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申请/专利权人：浙江大学

摘要：本发明公开了一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及其装置。一种实现该方法的装置包括可调谐半导体激光器、隔离器、分光耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一路信号源、第二路信号源、第三相位调制器、第四相位调制器、入腔耦合器、光学环形谐振腔、出腔耦合器、第一路光电探测器、第一路锁相放大器、频率伺服回路、第三路锁相放大器、第二路光电探测器、第二路锁相放大器、移频模块、第四路锁相放大器和谐波减法补偿模块。本发明能有效减少Kerr效应带来的陀螺输出误差，采用的谐波相减算法，能做到实时补偿，算法只需在代码中实现，无需额外的光学器件和电学模块，结构简单，有利于系统小型化。

主权项：1.一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：1根据Sagnac效应和对由Kerr效应产生的扰动传播系数进行积分，Kerr效应引起的误差ΩK可以表示为：式中，uCW＝kc01‑ɑc01‑ɑPM11‑ɑPM3，其中kc0和ɑc0分别是50％耦合器3的耦合系数和插入损耗，ɑPM1和ɑPM3分别为第一相位调制器4和第三相位调制器8的插入损耗，uCCW＝kc01‑ɑc01‑ɑPM21‑ɑPM4，ɑPM2和ɑPM4分别为第二相位调制器5和第四相位调制器9的插入损耗，kc1和ɑc1分别为入腔耦合器10的耦合系数和插入损耗，kc2和ɑc2分别为出腔耦合器12的耦合系数和插入损耗，αL是光在光学谐振腔中的传输损耗，FSR＝cnrL是自由谱线宽度，nr是光学谐振腔的介质折射率，c是真空中的光速，ω是激光器输出光的中心角频率，η是光学谐振腔介质的阻抗，A是光功率接受面的面积，n2为Kerr系数，I0为激光器初始输出光强，Δfe是由环境因素引起的第一锁定回路谐振点漂移，kf和ki分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，fM_CW和fM_CCW是经过相位调制器之后的等效调频信号；2运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第一、二闭环路的二次频信号Vd2_CW、Vd2_CCW的表达式：式中，JnM为贝塞尔函数，M为相位调制系数，h’n、hn分别为第一、二回路的谐振腔传递函数的幅度特性，分别为第一、二回路谐振腔传递函数的相位特性，P1、P2分别为为光电探测器17和13的转换系数，AD1、AD2分别为锁相放大器19和16的增益；定义一个归一化后的二倍频信号，表达式如下：步骤1中的和可以表示为：k1、k2为Kerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数，因此，通过两路归一化后的二倍频差信号来表示Kerr效应引起的误差：k1和k2近似相等，因此，最终的陀螺输出为：ΩF'＝ΩF‑k1·PCW‑PCCW，ΩF为初始陀螺输出，包含了Kerr误差；其中，k1、k2由理论推导的表达式计算得到；或者通过测试最终的陀螺输出与归一化后的二倍频差之间的实际关系，并线性拟合两者的关系来得到k1与k2；k1、k2理论推导的表达式为：

全文数据：基于二次谐波减法的双路闭环谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及装置技术领域[0001]本发明涉及光学传感以及信号检测技术领域，尤其涉及一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及其装置。背景技术[0002]谐振式光学陀螺ResonatorOpticGyro，R0G是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的一种惯性传感器。[0003]Kerr效应噪声是由于光强的变化而引起光学器件折射率的变化而引入的误差。可调谐窄线宽半导体激光器是实现谐振式光学陀螺系统小型化的重要光源。在采用半导体激光器作为光源的谐振式光学陀螺信号检测系统中，通常采用调谐半导体激光器注入电流的方法将出射光的频率锁定在光学环形谐振腔的谐振频率，从而实现系统环路的闭环锁定。然而，当半导体激光器的注入电流发生改变时，激光器的输出光功率同时会受到一定的伴随强度调制，这种伴随强度调制效应会引起Kerr效应噪声，进而产生陀螺输出的误差。另一方面，陀螺系统中各元器件性能的不稳定带来的光功率波动也会引入Kerr效应噪声。采取一定的方法抑制Kerr效应噪声对改善谐振式光学陀螺的性能具有重要意义。