[發明專利]一種基于三環路差分鎖定的被動式激光陀螺儀

在審

• 申請號: 202211211199.3
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115406429A
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 張潔;馮曉華;柳奎;陳宇軒;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: 彭軍芬

本發明公開了一種基于三環路差分鎖定的被動式激光陀螺儀，屬于激光陀螺儀領域。本發明在傳統兩環路激光鎖定的被動式激光陀螺儀系統中額外增加一束注入激光，該束激光首先需要與被動式激光陀螺儀環形腔實現第一級鎖定，該鎖定過程可對激光頻率噪聲實現初步抑制，其余兩束用于探測旋轉角速度的激光在此基礎上完成激光與被動式激光陀螺儀環形腔的第二級鎖定，該鎖定過程可對激光頻率噪聲實現第二級抑制，兩級鎖定的過程增加了被動式激光陀螺儀系統中的環路增益，可對激光頻率噪聲進行有效抑制，從而提升被動式激光陀螺系統轉速測量的精度；此外本發明還能實現自由光譜區的原位測量和扣除，解鎖Saganc信號的同時解決自由光譜區抖動引入的影響。

技術領域

本發明屬于激光陀螺儀領域，更具體地，涉及一種基于三環路差分鎖定的被動式激光陀螺儀。

背景技術

激光陀螺儀具有角速度測量分辨率高、穩定性好、動態范圍廣的優勢，是慣性導航和精密旋轉測量領域最重要的儀器之一。激光陀螺儀的工作原理基于薩格納克效應(Sagnac Effect)，當環形腔在光學平面內存在轉動時，順時針(Clock Wise,CW)方向傳播的光與逆時針(Counter Clock Wise,CCW)方向傳播的光經歷的實際光程不相等，光程不同導致這一對傳播方向相反的兩束光的共振頻率不同，這個頻率差稱為薩格納克頻率(Sagnac Frequency)，滿足：其中f_sagnac為薩格納克頻率，Ω為環形腔所在光學平面的旋轉角速度，λ為激光的波長，A為環形腔的面積，P為環形腔周長。只要測量出薩格納克頻率，就可以計算出激光陀螺儀所在參考系目前的旋轉角速度。

被動激光陀螺儀通過將兩束傳播方向相反的外部激光與環形腔進行鎖定，利用腔后透射光的拍頻信號獲得旋轉角速度。已有研究表明，激光頻率噪聲和自由光譜區抖動噪聲都會影響被動式激光陀螺儀旋轉靈敏度的提升。

針對被動式激光陀螺儀系統中的激光頻率噪聲，現有方法采用外部激光鎖定至超穩激光系統來獲得低激光頻率噪聲的激光光源，例如基于超穩法布里-珀羅腔的超穩激光和基于碘分子穩頻的超穩激光，這種方法對超穩激光的系統設計要求較高，而且為了保證超穩激光的穩定性，還需為超穩激光系統提供高真空低溫度變化的運行環境，對于被動式激光陀螺儀而言，運用該方法實現的穩定激光源增加了整體系統的復雜性且提升了系統運行成本。

針對自由光譜區抖動噪聲，現有方法采用維納濾波器扣除輸出信號中由腔長抖動引入自由光譜區抖動的噪聲，其中腔長抖動噪聲使用超穩激光與鎖定至陀螺儀的激光拍頻的方式獲得，但是這種腔長測量方法還需搭建額外的激光參考系統，增加了腔長測量裝置的復雜度。

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三環路差分鎖定的被動式激光陀螺儀，其目的在于解決激光頻率噪聲影響被動式激光陀螺儀旋轉靈敏度的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于三環路差分鎖定的被動式激光陀螺儀，包括：激光光源、環形腔干涉儀和信號提取裝置；

激光光源，用于輸出第一激光、第二激光和第三激光；其中，第一激光作為預鎖激光首先與環形腔干涉儀實現第一級鎖定；第二激光、第三激光與環形腔干涉儀在第一級鎖定的基礎上，實現第二級鎖定；第一激光和第二激光鎖定方向相同；第三激光與第二激光鎖定方向相反且鎖定至環形腔干涉儀不同縱模上；第一激光與第二激光頻率滿足f₁-f₂＝nf_FSR；第二激光與第三激光頻率滿足f₂-f₃＝f_sagnac+mf_FSR；f₁，f₂和f₃分別為第一激光頻率、第二激光頻率和第三激光頻率，f_sagnac為Sagnac信號的頻率，f_FSR為光學環形腔的自由光譜區頻率，n和m表示縱模間隔，取整數；