处探测信号，所得误差信号解调后经过第一伺服放大器后反馈给激光装置，将激光装置输出激光信号频率锁定到法珀腔谐振峰上，获得法珀腔的优越短期稳定性；所述激光装置输出的激光信号的频率长期稳定性由链接到原子频标的飞秒光梳稳定，激光信号经第一分光镜所反射的一束激光与链接到原子频标装置上的飞秒光梳装置的出射激光信号经过第三分光镜后合成一束激光，在第二光电探测器上探测拍频信号，所得信号经过第二伺服放大器后反馈给激光装置，将激光装置输出激光信号频率锁定到链接到原子频标装置的飞秒光梳装置上，使得激光装置具有了原子频标的长期稳定性。
更进一步地，高Q值环形腔干涉仪装置包括：陀螺激光准备单元、第三激光传输单元、第四激光传输单元、环形腔、第三反馈单元、第四反馈单元；第一激光信号接陀螺激光准备单元的输入端，陀螺激光准备单元的第一输出端连接至第三激光传输单元的输入端，陀螺激光准备单元的第二输出端连接至第四激光传输单元的输入端，第三激光传输单元的输入输出端与环形腔连接，第四激光传输单元的输入输出端与环形腔连接；第三反馈单元的输入端连接至第四激光传输单元的第二输出端，第四反馈单元的输入端连接至第三激光传输单元的第二输出端；第三反馈单元的输出端连接至环形腔的另一输入端，第四反馈单元的输出端连接至第四激光传输单元的另一输入端；陀螺激光准备单元用于将第一激光信号进行相位调制并等分成两束；第三激光传输单元用于将陀螺激光准备单元输出的激光信号传输并注入至所述环形腔；第四激光传输单元用于将陀螺激光准备单元输出的另一激光信号传输并注入至所述环形腔；环形腔用于两束注入激光信号各自产生谐振并干涉；第三反馈单元用于将环形腔谐振峰与沿逆时针方向注入的激光信号之间的误差信号伺服反馈至压电陶瓷；第四反馈单元用于将环形腔谐振峰与沿顺时针方向注入的激光信号之间的误差信号伺服反馈至第二声光调制器。
更进一步地，环形腔的腔长由沿逆时针方向注入的超稳激光稳定：沿逆时针方向注入第一激光信号经过第二电光调制器进行相位调制，相位调制后产生激光的载波信号和两个振幅相等、幅度相反的边带信号，边带直接被环形腔反射，载波与腔相互作用后与边带一起由所述第二法拉第隔离器反射到第三光电探测器，由第三光电探测器探测激光载波频率与环形腔谐振峰的失谐量，解调得到误差信号，最终反馈到压电陶瓷，来推动第四高反射率腔镜，改变环形腔的腔长，将环形腔的腔长锁定到沿逆时针注入激光信号的频率上。
更进一步地，沿顺时针方向注入的超稳激光信号通过第二声光调制器，频率锁定到所述环形腔的腔长上，其中：沿顺时针方向注入激光信号边带被环形腔反射，载波与腔相互作用后与边带一起由所述第一法拉第隔离器反射到第四光电探测器，由第四光电探测器探测激光载波频率与环形腔谐振峰的失谐量，解调得到误差信号，最终反馈到第二声光调制器驱动压控振荡器，来改变第二声光调制器的调制频率f2，使得沿顺时针方向注入激光的频率与环形腔谐振，将沿顺时针方向注入激光的频率锁定到环形腔腔长上。
更进一步地，Sagnac信号既可以利用第一声光调制器和第二声光调制器的调制频率之差得到，也可以利用从腔后两个方向的溢出光拍频探测得到。
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：
(1)本发明通过将被动式激光陀螺仪注入光源同时稳定到超稳法布里珀罗腔和链接到氢钟的飞秒光梳上，使被动式激光陀螺仪注入光源兼具短期稳定性与长期稳定性，使得激光线宽远小于环形腔线宽，提高激光陀螺仪干涉信号信噪比，提高被动式激光陀螺仪旋转探测灵敏度2-3个数量级，同时提升长积分时间下的探测分辨率。
(2)在环形腔其中一面腔镜上装上压电陶瓷，利用将环形腔锁定到超稳激光源的方法，提高激光陀螺仪的标度因子稳定性。
附图说明
图1是本发明基于超稳激光的被动式激光陀螺仪的一种总体结构图；
图2是本发明中超稳激光光源装置的一个具体的实施例的示意图；
图3是本发明中高Q值环形腔干涉仪装置的一个具体实施例示意图；
图4是本发明中拍频探测装置的一个具体实施例示意图。
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。
