本发明涉及信号检测技术领域，涉及一种基互易性调制与2×2光开关时分切换相结合的谐振式光学陀螺的检测系统及方法。谐振式陀螺包括以光纤环形谐振腔为敏感元件的谐振式光纤陀螺和以光学谐振腔为核心敏感元件的谐振式集成光学陀螺。
背景技术：
谐振式光学陀螺(resonatoropticgyroscope，rog)是利用光学sagnac效应实现对转动检测的一种高精度的惯性传感器。无振动部件的谐振式光学陀螺具有小型化、精度高、抗震动等优点。相比微机械陀螺(microelectromechanicalsystems，mems)和干涉式光纤陀螺(interferometricfiberopticalgyroscope，ifog)，rog将具有更大的优势。
由于sagnac效应是一种非常微弱的效应，并且谐振式光学陀螺的光学噪声又很强，因此在谐振式光学陀螺系统中，信号调制与检测技术须具备噪声抑制功能。在谐振式光学陀螺中，影响其检测精度最为严重的是背向散射噪声，包括背向散射光强噪声和背向散射光与信号光之间的干涉项噪声的影响。为了抑制背向散射噪声，对谐振腔顺、逆时针方向光波常采用不同频率的相位调制以及载波抑制的方法，其中不同频率的相位调制技术用于抑制背向散射光强噪声，载波抑制则是为了抑制干涉项噪声，系统总的载波抑制比直接影响干涉项噪声的抑制程度。激光的相位调制一般采用铌酸锂等集成光学相位调制来实现，研究发现，相位调制器的非理想相位调制特性即在相位调制器上施加电压信号进行相位调制时，常伴有寄生的强度调制，寄生的强度调制和相位调制信号具有相同的频率特性，会被谐振腔输出端的信号解调模块解调出，当对谐振腔顺、逆时针方向光波采用不同频率的相位调制时，这两个相反方向的寄生强度调制影响也不同，残余强度调制最终成为制约谐振式光学陀螺的检测精度。因此，迫切需要研究一种既能有效抑制背向散射噪声又能避免残余强度调制噪声的信号调制与检测方法。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于互易性相位调制和时分切换相结合的谐振式光学陀螺的检测系统及方法，首先对激光器发出的光进行互易性调制，输出进入y分支后得到顺、逆时针方向(针对后续沿光学谐振腔传播方向而言)的两束光，同时y分支分别采用不同频率的调制信号对这两束光进行相位调制；经过两次调制后的信号输入到2×2的光开关进行时分切换，光开关的输出进入光学谐振腔。出腔的顺时针和逆时针输出信号进行同频解调，其中一路解调信号经过数字信号处理之后，反馈到激光器频率调谐端，使激光器频率与该路谐振频率锁定在一起。另外一路解调信号经数字信号处理后作为陀螺转动信号进行输出。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统，包括可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器、2×2光开关、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号解调模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、伺服反馈控制器构成的信号处理系统。
进一步的，可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器依次相连，第一相位调制器与解调模块相连；y分支相位调制器的两个输出端分别与2×2光开关的两个输入端相连，2×2光开关的两个输出端与光学谐振腔相连，并将光学谐振腔、光电转换模块与信号解调模块依次相连；信号解调模块的第一输出端经第一低通滤波器、伺服反馈控制器与可调谐激光器的调谐端连接，信号解调模块的第二输出端与第二低通滤波器相连。
本发明提供了一种应用上述谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，包括以下步骤：
1)可调谐激光器输出的光经过光学隔离器之后进入第一相位调制器，在第一相位调制器上采用某一频率的电信号对光信号进行互易性调制，经过互易性调制的光信号进入y分支相位调制器一分为二，两路光在y分支相位调制器上分别进行调制，然后经2×2光开关进入光学谐振腔，分别形成顺时针、逆时针的两束谐振光，出腔后的谐振光由光电转换模块转换成电信号；信号解调模块产生第一相位调制器上的同频信号并对接收到的电信号进行解调，得到解调信号；
2)通过使用2×2光开关使得在同一时刻只有一个输出端口有信号输出，因此同一时刻从光学谐振腔中输出的只能是顺时针谐振光或逆时针谐振光；将逆时针输出的解调信号作为误差信号，由第一低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，然后通过伺服反馈控制器反馈到可调谐激光器的调谐端，使可调谐激光器频率锁定在光学谐振腔逆时针方向的谐振频率上；顺时针输出的解调信号经过第一低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，获得陀螺转动信号作为最终输出。
