諧振式光學陀螺鎖頻偏差的消除方法研究

孫 穎，張成飛，劉文耀，唐 軍，劉 俊

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

諧振式光學陀螺是一種基于Sagnac效應的慣性導航器件，其可以根據核心敏感單元光學諧振腔受旋轉所引起的光頻差測量出轉動角速度[1]，且在干涉式光纖陀螺中需要使用幾公里長的光纖環進行傳感[2]，在諧振式光學陀螺中僅需要使用幾米長的光纖構成的諧振腔，減小了陀螺系統的體積，且理論精度可達10-4(°)/h[3]，因此,諧振式光學陀螺由于體積小,精度高及無可動部件等優勢有望成為下一代慣性導航器件，受到國內、外研究機構的廣泛關注和研究。Sagnac效應引起的光頻差僅有幾百赫茲，而受溫度等環境因素引起的頻率漂移遠高于頻差，影響角速度傳感，因此，在諧振式光學陀螺系統中需調節激光器的輸出頻率使陀螺中的一路光頻率跟蹤鎖定在諧振腔頻率上，探測另一路光的輸出實現旋轉角速度的測量[4]。

小型化的窄線寬半導體激光器由于體積小，線寬窄和易調諧等優點成為諧振式光學陀螺理想的小型化光源[5]，但是該類型的光源輸出功率伴隨頻率調諧而變化，會在系統中引入激光光功率的波動噪聲[6]，文獻[7-8]中發現，該噪聲會影響光學陀螺的隨機游走系數和標度因數非線性度，但本文發現，光功率波動時受相位調制器殘余強度調制的影響，諧振式光學陀螺的解調曲線中心點會隨光功率變化而波動，且在陀螺系統中，解調曲線中心點代表諧振頻率點即鎖頻點，應為固定值，因此，解調曲線中心點波動會影響陀螺長期零偏穩定性，形成長期漂移，本文采用分束器與Y波導形成三路光信號，兩路正常進入陀螺系統，另一路實時監測光功率波動，通過標定對設置的鎖頻點做出調整，從而抑制光功率波動造成的輸出路長期漂移，使系統達到更優的工作狀態。

1 諧振式光學陀螺工作原理

圖1為諧振式光學陀螺的系統圖。激光器發出的光經過隔離器后使其單向傳輸，該光束進入鈮酸鋰Y波導調制器后，被分成兩束功率相等、方向相反的光波，并在該調制器中進行不同頻率(使用不同信號發生器發出的兩個正統波，即SG1和SG2)的相位調制，便于進行微弱信號檢測與抑制背向散射等光學噪聲[9]，兩束光通過耦合器后進入到環形諧振腔(FRR)中，光波在諧振腔內進行多次傳輸后通過環形器輸出至光電探測器(PD1和PD2)處實現光電轉換，并對轉換后的電信號進行同步解調(用數字鎖相放大器LIA1和LIA2)得到兩路光的解調信號，其中一路解調輸出作為誤差信號傳遞給伺服控制器，將伺服控制器輸出端接入激光器的頻率調諧端，通過調節伺服控制器參數改變控制器的輸出信號大小，實現激光器的輸出頻率始終跟蹤鎖定在諧振腔的諧振頻率處，通過檢測另一路光波的解調輸出大小,從而實現角速度的測量[10]。

圖1 諧振式光學陀螺的系統圖

2 理論與實驗研究

在諧振式光學陀螺系統中使用的光源為RIO公司的半導體激光器，根據其技術手冊可知，該激光器存在光功率波動問題，其光功率隨掃描電壓而變化，根據諧振式光學陀螺系統的數學模型得到其解調曲線公式[11]為

h-nh-(n+1)sin(φ-n-φ-(n+1))]

(1)

式中：VLIA為解調曲線電壓值；I為光功率；P為各個光學器件轉換效率乘積；D為電路增益；hn為光場在環型諧振腔中的傳輸系數；φn為環型諧振腔引起的相位延遲。在保持其他參數不變的情況下，僅改變I可仿真得出各個解調曲線如圖2所示。由圖可知，不同光功率下，雖然解調曲線線性區斜率與幅值發生改變，但解調曲線的中心點始終在同一點上，因此，在諧振式光學陀螺系統中使用伺服控制器進行頻率鎖定時，將解調曲線中心點作為鎖頻點且設置為固定值，解調曲線動態地進入到伺服控制器中作為誤差信號與鎖頻點進行比較判斷，并通過改變控制器參數調節控制器輸出信號大小，最終實現激光器頻率鎖定。

