[发明专利]一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪

说明书

本发明公开了一种基于相敏外差测量的被动式激光陀螺仪，包括Sagnac干涉仪，平衡探测装置以及信号提取装置；三束激光分别锁定到Sagnac干涉仪两个方向的三个不同纵模上；从Sagnac干涉仪透射的激光进入平衡探测装置进行拍频测量；拍频测量得到的射频电信号通过信号提取装置进行自解调，以获得Sagnac信号，通过此信号确定旋转角速度。本发明通过利用三束激光注入被动式激光陀螺仪，避免了激光陀螺仪的后向散射噪声以及光学腔长漂移噪声，改善激光陀螺仪干涉信噪比，同时提高被动激光陀螺仪测量稳定性，获得了更好的转动测量分辨率。

技术领域

本发明属于激光陀螺仪领域，更具体地，涉及一种基于相敏外差测量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之一。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。激光陀螺仪的工作原理基于1913年由法国科学家Sagnac提出的Sagnac效应，即在一个光学环形腔中，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，两束光如果同时位于环形腔的同一纵模，则它们的共振角频率之差与旋转角速度的关系可以表示为：其中ω_s是两个方向谐振激光的频率差，也被称为Sagnac频率，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，激光陀螺仪光学环形腔的环绕面积越大，其测量灵敏度越高。

现有激光陀螺仪大部分为主动激光陀螺仪，即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的限制因素主要来自于三个方面：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，三是由于光学腔镜不完美引起的后向散射噪声。专利文献CN 103047979 A公开了一种被动激光陀螺仪激，其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。但被动式陀螺仪并不能解决后向散射噪声的问题。处于Sagnac频率的后向散射噪声会耦合到被动激光陀螺仪的激光锁定回路中，进而被放大并干扰最终的测量结果。为解决此问题，2016年发表在Classical and Quantum Gravity杂志第33卷第035004页的文章“Passive,free-space heterodyne laser gyroscope”公开了一种基于差模工作方式的被动激光陀螺仪，通过将注入顺时针和逆时针两个方向的激光频率隔开光学腔的一个自由光谱区，使得后向散射噪声的频率达到了高频，超出了激光锁定系统的带宽并被过滤掉，以达到避免后向散射噪声的目的。但是这种方法导致陀螺仪无法直接获得Sagnac信号，而是Sagnac信号同光学腔自由光谱区频率之和ω_s+ω_F的信号。其中自由光谱区角频率ω_F＝2πc/P,其中c为真空中光速。而自由光谱区频率ω_F对于腔长漂移是极其敏感的，从而在被动激光陀螺仪的工作中引入了由于腔长漂移造成的自由光谱区频率漂移的噪声。

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相敏外差测量的被动式激光陀螺仪，其目的在于同时解决现有被动式激光陀螺仪中的后向散射噪声以及腔长漂移造成的自由光谱区频率漂移的问题。