发明内容[0004]本发明是针对现有双路闭环谐振式光学陀螺系统中半导体激光器的强度调制及其它元器件不稳定带来的光功率波动诱发的Kerr效应噪声问题，提出了一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法及其装置。[0005]—种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法，包括如下步骤：[0006]1根据Sagnac效应和对由Kerr效应产生的扰动传播系数进行积分，Kerr效应引起的误差Ωκ可以表示为：[0008]式中，ucw=kcQa-aCQα-αρΜία_αρΜ3，其中kcQ和aCQ分别是50%耦合器⑶的耦合系数和插入损耗，αΡΜ1和αΡΜ3分别为第一相位调制器⑷和第三相位调制器⑻的插入损耗，uccw=kc；l-a。。）（1-αρΜ21-αρΜ4，αρΜ2和αρΜ4分别为第二相位调制器⑸和第四相位调制器⑼的插入损耗，W和acl分别为入腔耦合器（10的耦合系数和插入损耗，1^和〜2分别为出腔耦合器12的耦合系数和插入损耗，A是光在光学谐振腔中的传输损耗，FSR=CnrL是自由谱线宽度，是光学谐振腔的介质折射率，c是真空中的光速，ω是激光器输出光的中心角频率，η是光学谐振腔介质的阻抗，A是光功率接受面的面积，mSKerr系数，Io为激光器初始输出光强，Afe3是由环境因素引起的第一锁定回路谐振点漂移，IcdPk1分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，和是经过相位调制器之后的等效调频信号。[0009]2运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第一、二闭环路的二次频信号Vd2_CW、Vd2_CCW的表达式：[0011]式中，Jn⑽为贝塞尔函数，M为相位调制系数，Io为激光器初始输出光强，Δfe是由环境因素引起的第一锁定路谐振点漂移，IcdPk1分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，h’n、hn分别为第一、二回路的谐振腔传递函数的幅度特性，为第一、二回路谐振腔传递函数的相位特性，Pi、P2分别为为光电探测器17和（13的转换系数，AD1、AD2分别为锁相放大器19和（16的增益。[0012]定义一个归一化后的二倍频信号，表达式如下：[0013][0014]步骤（1中的和可以表示为：[0015][0016]Iu、kAKerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数，因此，通过两路归一化后的二倍频差信号来表示Kerr效应引起的误差：[00171[0018]kdPk2近似相等，因此，最终的陀螺输出为：ΩΡ’=Ωρ-h·Pcw-Pccw，〇「为初始陀螺输出，包含了Kerr误差。[0019]其中，由理论推导的表达式计算得到；或者通过测试最终的陀螺输出与归一化后的二倍频差之间的实际关系，并线性拟合两者的关系来得到1^与1«;h、k2理论推导的表达式为：[0021]本发明还公开了一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制装置，包括可调谐半导体激光器、隔离器、50%耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一路信号源、第二路信号源、第三相位调制器、第四相位调制器、入腔耦合器、光学环形谐振腔、出腔耦合器、第一路光电探测器、第一路锁相放大器、频率伺服回路、第三路锁相放大器、第二路光电探测器、第二路锁相放大器、第四路锁相放大器、移频模块和谐波减法算法模块，其中入腔耦合器和出腔耦合器都是95%的耦合器;可调谐半导体激光器与隔离器相连，隔离器与50%耦合器相连，50%耦合器两路输出分别与第一相位调制器和第二相位调制器相连，第一相位调制器与第三相位调制器相连，第二相位调制器和第四相位调制器相连，第三相位调制器和第四相位调制器的输出光通过入腔耦合器进入光学环形谐振腔，光学环形谐振腔的两路光通过出腔耦合器输出，出腔耦合器的输出端分别与第一路光电探测器和第二路光电探测器相连，第一路光电探测器的输出端分别与第一路锁相放大器、第三路锁相放大器相连，第一路锁相放大器输出与频率伺服回路相连，频率伺服回路输出与可调谐半导体激光器调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器输出与谐波减法算法模块相连接，第二路光电探测器输出与第二路锁相放大器、第四路锁相放大器相连，第二路锁相放大器输出与移频模块相连接，移频模块输出与第一路相位调制器连接，构成第二伺服回路，同时移频模块的输出端还与谐波减法模块连接，提供初始陀螺输出信号；第一路信号源作为第一相位调制器的调制信号;第二路信号源作为第二相位调制器的调制信号。