四频激光陀螺的交流稳频系统及其稳频方法

摘要

本发明属于激光陀螺技术，涉及一种四频激光陀螺稳频系统及其稳频方法。所述四频激光陀螺稳频系统包括四频激光陀螺和交流稳频电路，所述四频激光陀螺包括两个平面镜、以及两组用于控制腔长的球面镜，所述交流稳频电路包括顺次相接的光电转换器、带通滤波器、相敏检波器、整流器、PID控制器、求和器以及电压放大器。其中，电压放大器与两个球面镜的稳频压电陶瓷相连。本发明通过在稳频压电陶瓷上施加交流电压信号对四频激光陀螺的腔长进行调制，然后经带通滤波以及相敏解调和整流得到稳频误差信号，通过闭环控制使得该误差信号稳定在零值，从而实现四频激光陀螺的稳频。本发明极大地简化了四频激光陀螺的稳频控制，大幅提高了稳频精度。

说明书

技术领域

本发明属于激光陀螺技术，涉及一种四频激光陀螺稳频系统及其稳频方 法。

背景技术

激光陀螺是一种基于Sagnac效应的光学陀螺。当载体相对于惯性空间有 转速为Ω的转动时，激光陀螺将会产生一个正比于该转速的拍频输出，如(1) 式所示：

$\mathrm{\Delta v}=\frac{4A}{\mathrm{L\lambda }}\Omega =\mathrm{K\Omega }---\left(1\right)$

其中：Δv为拍频

      A为环形光路所包围的面积

      L为环形光路的光程长度

      Ω为转动角速度

      λ为激光工作波长

      K为激光陀螺的标度因数

由于具有启动快、动态范围宽、线性度好、数字输出等诸多优点，激光陀 螺在许多领域取代了传统的机械式陀螺，已经成为现代导航、制导与控制系 统的核心传感器。

由(1)式知，要获得精确的角速度测量必须要求标度因数高度稳定。当 环境温度改变时，引起环路光程长度L发生变化，从而导致标度因数发生变 化。因此必须采取稳频技术(稳腔长)才能确保激光陀螺在全温度范围内正 常工作，以获得精确的角速度测量。

稳频是四频激光陀螺工作的基本前提，稳频精度是四频激光陀螺性能的 重要影响因素之一。对四频激光陀螺而言，传统的方法是采用光强差稳频。 在四频激光陀螺的谐振腔内运行着左旋顺、逆时针光(简称左陀螺)和右旋 顺、逆时针光(简称右陀螺)，v_L为左陀螺频率，v_R为右陀螺频率，详见图 1。稳频要求把左、右陀螺的平均频率稳定在增益最大处(v＝v_m)。理想情况 下，增益曲线相对于v_m是对称的。因此，只需将左、右陀螺的光强稳定在等 光强处。左、右陀螺的光强差即作为反馈控制量，通过闭环控制使得左、右 陀螺的光强差为零。

请参阅图2，其是现有技术光强差稳频的原理框图。图中，1和2为平面 镜(部分透射)，3和4为带稳频压电组件(PZT)的球面镜，5为λ/4波片， 6为检偏器。从平面镜2输出的顺、逆时针光强中均含有左右陀螺的光强，经 光学分光(λ/4波片5和检偏器6)分别得到左陀螺和右陀螺的光强(例如： 左陀螺的顺时针光和右陀螺的逆时针光)，经光电转换和差分放大后，得到左 右陀螺的光强差，PID控制器输出控制电压，经电压放大后加至稳频压电组件 (PZT)上，控制球面镜3和4的伸缩来实现稳频(稳腔长)。光强差稳频存 在的问题有4，其一是对平面镜2的透平衡要求较高(S光的透射尽可能接近 P光透射)，而在斜入射情况下，S光的透射与P光透射相差很大，这给反射 镜的镀制带来了很大困难。其二是光学分光对λ/4波片和检偏器的温度稳定 性和透光率要求很高，工程上实现复杂。其三是对光电转换及后续放大电路 的对称性要求极高，增加了电路的研制难度。其四是实际的增益曲线不是理 想对称的，因而这种稳频方法会带来偏差。