本发明的另一目的在于提供了另一种基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统，包括可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器、2×2光开关、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号解调模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、伺服反馈控制器、伺服移频模块、闭环反馈相位调制器构成的信号处理系统。
进一步的，可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器依次相连，第一相位调制器同时与信号解调模块相连；y分支相位调制器的两个输出端分别与2×2光开关的两个输入端相连，2×2光开关的两个输出端与光学谐振腔相连，并将光学谐振腔、光电转换模块与信号解调模块依次相连；信号解调模块的第一输出端经第一低通滤波器、伺服反馈控制器与可调谐激光器的调谐端连接，信号解调模块的第二输出端依次连接第二低通滤波器、伺服移频模块、闭环反馈相位调制器，所述的闭环反馈相位调制器的输出端信号施加到y分支相位调制器中位于顺时针支路上的相位调制器上。
本发明提供了一种应用上述谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，包括以下步骤：
1)可调谐激光器输出的光经过光学隔离器之后进入第一相位调制器，在第一相位调制器上采用某一频率的电信号对光信号进行互易性调制，经过互易性调制的光信号进入y分支相位调制器一分为二，两路光在y分支相位调制器上分别进行再一次调制，然后经2×2光开关进入光学谐振腔，分别形成顺时针、逆时针的两束谐振光，出腔后的谐振光由光电转换模块转换成电信号；信号解调模块产生第一相位调制器上的同频信号并对接收到的电信号进行解调，得到解调信号；
2)控制2×2光开关在同一时刻只有一个输出端口工作，因此同一时刻从光学谐振腔中输出的只能是顺时针谐振光或逆时针谐振光；将逆时针输出的解调信号作为误差信号，由第一低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，然后通过伺服反馈控制器反馈到可调谐激光器的调谐端，使可调谐激光器频率锁定在光学谐振腔逆时针方向的谐振频率上；
将顺时针输出的解调信号经过第二低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，然后输入到伺服移频模块中获得带有陀螺转速信息的电压信号，再经闭环反馈相位调制器得到移频量；将移频量反馈到y分支相位调制器中位于顺时针支路上的相位调制器上，使得顺时针支路的光信号锁定在光学谐振腔顺时针方向的谐振频率上，移频量即反映了陀螺的转动信号。
本发明具有的有益效果：
(1)本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法采用了互易性调制解调技术，即通过第一相位调制器对激光施加同频调制信号使其避免了由于采用不同调制频率带来的寄生强度调制，提高了系统的互易性，有效抑制了寄生强度调制；
(2)本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法采用了y分支，在y分支上对一分为二的激光信号再一次进行调制，能带来附加的载波抑制效果，能抑制背向散射中的干涉项影响，提高了系统的稳定度。
(3)本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法采用了时分切换的新方法，通过引入2×2光开关使得同一时刻谐振腔只存在顺时针光信号或者逆时针光信号，有利于实现背向散射强度噪声以及部分干涉项噪声的抑制。
附图说明
图1是本发明的第一种基于互易性相位调制和时分切换相结合谐振式光学陀螺检测系统的结构示意图；
图2是本发明的第二种基于互易性相位调制和时分切换相结合谐振式光学陀螺检测系统的结构示意图；
图3是经信号处理后输出的曲线示意图；
图4是谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图；
图5是基于2*2光开关谐振式光学陀螺的检测系统的具体实施案例示意图；
图中：1、可调谐激光器，2、隔离器，3、相位调制器，4、y分支相位调制器(以下简称y分支)，5、2×2光开关，6、第一环形器，7、第二环形器，8、光学谐振腔，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、信号解调模块，12、第一低通滤波器，13伺服反馈控制器，14、第二低通滤波器，15、数据记录仪。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。
如图1所示，一种基于互易性相位调制和时分切换相结合的谐振式光学陀螺的检测系统，它主要由可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、伺服移频模块、闭环反馈相位调制器构成的信号处理系统。可调谐激光器、光学隔离器、相位调制器和y分支依次相连，y分支两个输出分别于2×2光开关的两个输入相连，光开关两个输出分别于光学谐振腔依次相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号解调模块依次相连，信号解调模块与相位调制器相连，信号解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号解调模块、第二信号处理模块与数据记录仪相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