[0022]本发明与现有技术相比具有的有益效果：[0023]1本发明能有效抑制因光强变化在系统中引入的Kerr效应噪声，提高陀螺输出的精度和稳定性。[0024]2本发明采用的分别检测两个回路二次频解调输出信号来表征陀螺入腔光强，能做到实时监测，方法简单，无需增加额外的光学及电学器件，有利于系统小型化。[0025]3本发明通过实测结果线性拟合陀螺输出与两路归一化后的二倍频差的关系来得到光功率差和Kerr效应噪声的关系，从而得到Kerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数;同时，通过线性拟合的方法，可以将淹没在陀螺输出信号噪声中的微弱的Kerr效应误差随光功率差的变化直观显示。[0026]4本发明采用的谐波减法算法，两个回路二次频解调输出和第一回路一次频解调输出作为谐波减法算法模块的输入，能做到实时补偿，该算法只需在代码中即可实现相关参数的实时补偿调整，无需增加额外的光学及电学器件，结构简单，有利于系统小型化。附图说明[0027]图1是基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声抑制的结构图；[0028]图1中：可调谐半导体激光器（I、隔离器（2、50%耦合器（3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一路信号源6、第二路信号源（7、第三相位调制器8、第四相位调制器9、入腔耦合器（10、光学环形谐振腔（11、出腔耦合器（12、第一路光电探测器（13、第一路锁相放大器（14、频率伺服回路（15、第三路锁相放大器（16、第二路光电探测器17、第二路锁相放大器18、第四路锁相放大器19、移频模块20和谐波减法算法模块21。[0029]图2为未采用谐波减法的陀螺输出与归一化后二倍频差的关系图。[0030]图3为采用谐波减法的陀螺输出与归一化后二倍频差的关系图。具体实施方式[0031]下面结合实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。[0032]如图1所示，基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声抑制的结构包括由可调谐半导体激光器1、隔离器2、50%耦合器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一路信号源6、第二路信号源7、第三相位调制器8、第四相位调制器9、入腔耦合器10、光学环形谐振腔11、出腔耦合器12、第一路光电探测器13、第一路锁相放大器14、频率伺服回路15、第三路锁相放大器16、第二路光电探测器17、第二路锁相放大器18、第四路锁相放大器19、移频模块20和谐波减法算法模块21。可调谐半导体激光器1与隔离器2相连，隔离器2与50%耦合器3相连，50%耦合器3两路输出分别与第一相位调制器4和第二相位调制器5相连，第一相位调制器4与第三相位调制器8相连，第二相位调制器5和第四相位调制器9相连，第三相位调制器8和第四相位调制器9的输出光通过95%耦合器10进入光学环形谐振腔11，光学环形谐振腔11的两路光通过95%親合器12输出，95%親合器12的输出端分别与第一路光电探测器13和第二路光电探测器17相连，第一路光电探测器13的输出端分别与第一路锁相放大器14、第三路锁相放大器16相连，第一路锁相放大器14输出与频率伺服回路15相连，频率伺服回路15输出与可调谐半导体激光器1调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器16输出与谐波减法算法模块21相连接，第二路光电探测器17输出与第二路锁相放大器18、第四路锁相放大器19相连，第二路锁相放大器18输出与移频模块20相连接，移频模块20输出与第一路相位调制器8连接，构成第二伺服回路，同时移频模块的输出端还与谐波减法模块21连接，提供初始陀螺输出信号；第一路信号源6作为第一相位调制器4的调制信号;第二路信号源7作为第二相位调制器5的调制信号。[0033]可调谐半导体激光器1发出激光经过隔离器2和50%耦合器3分成光功率大小相等的两束光:顺时针路和逆时针路。两路光分别经过第一相位调制器4和第三相位调制器8以及第二相位调制器5和第四相位调制器9进入光学环形谐振腔11。