本发明提供了一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，图1是本发明的一种总体结构图，主要由超稳激光光源装置100、高Q值环形腔干涉仪装置200和拍频探测装置300。其中超稳激光光源装置100包括：激光装置101、法布里珀罗腔装置102、飞秒光梳装置103、原子频标装置104。
其中，激光装置101输出激光信号的一部分输出给法珀腔装置102，与其相互作用后得到误差信号，误差信号反馈给激光装置101，将激光装置101的输出激光信号频率锁定到法珀腔装置102中的法珀腔谐振峰上，用以稳定激光装置101的输出激光信号频率短期稳定性；
激光装置101输出激光信号的分出另一部分输出给飞秒光梳装置103，飞秒光梳装置103利用自身的特性以及装置已经锁定到原子频标装置104，具备了氢钟的稳定性，激光装置101输出到飞秒光梳装置103的激光信号与飞秒光梳装置103的输出光作用，得到的误差信号反馈给激光装置101，用以稳定激光装置101的输出激光信号频率长期稳定性；
根据本发明的一个具体实施实例，法珀腔装置102可采用超高稳定法珀腔，锁定到法珀腔的激光信号短期稳定性艾伦偏差可优于10-12，优选地，可优于10-13、10-14、10-15、10-16、10-17或10-18；
根据本发明的一个具体实施实例，可采用氢钟作为原子频标装置104，即为长期稳定参考源，利用飞秒光梳装置103链接到氢钟，锁定到飞秒光梳的激光信号长期稳定性艾伦偏差可优于10-12，优选地，可优于10-13、10-14、10-15、10-16；优选地，可采用其它参考源，如碘分子频标、光钟等，优选地，长期稳定性可优于10-13、10-14、10-15、10-16、10-17、10-18或10-19。
图2是本发明中超稳激光光源装置的一个具体的实施例的示意图。本发明的附图中，粗实线表示光路，粗虚线表示电路。超稳激光光源装置100包括：激光装置101、法布里珀罗腔装置102、飞秒光梳装置103、原子频标装置104以及第一激光传输单元105、第一反馈单元106、第二激光传输单元107、第二反馈单元108；激光装置101用于给整个系统提供激光信号，法布里珀罗腔装置102用于激光信号的短期稳定参考源，飞秒光梳装置103用于链接激光信号与原子频标输出信号，原子频标装置104用于激光信号的短期稳定参考源，第一激光传输单元105用于将激光装置101输出的激光信号传输至所述法布里珀罗腔102，第一反馈单元106用于将激光装置101输出的激光信号频率锁定至所述法布里珀罗腔102，第二激光传输单元107用于将激光装置101输出的激光信号传输至所述飞秒光梳装置103，第二反馈单元108用于将激光装置101输出的激光信号频率锁定至所述飞秒光梳装置103。
其中，激光装置101包括：激光器1011和设置在激光器1011的出射光路上的第一分光镜1012；激光器1011用于发射原始激光信号，第一分光镜1012用于将激光等分成两束；
第一激光传输单元105包括：第二分光镜1051、第一电光调制器1052、光隔离器1053；由激光装置101出射的其中一路激光信号被第二分光镜1051部分反射之后依次通过第一电光调制器1052和光隔离器1053，到达珐珀腔102；第二分光镜1051用于部分反射和透射激光信号，第一电光调制器1052用于对激光信号进行相位调制，光隔离器1053用于将激光信号反射至珐珀腔102并接收珐珀腔102返回的激光信号。
第一反馈单元106包括：第一光电探测器1061和第一伺服放大器1062；第一光电探测器1061置于光隔离器1053之后用于探测从珐珀腔102返回的激光信号，第一伺服放大器1062则处于第一光电探测器1061与激光器1011之间，用于此短稳环路误差信号的解调、放大与伺服反馈。
第二激光传输单元107包括：第三分光镜1071；第三分光镜1071置于激光装置101与飞秒光梳103之间，用于激光装置101输出的激光信号与飞秒光梳103输出信号的传输信号合束。
第二反馈单元108包括：第二光电探测器1081和第二伺服放大器1082；第二光电探测器1081置于第三分光镜1071之后用于探测激光装置101输出的激光信号与飞秒光梳103输出信号的拍频信号，第二伺服放大器1082则处于第二光电探测器1081与激光器1011之间，用于此长稳环路误差信号的解调、放大与伺服反馈。
