[發明專利]基于偏振選擇鎖定的被動式激光陀螺儀及角速度確定方法

有效

• 申請號: 202110024123.9
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112857355B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 柳奎;張潔;李宗陽;馮曉華;李克;陳宇軒;張浩博;陸澤晃
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01C19/66
• 分類號: G01C19/66
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 王穎翀;李智

本發明公開了一種基于偏振選擇鎖定的被動式激光陀螺儀及角速度確定方法，通過調節注入高Q值環形諧振腔的激光信號的偏振態，使分別以順時針和逆時針兩個方向注入高Q值環形諧振腔的激光信號均同時包含S偏振分量和P偏振分量，鎖定過程采用基于偏振選擇鎖定方法，實現以順時針和逆時針兩個方向注入激光的頻率分別與環形諧振腔中順時針和逆時針方向的諧振頻率的相對鎖定，避免了剩余幅度調制的問題，解決了由此造成的誤差信號的偏置，使得被動式激光陀螺儀中頻率鎖定點的精度得到了提高，并最終提高了被動式激光陀螺儀旋轉測量精度。

技術領域

本發明屬于光學陀螺儀技術領域，更具體地，涉及一種基于偏振選擇鎖定的被動式激光陀螺儀。

背景技術

激光陀螺儀基于Sagnac效應(薩格納克效應)，被用于慣性導航、地球物理、基礎物理等領域，具有分辨率高、穩定性好、動態范圍廣的特點。Sagnac效應于1913年由法國科學家Sagnac提出，在一個環形諧振腔中，如果系統在光的傳播平面存在轉動，那么順時針(CW，Clockwise)方向傳播的光與逆時針(CCW，Counter-Clockwise)方向傳播的光走過的實際光程不相等，如果腔內兩束相向傳播的光同時跟環形諧振腔的同一諧振峰發生諧振，則它們的諧振頻率會因為轉動存在一個差值，稱之為Sagnac頻率。

在被動式無源諧振腔陀螺儀中，兩束單色激光束圍繞閉環光路相向傳播，在高Q值環形諧振腔中諧振形成閉合光學環路，由于無源諧振腔陀螺儀腔內不存在增益介質，因此其需要依靠外部激光注入環形諧振腔內部來激發起振，一個必需的技術條件是兩束激光的頻率需要跟環形諧振腔的諧振頻率保持鎖定。現有技術公開的一種被動式無源腔陀螺儀鎖定方法，采用腔長抖動調制解調的方法獲得激光頻率與腔諧振峰失諧的誤差信號，通過反饋信號施加給壓電陶瓷或者激光器保持注入激光源頻率與環形諧振腔諧振。但是這種方法會限制反饋帶寬，主要原因有兩點：其一是光電探測器探測的是環形諧振腔的透射光，高Q值環形諧振腔中光子壽命比較長，注入激光最終透過環形諧振腔到達探測器會存在明顯的延時，從而限制反饋環路的響應速度；其二是采用了腔長抖動調制，這種調制方法屬于一種機械抖動調制，調制頻率一般較低(千赫茲量級)，也會對反饋環路的響應速度構成限制，最終這種較低的響應帶寬會限制被動式陀螺儀中的噪聲抑制、共模抑制比等從而影響其性能。與此同時，這種低頻的調制探測技術也會受到激光器的在低頻段的幅度噪聲的影響。

現有技術中的另一種鎖定方法為Pound-Drever-Hall(PDH)鎖定法。PDH鎖定中對激光進行相位調制，相位調制后的激光注入環形諧振腔，通過光電探測器探測環形諧振腔的反射光并進行解調得到激光頻率與環形諧振腔諧振峰失諧的誤差信號，最終通過環路濾波器后進行反饋。PDH鎖定的優點為：一是探測器探測的是環形諧振腔的反射光，不會有明顯的時延；二是調制頻率較高(兆赫茲量級)，可以獲得很高的反饋帶寬，可以對激光器噪聲進行有效的抑制，同時較高的調制頻率也可以規避激光器在低頻段的幅度噪聲的影響。但是這種PDH鎖定方法也存在其不足之處，一是結構較復雜，器件眾多；二是用于進行激光相位調制的電光調制器無法達到完美的相位調制，實際情形中通常伴隨著幅度調制，這種效應一般被稱為剩余幅度調制。剩余幅度調制來源于電光調制器中晶體雙折射效應，受環境溫度、光路標準具效應等影響較大，易造成鎖定誤差信號的偏置，且隨時間變化，帶來附加噪聲，最終限制被動激光陀螺儀的性能。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于偏振選擇鎖定的被動式激光陀螺儀，其目的在于解決現有被動式陀螺儀頻率鎖定過程中的誤差信號偏置和頻率誤差降低陀螺儀的測量精度的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于偏振選擇鎖定的被動式激光陀螺儀，所述被動式激光陀螺儀包括：激光源裝置、偏振態調節裝置、高Q值環形諧振腔裝置、第一平衡探測及伺服裝置、第二平衡探測及伺服裝置以及拍頻探測裝置；

其中，所述激光源裝置用于產生兩束獨立的激光，分別為第一激光信號和第二激光信號；