激光器输出的光首先经过隔离器，进入相位调制器后采用由谐振腔自由谱宽度除以2√3得到值，作为调制频率的电信号进入y分支，在y分支上被分成顺、逆时针(相对于后续沿谐振腔的传输方向而言)两路光，同时y分支上施加频率不同的两路信号分别对顺、逆时针两路光进行调制，使其获得额外的载波抑制效果。y分支的两个输出进入2×2光开关，在光开关上实现时分切换的效果，并进一步提高系统的载波抑制比。y光开关两个输出进入光学谐振腔，形成顺、逆时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号。信号的调制解调模块产生同频信号分别对光电探测器输出的电信号进行解调，即可得到解调信号。原理图以逆时针为例，逆时针输出的解调信号作为误差信号，经过数字信号处理后，反馈到激光器的调谐端，使激光器频率锁定在谐振腔逆时针方向的谐振频率上；顺时针解调信号则经过数字信号处理后，直接作为转动信号作为陀螺最终输出。
如图2所示，一种基于互易性相位调制和时分切换相结合的谐振式光学陀螺的检测装置，它主要由可调谐激光器、光学隔离器、y分支、相位调制器、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号的调制解调模块、反馈锁定模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、伺服移频模块、闭环反馈相位调制器构成的信号处理系统。可调谐激光器、光学隔离器、相位调制器和y分支依次相连，y分支两个输出分别于2×2光开关的两个输入相连，光开关两个输出分别于光学谐振腔依次相连，光学谐振腔、光电转换模块与信号解调模块依次相连，信号解调模块与相位调制器相连，信号解调模块、第一信号处理模块、反馈锁定模块与可调谐激光器依次相连，信号解调模块、第二信号处理模块、伺服移频模块和闭环反馈相位调制器依次相连。
上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
激光器输出的光首先经过隔离器，进入相位调制器后采用某一频率的电信号对光信号进行互易性调制，相位调制器输出经过互易性调制的信号进入y分支，在y分支上被分成顺、逆时针(相对于后续沿谐振腔的传输方向而言)两路光，同时y分支上施加频率不同的两路信号分别对顺、逆时针两路光进行调制，使其获得额外的载波抑制效果。y分支的两个输出进入2×2光开关，在光开关上实现时分切换的效果，并进一步提高系统的载波抑制比。y光开关两个输出进入光学谐振腔，形成顺、逆时针的两个谐振光束，这两束光分别进入光电探测器转换成电信号。信号的调制解调模块产生同频信号分别对光电探测器输出的电信号进行解调，即可得到解调信号。原理图以逆时针为例，逆时针输出的解调信号作为误差信号，经过数字信号处理后，反馈到激光器的调谐端，使激光器频率锁定在谐振腔逆时针方向的谐振频率上；顺时针解调信号则经过数字信号处理后，产生移频信号反馈到闭环反馈相位调制器上，使得顺时针光信号锁定在谐振腔另一路谐振频率上，移频量即反映了陀螺的转动信号。
本发明提供的谐振式光学陀螺的检测方法有利于在增大系统载波抑制比抑制背向散射噪声的基础上，抑制残余强度调制等非互易性噪声的影响，最终提高谐振式光学陀螺的检测精度。
如图3所示的基于互易性相位调制和时分切换相结合谐振式光学陀螺的输出解调曲线。
如图4所示的谐振式光学陀螺转动时顺时针和逆时针谐振频率与激光器频率关系示意图，激光器频率始终稳定在逆时针光束的谐振频率，顺时针和逆时针光束的谐振频率差即为谐振式光学陀螺的转动信号。
如图5所示，是一种基于互易性相位调制和时分切换相结合谐振式光学陀螺的实施案例，我们使用光学相位调制器作为调制器，光电探测器作为光电转换模块，在基于fpga的开发平台上进行代码编写实现信号解调模块，信号处理模块，反馈锁定模块，使用数字万用表或者个人电脑作为数据记录仪。激光器1输出的光信号经过隔离器2后进入第一相位调制器进行互易性调制，随后进入y分支4将光信号一分为二，得到顺、逆时针光信号，同时在y分支上对顺、逆时针两路光采用不同频率进行第二次调制，从而进一步提高系统的载波抑制比。y分支两个输出分别于2×2光开关5的两个输入相连，随即光开关的两个输出分别通过第一环形器6、第二环形器7进入光学谐振腔8，光学谐振腔输出的顺、逆时针信号再一次分别通过第二环形器7、第一环形器6进入第二光电探测器10、第一光电探测器9，两个光电探测器的输出进入解调模块11进行同频解调。其中逆时针解调信号通过第一低通滤波器12和伺服反馈控制器13后，反馈到激光器调谐端1，使得激光器中心频率锁定在谐振腔逆时针方向的谐振频率上；顺时针解调信号通过第二低通滤波器14后，输出陀螺的转动信息，并记录在数据记录仪15上。