圖2 解調曲線仿真圖

在進行激光器掃描測試時，即使用鋸齒波信號掃描激光器，則激光器的輸出光功率發生變化，并通過光電探測器轉化為電壓值后接入示波器，同時在陀螺系統中進行調制解調得到解調曲線接入示波器，兩者曲線如圖3所示。由圖可知，在光功率逐漸變大時，解調曲線中心點也在逐步上移。分析陀螺系統的各個光學器件的本征特性，如相位調制器、耦合器和分束器等，發現該現象產生的原因是由于激光器輸出光功率波動在Y波導調制器的殘余強度調制的作用下，引起解調曲線的中心點偏移[12-14]，故在此時進行激光器的頻率鎖定，鎖頻點將不再為諧振頻率點，因此，陀螺輸出路將出現低頻漂移，影響陀螺的長期零偏穩定性。

圖3 光功率與解調曲線測試圖

3 改進方案與測試

為了去除激光光源功率波動對陀螺系統帶來的影響，進行了改進方案(見圖4)，本系統中使用RIO激光器作為系統光源，鈮酸鋰Y波導調制器作為相位調制器，1 550 nm波段的雪崩光電二極管作為光電探測器，采用光纖腔作為陀螺系統的核心敏感單元，其品質因數Q=106，采用Xilinx公司Virtex-4系列的現場可編程門陣列(FPGA)作為系統的主控芯片，并采用16位數模轉換芯片輸出解調曲線。

圖4 改進陀螺系統方案圖

在激光器發出的激光通過隔離器后，使用分束器讓其分成兩束光，其中一束光進入鈮酸鋰Y波導調制器實現正常陀螺系統中的相位調制，光電轉換和同步解調等功能，并得到兩路光波的解調曲線，另一束光則進入光電探測器PD3將光功率信號轉化為電信號，并通過模數轉換將該電信號轉換為數字量進入到FPGA中，且由于諧振腔輸出的兩路光信號轉化為電信號后，在FPGA中使用鎖相放大器算法實現同步解調，因此，使用ISE中的chipscope工具對光功率信號與解調曲線中心點進行數字量抓取，并得到線性關系式為：y=kx+b(其中y為解調曲線中心點，x為光功率對應的電信號，k=0.002 937為斜率；b=32 768為常量)，由于光功率與解調曲線中心點為線性關系，因此，可以通過標定形式對鎖頻點進行實時補償，即根據實時輸入的光功率信號通過y=kx+b得出該光功率下對應的解調曲線中心點，并將其設置為伺服控制器中的鎖頻點，采用此方法后陀螺系統的鎖頻點將一直處于跟隨光功率變化的狀態，此時設置合適的伺服控制參數后實現激光器頻率鎖定，可以完全去除光功率波動對陀螺系統的影響。

在同一系統中通過按鍵控制改進系統與常規系統算法切換，便于進行改進系統的陀螺輸出路測試與常規陀螺系統輸出路測試對比，圖5為實際測試結果。前半段為未進行光功率補償的陀螺輸出信號，后半段為光功率補償得到的陀螺輸出信號。由圖可知，后半段數據無明顯漂移趨勢，輸出穩定，且對兩路信號進行Allan方差計算，兩者曲線如圖6所示。其中補償后的陀螺輸出長期零偏穩定性較好(為80 (°)/h)，未進行補償輸出長期零偏穩定性為278 (°)/h，降低了192 (°)/h。因此該方案效果明顯，可有效抑制光功率引起的低頻漂移。

圖5 陀螺輸出路測試對比圖

圖6 Allan結果對比圖

4 結束語

諧振式光學陀螺系統通常使用半導體激光器作為激光光源，但該類激光器存在功率波動問題，會影響陀螺系統的隨機游走系數和標度因數非線性度,根據解調曲線公式仿真發現光功率波動解調曲線中心點保持不變，所以在進行激光器頻率鎖定時，設置鎖頻點為一固定值，但實際中發現解調曲線中心點隨光功率改變，根據陀螺系統各光學器件特性分析其原因是激光器的功率波動受Y波導調制器的殘余強度調制的影響，從而將改變陀螺系統的解調曲線中心點，使其不再保持恒定，則此時鎖頻點將不再為諧振頻率，陀螺輸出路將出現低頻漂移，為抑制該問題，本文利用光功率與解調曲線中心點存在線性關系對其進行標定，實時補償鎖頻點，使其始終處于諧振頻率對應值，去除了輸出路低頻漂移，實驗測得陀螺輸出路零偏穩定性為80 (°)/h，該方法效果顯著，實用性強。