发明内容

本发明的目的是：提出一种稳频控制简单、控制精度高的四频激光陀螺 稳频控制系统。

另外，本发明还提供一种四频激光陀螺稳频控制方法。

本发明的技术方案是：一种四频激光陀螺稳频系统，其包括四频激光陀螺和 交流稳频电路，所述四频激光陀螺包括两个部分透射的平面镜以及两组用于 控制腔长的带稳频压电陶瓷的球面镜，所述交流稳频电路包括顺次相接的光 电转换器、带通滤波器、相敏检波器、整流器、PID控制器、求和器以及电压 放大器，相敏检波器与求和器之间还设置有一信号扫描器，其中，光电转换 器设置在其中一个平面镜输出处，用于接收和转换该平面镜输出的光信号， 而电压放大器与两个球面镜的稳频压电陶瓷相连。

接收平面镜输出光信号的光电转换器为一个时，接收顺时针光或逆时针 光。

接收平面镜输出光信号的光电转换器为二个时，分别接收顺时针光和逆 时针光，并经求和放大后输入到带通滤波器。

一种四频激光陀螺交流稳频方法，其包括如下步骤：

步骤1：施加交流电压进行调制

通过在球面镜稳频压电陶瓷上施加交流电压信号，对四频激光陀螺的腔 长进行交流调制；

步骤2：光电转换并处理得到交流电压信号

光电转换器直接接收顺时针或逆时针光，将光信号转换成电信号后进行 带通滤波得到交流电压信号；

步骤3：经相敏解调和整流得到稳频误差信号

根据谐振腔内激光工作频率v与中心频率v₀之间的关系，利用扫描信号 对所得到的交流电压信号进行相敏检波解调，并整流得到稳频误差的直流电 压信号；

步骤4：输出控制电压加到稳频压电组件

经过PID控制器后，输出控制电压与扫描电压求和并经电压放大后加到 稳频压电组件上，驱动压电陶瓷使腔长发生改变，从而驱动工作点向增益曲 线的峰值点移动，使得该误差信号稳定在零值，从而实现四频激光陀螺的稳 频。

当谐振腔内激光工作频率v＜中心频率v₀时，经过光电转换器输出的信 号为与扫描信号同频同相的电压信号，经过带通滤波器后进入到相敏检波器 中，经整流器输出一正的直流电压，经过PID控制器后，输出控制电压加到 稳频压电组件上，使得加载在稳频压电陶瓷上的电压增大，从而驱动工作点 向增益曲线的峰值点移动。

当工作频率v＜中心频率v₀时，经过光电转换器输出的信号为与扫描信 号同频反相的电压信号，经过带通滤波器后进入到相敏检波器中，经整流器 输出一负的直流电压，经过PID控制器后，输出控制电压加到稳频压电组件 上，使得加载在稳频压电陶瓷上的电压减小，从而驱动工作点向增益曲线的 峰值点移动。

当工作频率v＜中心频率v₀时，经过光电转换器输出信号的频率是扫描 信号频率的2倍，由于带通滤波的选通频率与扫描信号频率一致，故该信号 不能通过带通滤波器，即带通滤波器无输出信号，此时稳频误差为零，当前 工作点就是增益曲线的峰值点，加载在稳频压电陶瓷上的电压无需改变。

本发明的优点是：本发明由于使用光电转换器直接接收四频激光陀螺输 出的顺时针或逆时针光，无需经过光学分光；对平面镜的透平衡没有要求， 大大降低了其镀膜难度；对后级电路的对称性也没有要求；避免了增益曲线 不对称带来的稳频偏差，稳频精度高，因而本发明极大地简化了四频激光陀 螺的稳频控制，大幅提高了稳频精度。

附图说明

图1是四频激光陀螺光强差稳频原理图；

图2是现有技术四频激光陀螺光强差稳频的原理框图；

图3是本发明四频激光陀螺交流稳频方法的原理图；

图4是本发明四频激光陀螺交流稳频系统的原理框图，

其中，1、2-平面镜、3、4-带稳频压电陶瓷的球面镜、5-λ/4波片、6- 检偏器、7-光电转换器、8-差分放大器、9-PID控制器、10-电压放大器、11- 求和器、12-扫描信号、13-整流器、14-相敏检波器、15-带通滤波器、16-信 号扫描器。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