逆时针路激光经过光学环形谐振腔11以后通过第一路光电探测器13进行光电转换，其中一路再通过第一路锁相放大器14进行解调，最后将解调输出通过频率伺服回路15去控制可调谐小型化激光器1输出光的频率，另一部分通过第三路锁相放大器16进行二次频解调，最后将该二次频解调输出信号作为谐波减法算法模块21的一路输入信号，顺时针激光输出经过第二路光电探测器17进行光电转换，其中一路通过第二路锁相放大器18进行解调，将解调输出通过移频模块20连接到第三相位调制器8上，构成第二伺服回路，另一部分通过第四路锁相放大器19进行二次频解调，顺时针路的两个解调输出作为强度补偿算法模块21的另一部分输入信号，最后谐波减法算法模块21的输出作为陀螺输出信号。[0034]基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法包括：[0035]两个光路的输出光在由光电探测器转换成电信号后，分别用一次频正弦信号和二次频正弦信号解调。其中，一次频解调信号分别用于两个闭环回路反馈;二次频解调信号输入到谐波减法算法模块，用于实时补偿光功率波动带来的陀螺输出波动。需要说明的是，谐波减法算法的执行过程中，两路光的频率被锁定在各自的谐振频率点，此时，两个闭环路的二次频信号与光强成线形关系。[0036]具体处理方法如下：[0037]基于二次频信号检测技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法包括：[0038]1双路闭环谐振式光学陀螺中的Kerr效应噪声ΩΚ可以表示为：[0040]式中，ucw=kc〇I-CtcQI-CiPMi1-αρΜ3，其中kc〇和a。。分别是50%親合器⑶的親合系数和插入损耗，αΡΜ1和αΡΜ3分别为第一相位调制器⑷和第三相位调制器⑻的插入损耗，uccw=kc；l-a。。）（1-αρΜ21-αρΜ4，αρΜ2和αρΜ4分别为第二相位调制器⑸和第四相位调制器⑼的插入损耗，W和acl分别为入腔耦合器（10的耦合系数和插入损耗，1^和〜2分别为出腔耦合器12的耦合系数和插入损耗，A是光在光学谐振腔中的传输损耗，FSR=CnrL是自由谱线宽度，是光学谐振腔的介质折射率，c是真空中的光速，ω是激光器输出光的中心角频率，η是光学谐振腔介质的阻抗，A是光功率接受面的面积，mSKerr系数，Io为激光器初始输出光强，Afe3是由环境因素引起的第一锁定回路谐振点漂移，IcdPk1分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，和是经过相位调制器之后的等效调频信号。[0041]2运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第一、二闭环路的二次频信号Vd2_CW、Vd2JXW的表达式为：[0043]式中，Jn⑽为贝塞尔函数，M为相位调制系数，Io为激光器初始输出光强，Δfe是由环境因素引起的第一锁定路谐振点漂移，IcdPk1分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，h’n、hn分别为第一、二回路的谐振腔传递函数的幅度特性：为第一、二回路谐振腔传递函数的相位特性，Pi、P2分别为为光电探测器17和（13的转换系数，AD1、AD2分别为锁相放大器19和（16的增益。[0044]定义一个归一化后的二倍频信号，表达式如下：[0045][0046]步骤（1中的和可以表示为：[0047][0048]Iu、kAKerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数，因此，通过两路归一化后的二倍频差信号来表示Kerr效应引起的误差：[0049][0050]kdPk2近似相等，因此，最终的陀螺输出为：ΩΡ’=Ωρ-h·Pcw-Pccw，〇「为初始陀螺输出，包含了Kerr误差。[0051]其中，由理论推导的表达式计算得到；或者通过测试最终的陀螺输出与归一化后的二倍频差之间的实际关系，并线性拟合两者的关系来得到1^与1«;h、k2理论推导的表达式为：[0052][0053]图2是在初始两路光功率差为7.54XHT7W时，陀螺输出与归一化后二倍频差的关系。图中的陀螺输出是对移频模块20解调之后得到的初始陀螺输出，归一化后的二倍频差是分别对第三锁相放大器（16和第四锁相放大器（19解调之后得到的结果。图中，实点为实验数据，实线为根据实验数据点进行拟合的结果。由于Kerr效应引起的陀螺输出误差较小，因此，可以通过对实验测试结果进行线性拟合得到Kerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数。[0054]图3是在初始两路光功率差为7.54XHT7W时，采用谐波减法之后陀螺输出与归一化后二倍频差的关系，图中的陀螺输出是经过谐波减法模块21之后得到的陀螺输出，归一化后的二倍频差是分别对第三锁相放大器（16和第四锁相放大器（19解调之后得到的结果。实点为实验数据，实线为根据实验数据点进行拟合的结果。[0055]比较图2和图3的结果，可以看出在采用谐波减法技术之后，陀螺的输出受归一化二倍频差的影响明显减弱，表明由光功率差波动引起的Kerr效应误差得到了有效的抑制。

