諧振式光學(xué)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(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

諧振式光學(xué)陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的慣性導(dǎo)航器件，其可以根據(jù)核心敏感單元光學(xué)諧振腔受旋轉(zhuǎn)所引起的光頻差測量出轉(zhuǎn)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(huán)進行傳感[2]，在諧振式光學(xué)陀螺中僅需要使用幾米長的光纖構(gòu)成的諧振腔，減小了陀螺系統(tǒng)的體積，且理論精度可達10-4(°)/h[3]，因此,諧振式光學(xué)陀螺由于體積小,精度高及無可動部件等優(yōu)勢有望成為下一代慣性導(dǎo)航器件，受到國內(nèi)、外研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注和研究。Sagnac效應(yīng)引起的光頻差僅有幾百赫茲，而受溫度等環(huán)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(xué)陀螺系統(tǒng)中需調(diào)節(jié)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(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度的測量[4]。

小型化的窄線寬半導(dǎo)體激光器由于體積小，線寬窄和易調(diào)諧等優(yōu)點成為諧振式光學(xué)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(diào)諧而變化，會在系統(tǒng)中引入激光光功率的波動噪聲[6]，文獻[7-8]中發(fā)現(xiàn)，該噪聲會影響光學(xué)陀螺的隨機游走系數(shù)和標(biāo)度因數(shù)非線性度，但本文發(fā)現(xiàn)，光功率波動時受相位調(diào)制器殘余強度調(diào)制的影響，諧振式光學(xué)陀螺的解調(diào)曲線中心點會隨光功率變化而波動，且在陀螺系統(tǒng)中，解調(diào)曲線中心點代表諧振頻率點即鎖頻點，應(yīng)為固定值，因此，解調(diào)曲線中心點波動會影響陀螺長期零偏穩(wěn)定性，形成長期漂移，本文采用分束器與Y波導(dǎo)形成三路光信號，兩路正常進入陀螺系統(tǒng)，另一路實時監(jiān)測光功率波動，通過標(biāo)定對設(shè)置的鎖頻點做出調(diào)整，從而抑制光功率波動造成的輸出路長期漂移，使系統(tǒng)達到更優(yōu)的工作狀態(tài)。

1 諧振式光學(xué)陀螺工作原理

圖1為諧振式光學(xué)陀螺的系統(tǒng)圖。激光器發(fā)出的光經(jīng)過隔離器后使其單向傳輸，該光束進入鈮酸鋰Y波導(dǎo)調(diào)制器后，被分成兩束功率相等、方向相反的光波，并在該調(diào)制器中進行不同頻率(使用不同信號發(fā)生器發(fā)出的兩個正統(tǒng)波，即SG1和SG2)的相位調(diào)制，便于進行微弱信號檢測與抑制背向散射等光學(xué)噪聲[9]，兩束光通過耦合器后進入到環(huán)形諧振腔(FRR)中，光波在諧振腔內(nèi)進行多次傳輸后通過環(huán)形器輸出至光電探測器(PD1和PD2)處實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換后的電信號進行同步解調(diào)(用數(shù)字鎖相放大器LIA1和LIA2)得到兩路光的解調(diào)信號，其中一路解調(diào)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(diào)諧端，通過調(diào)節(jié)伺服控制器參數(shù)改變控制器的輸出信號大小，實現(xiàn)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(diào)輸出大小,從而實現(xiàn)角速度的測量[10]。

圖1 諧振式光學(xué)陀螺的系統(tǒng)圖

2 理論與實驗研究

在諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)中使用的光源為RIO公司的半導(dǎo)體激光器，根據(jù)其技術(shù)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(jù)諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型得到其解調(diào)曲線公式[11]為

h-nh-(n+1)sin(φ-n-φ-(n+1))]

(1)

式中：VLIA為解調(diào)曲線電壓值；I為光功率；P為各個光學(xué)器件轉(zhuǎn)換效率乘積；D為電路增益；hn為光場在環(huán)型諧振腔中的傳輸系數(shù)；φn為環(huán)型諧振腔引起的相位延遲。在保持其他參數(shù)不變的情況下，僅改變I可仿真得出各個解調(diào)曲線如圖2所示。由圖可知，不同光功率下，雖然解調(diào)曲線線性區(qū)斜率與幅值發(fā)生改變，但解調(diào)曲線的中心點始終在同一點上，因此，在諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)中使用伺服控制器進行頻率鎖定時，將解調(diào)曲線中心點作為鎖頻點且設(shè)置為固定值，解調(diào)曲線動態(tài)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(shù)調(diào)節(jié)控制器輸出信號大小，最終實現(xiàn)激光器頻率鎖定。