其中激光器1011的出射激光信号经过第一分光镜1012，分得一束激光经第二分光镜1051反射后通过第一电光调制器1052相位调制后被光隔离器1053反射到法珀腔102，该激光信号与法珀腔102相互作用后被反射，在第一光电探测器1061处探测信号，所得误差信号解调后经过第一伺服放大器1062后反馈给激光器1011，将激光装置101输出激光信号频率锁定到法珀腔102谐振峰上，获得法珀腔102的优越短期稳定性；所分得另一束激光与链接到氢钟104上的飞秒光梳装置103的出射激光信号经过第三分光镜1071后合束，在第二光电探测器1081上探测拍频信号，所得信号经过第二伺服放大器1082后反馈给激光器1011，将激光装置101输出激光信号频率锁定到链接到氢钟104的飞秒光梳装置103上，使得激光装置101具有了氢钟104的长期稳定性；两路反馈同时进行，实现了激光装置101输出激光信号的长期频率稳定与短期频率稳定。
由第二分光镜1051透射的激光信号记作第一激光信号。第一激光信号提供给高Q值环形腔干涉仪装置200，用作被动式激光陀螺仪光源。
在该具体实施例中，激光器可以为Nd：YAG固体激光器。
根据本发明的另一具体实施例，激光器可以为光纤激光器。
根据本发明的另一具体实施例，氢钟可由其他原子钟或光钟或其它频标代替。
图3是本发明中高Q值环形腔干涉仪装置200的一个具体实施例示意图。本发明的附图中，粗实线表示光路，粗虚线表示电路。高Q值环形腔干涉仪装置200包括：陀螺激光准备单元201、第三激光传输单元202、第四激光传输单元203、环形腔204、第三反馈单元205、第四反馈单元206。陀螺激光准备单元201用于将第一激光信号进行相位调制并等分成两束，第三激光传输单元202用于将陀螺激光准备单元201输出的激光信号传输并注入至所述环形腔204，第四激光传输单元203用于将陀螺激光准备单元201输出的另一激光信号传输并注入至所述环形腔204，环形腔204用于两束注入激光信号各自产生谐振并干涉，第三反馈单元205用于将环形腔204谐振峰与沿逆时针方向注入的激光信号之间的误差信号伺服反馈至压电陶瓷2045，第四反馈单元206用于将环形腔204谐振峰与沿顺时针方向注入的激光信号之间的误差信号伺服反馈至第二声光调制器2031。
其中，陀螺激光准备单元201包括：第二电光调制器2011和设置在第一激光信号的出射光路上的半波片2012和偏振分光棱镜2013；第二电光调制器2011用于第一激光信号的相位调制，半波片2012用于调节激光信号的偏振态，偏振分光棱镜2013用于将第一激光信号等分成两份；
第三激光传输单元202包括：第一声光调制器2021、第一反射镜2022、第一法拉第隔离器2023；由陀螺激光准备单元201出射的其中一路激光信号依次通过第一声光调制器2021、第一反射镜2022和第一法拉第隔离器2023，到达环形腔204；第一声光调制器2021用于对将要沿逆时针方向注入环形腔的激光信号进行移频，第一反射镜2022用于对激光信号指向性进行调整，第一法拉第隔离器2023用于隔离并萃取环形腔204返回的沿顺时针方向传播的激光信号。
第四激光传输单元203包括：第二声光调制器2031和第二反射镜2032、第二法拉第隔离器2033；由陀螺激光准备单元201出射的另一路激光信号依次通过第二声光调制器2031、第二反射镜2032和第二法拉第隔离器2033，到达环形腔204；第二声光调制器2031用于对将要沿顺时针时针方向注入环形腔的激光信号进行移频，第二反射镜2032用于对激光信号指向性进行调整，第二法拉第隔离器2033用于隔离并萃取环形腔204返回的沿逆时针方向传播的激光信号。
环形腔204包括：第一高反射率腔镜2041、第二高反射率腔镜2042、第三高反射率腔镜2043、第四高反射率腔镜2044、压电陶瓷2045；其中第一高反射率腔镜2041、第二高反射率腔镜2042、第三高反射率腔镜2043、第四高反射率腔镜2044依次排列，构成一个闭合的正方形环形腔204用以两束注入激光信号各自产生谐振并干涉，压电陶瓷2045设置在第四高反射率腔镜2044之后用来推动腔镜改变环形腔204腔长。
第三反馈单元205包括：第三光电探测器2051、第三伺服放大器2052；第三光电探测器2051置于第二法拉第隔离器2033之后用于探测从环形腔204返回的沿逆时针方向传播的激光信号，第三伺服放大器2052处于第三光电探测器2051与压电陶瓷2045之间，用于此腔长锁定环路误差信号的解调、放大与伺服反馈。