权利要求：1.一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：1根据Sagnac效应和对由Kerr效应产生的扰动传播系数进行积分，Kerr效应引起的误差Ωκ可以表示为：式中，ucw=kCQl-ac〇卜mil卜erne，其中kCQ和act分别是50%親合器⑶的親合系数和插入损耗，CmidPdPM3分别为第一相位调制器⑷和第三相位调制器8的插入损耗，1!。™=kc〇l-ac1-αρΜ21-αρΜ4，apM2和apM4分别为第二相位调制器（5和第四相位调制器9的插入损耗，kcdPau分别为入腔耦合器10的耦合系数和插入损耗，1^2和!。2分别为出腔耦合器12的耦合系数和插入损耗，是光在光学谐振腔中的传输损耗，FSR=cAnrL是自由谱线宽度，是光学谐振腔的介质折射率，c是真空中的光速，ω是激光器输出光的中心角频率，η是光学谐振腔介质的阻抗，A是光功率接受面的面积，mSKerr系数，I〇为激光器初始输出光强，Afe是由环境因素引起的第一锁定回路谐振点漂移，kf和匕分别为半导体激光器的频率和强度调制系数，fM_ew和fM_eew是经过相位调制器之后的等效调频信号；2运用光场叠加原理得到正弦波相位调制下陀螺第一、二闭环路的二次频信号Vd2_cw、Vd2_raf的表达式：式中，JnM为贝塞尔函数，M为相位调制系数，h’n、hn分别为第一、二回路的谐振腔传递函数的幅度特性，、外分别为第一、二回路谐振腔传递函数的相位特性，PhP2分别为为光电探测器17和（13的转换系数，Adi、Ad2分别为锁相放大器（19和（16的增益；定义一个归一化后的二倍频信号，表达式如下：步骤（1中的可以表示为：k^ksSKerr效应引起的陀螺输出误差与归一化后二倍频差之间的转换系数，因此，通过两路归一化后的二倍频差信号来表示Kerr效应引起的误差：k#Pk2近似相等，因此，最终的陀螺输出为：ΩΡ’=ΩΡ-1α·Pcw-Pccw，ΩΡ为初始陀螺输出，包含了Kerr误差；其中，Iuj2由理论推导的表达式计算得到;或者通过测试最终的陀螺输出与归一化后的二倍频差之间的实际关系，并线性拟合两者的关系来得到1^1与1«汴1、1«理论推导的表达式为：2.—种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制装置，其特征在于包括可调谐半导体激光器（1、隔离器2、50%耦合器3、第一相位调制器⑷、第二相位调制器5、第一路信号源6、第二路信号源7、第三相位调制器8、第四相位调制器9、入腔耦合器（10、光学环形谐振腔（11、出腔耦合器（12、第一路光电探测器（13、第一路锁相放大器（14、频率伺服回路（15、第三路锁相放大器（16、第二路光电探测器17、第二路锁相放大器18、第四路锁相放大器19、移频模块20和谐波减法算法模块21;可调谐半导体激光器⑴与隔离器2相连，隔离器⑵与50%耦合器⑶相连，50%耦合器3两路输出分别与第一相位调制器⑷和第二相位调制器5相连，第一相位调制器4与第三相位调制器⑶相连，第二相位调制器⑶和第四相位调制器⑶相连，第三相位调制器⑶和第四相位调制器⑶的输出光通过入腔耦合器（10进入光学环形谐振腔（11，光学环形谐振腔（11的两路光通过出腔耦合器12输出，出腔耦合器12的输出端分别与第一路光电探测器13和第二路光电探测器17相连，第一路光电探测器13的输出端分别与第一路锁相放大器（14、第三路锁相放大器（16相连，第一路锁相放大器（14输出与频率伺服回路（15相连，频率伺服回路（15输出与可调谐半导体激光器（1调谐端相连，构成频率伺服回路，第三路锁相放大器（16输出与谐波减法算法模块21相连接，第二路光电探测器（17输出与第二路锁相放大器（18、第四路锁相放大器（19相连，第二路锁相放大器18输出与移频模块20相连接，移频模块20输出与第一路相位调制器8连接，构成第二伺服回路，同时移频模块的输出端还与谐波减法模块21连接，提供初始陀螺输出信号;第一路信号源6作为第一相位调制器⑷的调制信号;第二路信号源⑵作为第二相位调制器⑶的调制信号。3.根据权利要求2所述的一种基于二次谐波减法技术的谐振式光学陀螺Kerr效应噪声的抑制装置，其特征在于所述的第三路锁相放大器16和第四路锁相放大器（19用于实时解调二次频信号，实现对两个回路中光功率的检测，进而用两路归一化后的二倍频信号差来表征系统中的Kerr误差。

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