[发明专利]一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法

摘要

本发明提供一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法。法拉第执行器放在1/4波片、光弹调制器前面。检测激光依次通过起偏器、法拉第调制器、碱金属气室、1/4波片、光弹调制器和检偏器，1/4波片的快轴与起偏器光轴同向，光弹调制器的快轴与起偏器光轴成45度角，检偏器与起偏器光轴成90度角。通过PID控制器控制闭环法拉第执行器的偏转角，使锁相放大器的输出保持为零，此时待测的转角由闭环法拉第执行器的输出角读出。待测转角仅与闭环法拉第执行器的转角相关，与光强和光弹调制幅度无关，从而在原理上隔离了这些参数波动对检测系统的影响，使得闭环光弹调制检测的标度因数易于稳定，提高原子陀螺仪的检测精度。

主权项

一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)一束检测激光依次通过起偏器、法拉第调制器、原子气室、1/4波片、光弹调制器、检偏器和光电探测器，并使1/4波片的快轴与起偏器光轴同向，光弹调制器的快轴与起偏器光轴成45度角，检偏器与起偏器光轴成90度角，使1/4波片、光弹调制器、检偏器、原子气室、法拉第调制器的琼斯矩阵分别满足以下关系：$G_{1/4\mathrm{\λ}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right],G_{PEM}=\left[\begin{array}{cc}cos\frac{\mathrm{\δ}}{2}& -isin\frac{\mathrm{\δ}}{2}\\ -isin\frac{\mathrm{\δ}}{2}& \cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\end{array}\right],G_{JP}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$$G_{cell}=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}& -cos\mathrm{\θ}\end{array}\right],G_{Fld}=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ sin\mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$其中，G_1/4λ为1/4波片的琼斯矩阵，G_PEM为光弹调制器的琼斯矩阵，G_JP为检偏器的琼斯矩阵，G_cell为原子气室的琼斯矩阵，G_Fld为法拉第调制器的琼斯矩阵，θ为激光与原子气室发生相互作用使得线偏振面旋转的角度，即待测角度；δ为光弹调制器中振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间的延迟量，即光弹调制器调制幅度，φ为法拉第调制器使激光的线偏振面偏转的角度；(2)通过琼斯矩阵计算，经过检偏器输出的光矢量E₂为：$E_2=G_{JP}{G}_{PEM}{G}_{1/4\mathrm{\λ}}{G}_{cell}{G}_{Fld}{E}_1=\left[\begin{array}{c}0\\ (-i)A_{1}sin(\frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}-\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})\end{array}\right]$其中，从激光经过起偏器后振动矢量为A为振幅，I₀＝A²,I₀为检测激光器输出光强；经检偏器输出进入光电探测器的光强I为：$I=I_0{\sin }^2(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})$其中，ω为光弹调制器的调制频率；(3)将光电探测器接收的信号输入锁相放大器，光弹调制器的调制频率作为锁相放大器的参考频率信号，提取锁相放大器的基频信号I_Lock‑in，通过贝塞尔函数展开后，锁相放大器提取的基频信号为：$I_{Lock-in}=2I_0\[(-\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})\]\×\[\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)-\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}^3+\frac{1}{12}{\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}^5-\frac{1}{144}{\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}^7+...\]$(4)将锁相放大器的基频信号I_Lock‑in输入到PID控制器，PID控制器的输出控制法拉第调制器；(5)通过PID控制器控制调节法拉第调制器的偏转角φ，使锁相放大器基频输出I_Lock‑in保持为零，待测转角θ由法拉第调制器的输出的角度φ读出，θ＝φ，φ＝KU，其中，K为常数，U为PID控制器输出。