请同时参阅图3和图4，其中，图3是本发明四频激光陀螺交流稳频方法 的原理图，图4是本发明四频激光陀螺交流稳频系统的原理框图。本发明四 频激光陀螺稳频系统包括四频激光陀螺和交流稳频电路。其中，所述四频激 光陀螺包括两个平面镜(部分透射，既部分透射、部分反射，对两者的比例 不作严格限定，根据实际可以做相应的调整)1、2以及两组用于控制腔长的 带稳频压电陶瓷的球面镜3、4。所述交流稳频电路包括顺次相接的光电转换 器7、带通滤波器15、相敏检波器14、整流器13、PID控制器9、求和器11 以及电压放大器10。另外，相敏检波器14与求和器之11间还设置有一信号 扫描器16。其中，光电转换器设置在设置在平面镜2输出处，用于接收和转 换平面镜2输出的光信号，而电压放大器与两个球面镜3、4的稳频压电陶瓷 相连。

本发明四频激光陀螺交流稳频方法能实现对四频激光陀螺的稳频，其具 体过程如下：

步骤1：施加交流电压进行调制

通过在球面镜稳频压电陶瓷上施加频率为几KHz的交流电压信号对四频 激光陀螺的腔长进行交流调制；

步骤2：光电转换并处理得到交流电压信号

光电转换器直接接收顺时针或逆时针光，将光信号转换成电信号后经带 通滤波后得到交流电压信号；

步骤3：经相敏解调和整流得到稳频误差信号

根据谐振腔内激光工作频率v与中心频率v₀之间的关系，利用扫描信号 对所得到的电压信号进行相敏检波解调，并整流得到稳频误差的直流电压信 号；

步骤4：输出控制电压加到稳频压电组件

经过PID控制器后，输出控制电压与扫描电压求和并经电压放大后加到 稳频压电组件上，驱动压电陶瓷使腔长发生改变，从而驱动工作点向增益曲 线的峰值点移动，使得该误差信号稳定在零值，从而实现四频激光陀螺的稳 频，即使得四频激光陀螺工作在增益曲线的顶点(光强最大处)。

如图3所示：v₀为四频激光陀螺第q个纵模的增益曲线的中心频率。在 稳频压电陶瓷上施加频率为几KHz的正弦扫描电压。当谐振腔内激光工作频 率v＜v₀时，即工作点位于增益曲线峰值点的左边时，经过光电转换器输出 的信号为与扫描信号同频同相的电压信号，经过带通滤波器后进入到相敏检 波器中，经整流器输出一正的直流电压，经过PID控制器后，输出控制电压 加到稳频压电组件上，使得加载在稳频压电陶瓷上的电压增大，从而驱动工 作点向增益曲线的峰值点移动。当v＞v₀时，经过光电转换器输出的信号为 与扫描信号同频反相的电压信号，经过带通滤波器后进入到相敏检波器中， 经整流器输出一负的直流电压，经过PID控制器后，输出控制电压加到稳频 压电组件上，使得加载在稳频压电陶瓷上的电压减小，从而驱动工作点向增 益曲线的峰值点移动。当v≈v₀时，输出信号的频率是扫描信号频率的2倍， 由于带通滤波的选通频率与扫描信号频率一致，故该信号不能通过带通滤波 器，即带通滤波器无输出信号，此时稳频误差为零，当前工作点就是增益曲 线的峰值点，加载在稳频压电陶瓷上的电压无需改变。

另外，本发明还可以做如下改进，即用于接收平面镜输出光的光电转换 器可以设置成两个，分别用于接收顺时针光和逆时针光，然后再求和放大后 输入到带通滤波器。

综上所述本发明通过在稳频压电陶瓷上施加频率为几KHz的交流电压信 号对四频激光陀螺的腔长进行交流调制，光电转换器直接接收顺时针或逆时 针光，经带通滤波后得到交流光强信号，经相敏解调和整流得到稳频误差信 号，通过闭环控制使得该误差信号稳定在零值，从而实现四频激光陀螺的稳 频，即使得四频激光陀螺工作在增益曲线的顶点(光强最大处)。本发明由于 使用光电转换器直接接收四频激光陀螺输出的顺时针或逆时针光，无需经过 光学分光；对平面镜的透平衡没有要求，大大降低了其镀膜难度；对后级电 路的对称性也没有要求；避免了增益曲线不对称带来的稳频偏差，稳频精度 高。因而本发明极大地简化了四频激光陀螺的稳频控制，大幅提高了稳频精 度。