第四反馈单元206包括：第四光电探测器2061、第四伺服放大器2062、第二声光调制器驱动压控振荡器2063；第四光电探测器2061置于第一法拉第隔离器2023之后，之后依次连接第四伺服放大器2062、第二声光调制器驱动压控振荡器2063、第二声光调制器2031；第四光电探测器2061用于探测从环形腔204返回的沿顺时针方向传播的激光信号，第四伺服放大器2062用以此频率锁定环路误差信号的解调、放大与伺服反馈，第二声光调制器驱动压控振荡器2063用于给第二声光调制器2031提供驱动信号，第二声光调制器2031用于经过其激光信号的移频。
其中由超稳激光光源装置100提供的第一激光信号经过第二电光调制器2011进行相位调制，相位调制后产生激光的载波信号和两个振幅相等、幅度相反的边带信号，边带信号与载波信号的频率间隔取决于电光调制器201的调制频率，经相位调制后的第一激光信号通过半波片2012和偏振分光棱镜2013等分成两路激光信号，由所述偏振分光棱镜2013反射的激光信号随后经过第一声光调制器移频f1，随后经过第一反射镜2022和第一法拉第隔离器2023，沿逆时针方向注入由第一高反射率腔镜2041、第二高反射率腔镜2042、第三高反射率腔镜2043、第四高反射率腔镜2044及压电陶瓷2045构成的环形腔204；由所述偏振分光棱镜2013透射的激光信号随后通过第二声光调制器移频f2后，再通过第二反射镜2032和第二法拉第隔离器2033，沿顺时针方向注入环形腔204。
其中，第一法拉第隔离器2023和第二法拉第隔离器2033分别是用来萃取顺时针方向注入激光经环形腔反射的激光信号和逆时针方向注入激光经环形腔反射的激光信号。所用法拉第隔离器隔离度优于60dB，优选地，可优于90dB。
其中，沿逆时针方向注入激光信号边带直接被环形腔反射，载波与腔相互作用后与边带一起由所述第二法拉第隔离器2033反射到第三光电探测器2051，由第三光电探测器2051探测激光载波频率与环形腔谐振峰的失谐量，解调得到误差信号，最终反馈到压电陶瓷2045，来推动第四高反射率腔镜2044，改变环形腔的腔长，这样就将环形腔的腔长锁定到沿逆时针注入激光信号的频率上。
假设第一激光信号的频率为ν0，则在环形腔内沿逆时针方向传播的激光频率为：νccw＝ν0+f1；其中，沿顺时针方向注入激光信号边带同样被环形腔反射，载波与腔相互作用后与边带一起由所述第一法拉第隔离器2023反射到第四光电探测器2061，由第四光电探测器2061探测激光载波频率与环形腔谐振峰的失谐量，解调得到误差信号，最终反馈到第二声光调制器驱动压控振荡器2063，来改变第二声光调制器的调制频率f2，使得沿顺时针方向注入激光的频率与环形腔共振，这样就将沿顺时针方向注入激光的频率锁定到环形腔腔长上了。假设第一激光信号的频率为ν0，则在环形腔内沿顺时针方向传播的激光频率为：νcw＝ν0+f2；第一声光调制器2021与第二声光调制器2031为相同型号的调制器件，移频方向也一致，所以两束激光都与环形腔的同一纵模发生共振，由于环形腔旋转的存在它们会产生频率偏移，记为fsagnac，可以表示为：fsagnac＝f1-f2，即第一声光调制器2021与第二声光调制器2031调制频率之差等于Sagnac频率。
图4是本发明中拍频探测装置的一个具体实施例示意图。包括：反射镜301、反射镜302、合束棱镜303和第五光电探测器304；反射镜301设置在第三高反射率腔镜2043与合束棱镜303之间用以反射并调节沿逆时针方向的溢出激光信号，反射镜302设置在第三高反射率腔镜2043与合束棱镜303之间用以反射并调节沿顺时针方向的溢出激光信号，合束棱镜303用于腔内两个方向溢出激光信号的合束，置于合束棱镜之后的第五光电探测器304用于腔内两个方向溢出激光信号的拍频探测。其拍频就是我们需要探测的Sagnac频率。
本发明针对目前大型激光陀螺仪中的探测灵敏度和探测分辨率，提出了一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，可以进一步提升被动激光陀螺仪的探测灵敏度，并使得标度因子稳定性可以得到提高，从而提高整个陀螺仪系统的稳定性，获得长时间积分平均效果，以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。