1.一种基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统，其特征在于，包括可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器、2×2光开关、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号解调模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、伺服反馈控制器构成的信号处理系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统，其特征在于，可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器依次相连，第一相位调制器与解调模块相连；y分支相位调制器的两个输出端分别与2×2光开关的两个输入端相连，2×2光开关的两个输出端与光学谐振腔相连，并将光学谐振腔、光电转换模块与信号解调模块依次相连；信号解调模块的第一输出端经第一低通滤波器、伺服反馈控制器与可调谐激光器的调谐端连接，信号解调模块的第二输出端与第二低通滤波器相连。
3.一种应用权利要求2所述基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)可调谐激光器输出的光经过光学隔离器之后进入第一相位调制器，在第一相位调制器上采用某一频率的电信号对光信号进行互易性调制，经过互易性调制的光信号进入y分支相位调制器一分为二，两路光在y分支相位调制器上分别进行调制，然后经2×2光开关进入光学谐振腔，分别形成顺时针、逆时针的两束谐振光，出腔后的谐振光由光电转换模块转换成电信号；信号解调模块产生第一相位调制器上的同频信号并对接收到的电信号进行解调，得到解调信号；
2)通过使用2×2光开关使得在同一时刻只有一个输出端口有信号输出，因此同一时刻从光学谐振腔中输出的只能是顺时针谐振光或逆时针谐振光；将逆时针输出的解调信号作为误差信号，由第一低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，然后通过伺服反馈控制器反馈到可调谐激光器的调谐端，使可调谐激光器频率锁定在光学谐振腔逆时针方向的谐振频率上；顺时针输出的解调信号经过第一低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，获得陀螺转动信号作为最终输出。
4.一种基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统，其特征在于，包括可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器、2×2光开关、光学谐振腔、光电转换模块构成的光学系统以及由信号解调模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、伺服反馈控制器、伺服移频模块、闭环反馈相位调制器构成的信号处理系统。
5.根据权利要求4所述的一种基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统，其特征在于，可调谐激光器、光学隔离器、第一相位调制器、y分支相位调制器依次相连，第一相位调制器同时与信号解调模块相连；y分支相位调制器的两个输出端分别与2×2光开关的两个输入端相连，2×2光开关的两个输出端与光学谐振腔相连，并将光学谐振腔、光电转换模块与信号解调模块依次相连；信号解调模块的第一输出端经第一低通滤波器、伺服反馈控制器与可调谐激光器的调谐端连接，信号解调模块的第二输出端依次连接第二低通滤波器、伺服移频模块、闭环反馈相位调制器，所述的闭环反馈相位调制器的输出端信号施加到y分支相位调制器中位于顺时针支路上的相位调制器上。
6.一种应用权利要求5所述基于互易性调制与时分切换相结合的谐振式光学陀螺检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)可调谐激光器输出的光经过光学隔离器之后进入第一相位调制器，在第一相位调制器上采用某一频率的电信号对光信号进行互易性调制，经过互易性调制的光信号进入y分支相位调制器一分为二，两路光在y分支相位调制器上分别进行再一次调制，然后经2×2光开关进入光学谐振腔，分别形成顺时针、逆时针的两束谐振光，出腔后的谐振光由光电转换模块转换成电信号；信号解调模块产生第一相位调制器上的同频信号并对接收到的电信号进行解调，得到解调信号；
2)控制2×2光开关在同一时刻只有一个输出端口工作，因此同一时刻从光学谐振腔中输出的只能是顺时针谐振光或逆时针谐振光；将逆时针输出的解调信号作为误差信号，由第一低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，然后通过伺服反馈控制器反馈到可调谐激光器的调谐端，使可调谐激光器频率锁定在光学谐振腔逆时针方向的谐振频率上；
将顺时针输出的解调信号经过第二低通滤波器对其进行比例和积分运算处理，然后输入到伺服移频模块中获得带有陀螺转速信息的电压信号，再经闭环反馈相位调制器得到移频量；将移频量反馈到y分支相位调制器中位于顺时针支路上的相位调制器上，使得顺时针支路的光信号锁定在光学谐振腔顺时针方向的谐振频率上，移频量即反映了陀螺的转动信号。
技术总结