圖2 解調(diào)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(fā)生變化，并通過光電探測器轉(zhuǎn)化為電壓值后接入示波器，同時在陀螺系統(tǒng)中進行調(diào)制解調(diào)得到解調(diào)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(diào)曲線中心點也在逐步上移。分析陀螺系統(tǒng)的各個光學(xué)器件的本征特性，如相位調(diào)制器、耦合器和分束器等，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于激光器輸出光功率波動在Y波導(dǎo)調(diào)制器的殘余強度調(diào)制的作用下，引起解調(diào)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(xiàn)低頻漂移，影響陀螺的長期零偏穩(wěn)定性。

圖3 光功率與解調(diào)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(tǒng)帶來的影響，進行了改進方案(見圖4)，本系統(tǒng)中使用RIO激光器作為系統(tǒng)光源，鈮酸鋰Y波導(dǎo)調(diào)制器作為相位調(diào)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(tǒng)的核心敏感單元，其品質(zhì)因數(shù)Q=106，采用Xilinx公司Virtex-4系列的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為系統(tǒng)的主控芯片，并采用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出解調(diào)曲線。

圖4 改進陀螺系統(tǒng)方案圖

在激光器發(fā)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(dǎo)調(diào)制器實現(xiàn)正常陀螺系統(tǒng)中的相位調(diào)制，光電轉(zhuǎn)換和同步解調(diào)等功能，并得到兩路光波的解調(diào)曲線，另一束光則進入光電探測器PD3將光功率信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將該電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進入到FPGA中，且由于諧振腔輸出的兩路光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，在FPGA中使用鎖相放大器算法實現(xiàn)同步解調(diào)，因此，使用ISE中的chipscope工具對光功率信號與解調(diào)曲線中心點進行數(shù)字量抓取，并得到線性關(guān)系式為：y=kx+b(其中y為解調(diào)曲線中心點，x為光功率對應(yīng)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(diào)曲線中心點為線性關(guān)系，因此，可以通過標(biāo)定形式對鎖頻點進行實時補償，即根據(jù)實時輸入的光功率信號通過y=kx+b得出該光功率下對應(yīng)的解調(diào)曲線中心點，并將其設(shè)置為伺服控制器中的鎖頻點，采用此方法后陀螺系統(tǒng)的鎖頻點將一直處于跟隨光功率變化的狀態(tài)，此時設(shè)置合適的伺服控制參數(shù)后實現(xiàn)激光器頻率鎖定，可以完全去除光功率波動對陀螺系統(tǒng)的影響。

在同一系統(tǒng)中通過按鍵控制改進系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)算法切換，便于進行改進系統(tǒng)的陀螺輸出路測試與常規(guī)陀螺系統(tǒng)輸出路測試對比，圖5為實際測試結(jié)果。前半段為未進行光功率補償?shù)耐勇葺敵鲂盘枺蟀攵螢楣夤β恃a償?shù)玫降耐勇葺敵鲂盘?。由圖可知，后半段數(shù)據(jù)無明顯漂移趨勢，輸出穩(wěn)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(wěn)定性較好(為80 (°)/h)，未進行補償輸出長期零偏穩(wěn)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(jié)果對比圖

4 結(jié)束語

諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)通常使用半導(dǎo)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(tǒng)的隨機游走系數(shù)和標(biāo)度因數(shù)非線性度,根據(jù)解調(diào)曲線公式仿真發(fā)現(xiàn)光功率波動解調(diào)曲線中心點保持不變，所以在進行激光器頻率鎖定時，設(shè)置鎖頻點為一固定值，但實際中發(fā)現(xiàn)解調(diào)曲線中心點隨光功率改變，根據(jù)陀螺系統(tǒng)各光學(xué)器件特性分析其原因是激光器的功率波動受Y波導(dǎo)調(diào)制器的殘余強度調(diào)制的影響，從而將改變陀螺系統(tǒng)的解調(diào)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(xiàn)低頻漂移，為抑制該問題，本文利用光功率與解調(diào)曲線中心點存在線性關(guān)系對其進行標(biāo)定，實時補償鎖頻點，使其始終處于諧振頻率對應(yīng)值，去除了輸出路低頻漂移，實驗測得陀螺輸出路零偏穩(wěn)定性為80 (°)/h，該方法效果顯著，實用性強。