Claims (8)
1.一种基于超稳激光的被动式激光陀螺仪，其特征在于，所述被动式激光陀螺包括：超稳激光光源装置(100)、高Q值环形腔干涉仪装置(200)和拍频探测装置(300)；
所述超稳激光光源装置包括：激光装置(101)、法布里珀罗腔装置(102)、飞秒光梳装置(103)和原子频标装置(104)；
所述激光装置(101)分别向所述法布里珀罗腔装置(102)、飞秒光梳装置(103)和环形腔干涉仪装置(200)提供激光信号，激光信号的频率同时锁定到所述法布里珀罗腔(102)和飞秒光梳装置(103)，与此同时，所述飞秒光梳装置(103)将自身重复频率和零偏频率锁定到所述原子频标装置(104)，使得所述激光装置最终输出激光信号频率同时兼具法布里珀罗腔的短期稳定性和原子频标的长期稳定性；
所述高Q值环形腔干涉仪装置(200)用来构建被动式激光陀螺仪干涉光路，所述激光装置经过频率长期与短期的稳定之后输出激光信号分两路，分别沿逆时针方向和顺时针方向注入所述环形腔装置；沿逆时针方向注入激光信号作为长度基准，通过所述腔长频率锁定装置将所述环形腔装置谐振频率锁定到激光信号频率上，沿顺时针方向注入激光信号注入所述环形腔装置并将激光信号频率锁定至所述环形腔装置谐振频率上；
所述拍频探测装置(300)用于探测在所述高Q值环形腔干涉仪装置(200)之内分别沿逆时针方向和顺时针方向传播的激光信号频率之差Sagnac信号，以此来确定整个装置的旋转角速度。
2.如权利要求1所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，所述被动式激光陀螺仪还包括：第一激光传输单元(105)、第一反馈单元(106)、第二激光传输单元(107)和第二反馈单元(108)；
第二激光传输单元(107)的第一输入端连接至飞秒光梳装置(103)的输出端，第二激光传输单元(107)的第二输入端连接至激光装置(101)的输出端，第二反馈单元(108)的输入端连接至第二激光传输单元(107)的输出端，第二反馈单元(108)的输出端连接至(101)的第一输入端；
第一激光传输单元(105)的输入端连接至激光装置(101)的输出端，第一激光传输单元(105)的输入输出端与(102)连接，第一反馈单元(106)的输入端连接至第一激光传输单元(105)的输出端，第一反馈单元(106)的输出端连接至(101)的第二输入端；
第一激光传输单元(105)用于将激光装置(101)输出的激光信号传输至所述法布里珀罗腔(102)；
第一反馈单元(106)用于将激光装置(101)输出的激光信号频率锁定至所述法布里珀罗腔(102)；
第二激光传输单元(107)用于将激光装置(101)输出的激光信号传输至所述飞秒光梳装置(103)；
第二反馈单元(108)用于将激光装置(101)输出的激光信号频率锁定至所述飞秒光梳装置(103)。
3.如权利要求1所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，所述激光装置(101)输出的激光信号的频率由法布里珀罗腔装置(102)和链接到原子频标(104)的飞秒光梳装置(103)稳定。
4.如权利要求3所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，所述激光装置(101)输出的激光信号的频率短期稳定性由法布里珀罗腔(102)稳定，激光信号经第二分光镜(1051)所反射的一束激光通过第一电光调制器(1052)相位调制，后被光隔离器(1053)反射进法珀腔(102)，该激光信号与法珀腔(102)相互作用后被反射，在第一光电探测器(1061)处探测信号，所得误差信号解调后经过第一伺服放大器(1062)后反馈给激光装置(101)，将激光装置(101)输出激光信号频率锁定到法珀腔(102)谐振峰上，获得法珀腔(102)的优越短期稳定性；
