[发明专利]基于偏振选择锁定的被动式激光陀螺仪及角速度确定方法

说明书

本发明公开了一种基于偏振选择锁定的被动式激光陀螺仪及角速度确定方法，通过调节注入高Q值环形谐振腔的激光信号的偏振态，使分别以顺时针和逆时针两个方向注入高Q值环形谐振腔的激光信号均同时包含S偏振分量和P偏振分量，锁定过程采用基于偏振选择锁定方法，实现以顺时针和逆时针两个方向注入激光的频率分别与环形谐振腔中顺时针和逆时针方向的谐振频率的相对锁定，避免了剩余幅度调制的问题，解决了由此造成的误差信号的偏置，使得被动式激光陀螺仪中频率锁定点的精度得到了提高，并最终提高了被动式激光陀螺仪旋转测量精度。

技术领域

本发明属于光学陀螺仪技术领域，更具体地，涉及一种基于偏振选择锁定的被动式激光陀螺仪。

背景技术

激光陀螺仪基于Sagnac效应(萨格纳克效应)，被用于惯性导航、地球物理、基础物理等领域，具有分辨率高、稳定性好、动态范围广的特点。Sagnac效应于1913年由法国科学家Sagnac提出，在一个环形谐振腔中，如果系统在光的传播平面存在转动，那么顺时针(CW，Clockwise)方向传播的光与逆时针(CCW，Counter-Clockwise)方向传播的光走过的实际光程不相等，如果腔内两束相向传播的光同时跟环形谐振腔的同一谐振峰发生谐振，则它们的谐振频率会因为转动存在一个差值，称之为Sagnac频率。

在被动式无源谐振腔陀螺仪中，两束单色激光束围绕闭环光路相向传播，在高Q值环形谐振腔中谐振形成闭合光学环路，由于无源谐振腔陀螺仪腔内不存在增益介质，因此其需要依靠外部激光注入环形谐振腔内部来激发起振，一个必需的技术条件是两束激光的频率需要跟环形谐振腔的谐振频率保持锁定。现有技术公开的一种被动式无源腔陀螺仪锁定方法，采用腔长抖动调制解调的方法获得激光频率与腔谐振峰失谐的误差信号，通过反馈信号施加给压电陶瓷或者激光器保持注入激光源频率与环形谐振腔谐振。但是这种方法会限制反馈带宽，主要原因有两点：其一是光电探测器探测的是环形谐振腔的透射光，高Q值环形谐振腔中光子寿命比较长，注入激光最终透过环形谐振腔到达探测器会存在明显的延时，从而限制反馈环路的响应速度；其二是采用了腔长抖动调制，这种调制方法属于一种机械抖动调制，调制频率一般较低(千赫兹量级)，也会对反馈环路的响应速度构成限制，最终这种较低的响应带宽会限制被动式陀螺仪中的噪声抑制、共模抑制比等从而影响其性能。与此同时，这种低频的调制探测技术也会受到激光器的在低频段的幅度噪声的影响。

现有技术中的另一种锁定方法为Pound-Drever-Hall(PDH)锁定法。PDH锁定中对激光进行相位调制，相位调制后的激光注入环形谐振腔，通过光电探测器探测环形谐振腔的反射光并进行解调得到激光频率与环形谐振腔谐振峰失谐的误差信号，最终通过环路滤波器后进行反馈。PDH锁定的优点为：一是探测器探测的是环形谐振腔的反射光，不会有明显的时延；二是调制频率较高(兆赫兹量级)，可以获得很高的反馈带宽，可以对激光器噪声进行有效的抑制，同时较高的调制频率也可以规避激光器在低频段的幅度噪声的影响。但是这种PDH锁定方法也存在其不足之处，一是结构较复杂，器件众多；二是用于进行激光相位调制的电光调制器无法达到完美的相位调制，实际情形中通常伴随着幅度调制，这种效应一般被称为剩余幅度调制。剩余幅度调制来源于电光调制器中晶体双折射效应，受环境温度、光路标准具效应等影响较大，易造成锁定误差信号的偏置，且随时间变化，带来附加噪声，最终限制被动激光陀螺仪的性能。

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偏振选择锁定的被动式激光陀螺仪，其目的在于解决现有被动式陀螺仪频率锁定过程中的误差信号偏置和频率误差降低陀螺仪的测量精度的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于偏振选择锁定的被动式激光陀螺仪，所述被动式激光陀螺仪包括：激光源装置、偏振态调节装置、高Q值环形谐振腔装置、第一平衡探测及伺服装置、第二平衡探测及伺服装置以及拍频探测装置；

其中，所述激光源装置用于产生两束独立的激光，分别为第一激光信号和第二激光信号；