所述激光装置(101)输出的激光信号的频率长期稳定性由链接到原子频标(104)的飞秒光梳(103)稳定，激光信号经第一分光镜(1012)所反射的一束激光与链接到原子频标装置(104)上的飞秒光梳装置(103)的出射激光信号经过第三分光镜(1071)后合成一束激光，在第二光电探测器(1081)上探测拍频信号，所得信号经过第二伺服放大器(1082)后反馈给激光装置(101)，将激光装置输出激光信号频率锁定到链接到原子频标装置(104)的飞秒光梳装置(103)上，使得激光装置(101)具有了原子频标(104)的长期稳定性。
5.如权利要求1所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，所述高Q值环形腔干涉仪装置(200)包括：陀螺激光准备单元(201)、第三激光传输单元(202)、第四激光传输单元(203)、环形腔(204)、第三反馈单元(205)和第四反馈单元(206)；
第一激光信号接陀螺激光准备单元(201)的输入端，陀螺激光准备单元(201)的第一输出端连接至第三激光传输单元(202)的输入端，陀螺激光准备单元(201)的第二输出端连接至第四激光传输单元(203)的输入端，第三激光传输单元(202)的输入输出端与环形腔(204)连接，第四激光传输单元(203)的输入输出端与环形腔(204)连接；第三反馈单元(205)的输入端连接至第四激光传输单元(203)的第二输出端，第四反馈单元(206)的输入端连接至第三激光传输单元(202)的第二输出端；第三反馈单元(205)的输出端连接至环形腔(204)的另一输入端，第四反馈单元(206)的输出端连接至第四激光传输单元(203)的另一输入端；
陀螺激光准备单元(201)用于将第一激光信号进行相位调制并等分成两束；
第三激光传输单元(202)用于将陀螺激光准备单元(201)输出的激光信号传输并注入至所述环形腔(204)；
第四激光传输单元(203)用于将陀螺激光准备单元(201)输出的另一激光信号传输并注入至所述环形腔(204)；
环形腔(204)用于两束注入激光信号各自产生谐振并干涉；
第三反馈单元(205)用于将环形腔(204)谐振峰与沿逆时针方向注入的激光信号之间的误差信号伺服反馈至压电陶瓷(2045)；
第四反馈单元(206)用于将环形腔(204)谐振峰与沿顺时针方向注入的激光信号之间的误差信号伺服反馈至第二声光调制器(2031)。
6.如权利要求5所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，所述环形腔(204)的腔长由沿逆时针方向注入的超稳激光稳定：
沿逆时针方向注入第一激光信号经过第二电光调制器(2011)进行相位调制，相位调制后产生激光的载波信号和两个振幅相等、幅度相反的边带信号，边带直接被环形腔反射，载波与腔相互作用后与边带一起由所述第二法拉第隔离器(2033)反射到第三光电探测器(2051)，由第三光电探测器(2051)探测激光载波频率与环形腔谐振峰的失谐量，解调得到误差信号，最终反馈到压电陶瓷(2045)，来推动第四高反射率腔镜(2044)，改变环形腔的腔长，将环形腔(204)的腔长锁定到沿逆时针注入激光信号的频率上。
7.如权利要求5或6所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，沿顺时针方向注入的超稳激光信号通过第二声光调制器(2031)，频率锁定到所述环形腔(204)的腔长上，其中：
沿顺时针方向注入激光信号边带被环形腔反射，载波与腔相互作用后与边带一起由所述第一法拉第隔离器(2023)反射到第四光电探测器(2061)，由第四光电探测器(2061)探测激光载波频率与环形腔谐振峰的失谐量，解调得到误差信号，最终反馈到第二声光调制器驱动压控振荡器(2063)，来改变第二声光调制器的调制频率f2，使得沿顺时针方向注入激光的频率与环形腔谐振，将沿顺时针方向注入激光的频率锁定到环形腔腔长上。
8.如权利要求1所述的被动式激光陀螺仪，其特征在于，Sagnac信号既可以利用第一声光调制器(2021)和第二声光调制器(2031)的调制频率之差得到，也可以利用从腔后两个方向的溢出光拍频探测得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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