聲光移頻器特性對諧振式集成光學陀螺性能影響分析

1、摘 要諧振式集成光學陀螺作為第三代光學陀螺，以其高理論精度、抗沖擊、集成 化、高可靠性等諸多優(yōu)點，成為當今慣性傳感器重要發(fā)展方向之一。由于諧振式 集成光學陀螺對各種噪聲的高度靈敏，噪聲的抑制是其研宄的重點和難點。本文針對偏振波動和熱波動影響諧振式集成光學陀螺性能的問題，對偏振波 動和熱波動對光波導環(huán)形諧振器諧振曲線的影響以及相應抑制方法的效果進行 了測試，實驗結(jié)果表明，偏振波動和熱波動對環(huán)形諧振器諧振曲線影響顯著，恒 溫控制能夠十分有效地減小諧振曲線的溫度漂移，而采用偏振控制的t段雖然能 夠在一定程度上抑制陀螺中偏振波動的影響，但效果有限，仍不能滿足高精度陀 螺對諧振曲線穩(wěn)定性的要求。對聲光移

2、頻器的光譜響應和不同移頻下的功率損耗進行了測試，推導了帶有 聲光移頻器響應的解調(diào)曲線表達式，計算表明由于所用聲光移頻器在不同頻移下 功率損耗不同，會得到不同斜率的解調(diào)曲線，陀螺工作時應對此進行補償。關鍵詞：集成光學陀螺光波導環(huán)形諧振器熱波動偏振波動聲光移頻器聲光 調(diào)制abstractas the third-generation optic gyro，the resonant integrated optic gyro has the advantage of high theoretical precision，anti-impact，integration and high reliabi

3、lity. it is an important developing direction of inertial sensors. due to its high sensitivity to various noises，noise suppression is the emphasis and difficulty in the research of resonant integrated optic gyros.for the problem that polarization and thermal fluctuations influence performance of res

4、onant integrated optic gyros，the effects of thermal and polarization fluctuations on the resonance curve of a waveguide ring resonator and the functions of relevant suppressing methods arc measured. experimental results show that the influence of the thermal and polarization fluctuations on the reso

5、nance curve of the ring resonator is remarkable. thermostatic control can be very effective in reducing the temperature drift of the resonance curve. although the polarization control method can decrease the effect of polarization fluctuation to a certain extent, its function is limited and cannot m

6、eet the demands of high precision gyros on the stability of the resonance curve.the spectral response and the power loss under different frequency-shifts of an acousto-optic frequency shifter arc measured. the expression of demodulation curve including the aofs response is derived. calculations show

7、 that the slope of the demodulation curve is different under different frequency shifts due to the variation of the power loss，which should be compensated when the gyro is working.key words: integrated optic gyros optical waveguide ring resonator thermal fluctuation polarization fluctuation acousto-

8、optic frequency shifter acousto-optic modulation principle第一章緒論1.1光學陀螺概述陀螺是運載體角速度傳感器，是慣性導航、慣性制導和慣性測量系統(tǒng)的核心 部件。陀螺主要可以分為機械陀螺和光學陀螺兩類。機械陀螺是以經(jīng)典力學為基 礎的陀螺，也是最先被提出，并且現(xiàn)在己被廣泛應用于各種高精度領域的陀螺， 但是由于機械陀螺抗外界環(huán)境干擾能力差、耐久性差、體積大、價格昂貴、動態(tài) 范圍小等缺點使得其應用受到很大限制。而光學陀螺可以彌補傳統(tǒng)機械陀螺的上 述缺點，而且與機械陀螺相比，光學陀螺減少了活動部件，具有使用壽命長、抗 干擾能力強、動態(tài)范圍大、可靠

9、性更高等特點，因而應用更加廣泛。光學陀螺按照環(huán)形腔介質(zhì)不同可分為激光陀螺（lg）、光纖陀螺（fog）和 集成光學陀螺（iog）。在以無運動部件見長的光學陀螺中，激光陀螺和干涉式 光纖陀螺己完全成熟，并以其高精度成為高端陀螺市場的寵兒。但是這兩種陀螺 也存在體積大、價格昂貴的不足，不能滿足如微型衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)導彈、汽車導航、 機器人、智能手機等對小體積、輕重量、低成木陀螺的急切需求。隨著集成光學技術(shù)的發(fā)展，第三代光學陀螺一一 “諧振式集成光學陀螺”被 國內(nèi)外學者提出。諧振式集成光學陀螺采用光波導環(huán)形諧振器作為旋轉(zhuǎn)敏感元件， 其發(fā)展方向是實現(xiàn)環(huán)形諧振器與光源、探測器、調(diào)制器等部件的混合或單片集成， 隨

10、著集成光學器件批量生產(chǎn)能力的日益成熟，其成木也將不斷降低，是光學陀螺 面向小型集成化的重要方向之一。與光纖陀螺相比，雖然集成光學陀螺仍然是通 過sagnac效應來測量角速度，在光路結(jié)構(gòu)上與光纖陀螺仍然十分相似，但諧振 式集成光學陀螺的各個元器件都可以采用集成方式集成在一個硅基芯片上，且光 源、光電探測器等光電器件也能夠利用光電單片集成技術(shù)或光電混合集成技術(shù)集 成在一個芯片上，使得集成光學陀螺有希望實現(xiàn)單芯片集成。因此，相比于激光 陀螺和光纖陀螺，諧振式集成光學陀螺可望在體積、重量、成木和功耗上都大幅 減小。此外，諧振式集成光學陀螺的抗沖擊能力也是其他陀螺無法企及的。諧振 式集成光學陀螺的生產(chǎn)工

11、藝完全基于半導體工藝平臺，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，大大 降低生產(chǎn)成木。總之，集成光學陀螺所具有的高理論精度、抗沖擊、集成化、高可靠性等諸 多優(yōu)點，使得其成為慣性傳感器發(fā)展方向之一，在約10°/h的較低傳感精度水平 上具有最強的競爭力。然而，諧振式集成光學陀螺的發(fā)展目前也面臨著很大的障礙。不可回避的現(xiàn) 實是，雖然諧振式光學陀螺己經(jīng)提出了近四十年1,但至今無論是諧振式光纖陀 螺還是諧振式集成光學陀螺，都還沒有得到實際應用。這其中的主要原因就是諧 振式光學陀螺對各種噪聲的高度靈敏，包括瑞利背向散射、偏振雙折射波動、 kerr效應等等。尤其是對于采用光波導環(huán)形腔的集成光學陀螺，其中的背向散射遠高于

12、光纖環(huán)，其偏振問題也無法像光纖陀螺那樣用偏振軸旋轉(zhuǎn)來克服。所以, 目前對諧振式光學陀螺，尤其是諧振式集成光學陀螺中噪聲的抑制是諧振式光學 陀螺中研宄的重點和難點。1.2諧振式集成光學陀螺噪聲抑制的相關研究受制于光波導環(huán)形諧振腔中的瑞利背向散射、偏振波動、光學kerr效應等 誤差源的影響，目前諧振式集成光學陀螺的傳感精度和長期穩(wěn)定性還遠未達到實 用化要求，為減小這些噪聲影響所釆用的多種調(diào)制技術(shù)造成陀螺結(jié)構(gòu)復雜、體積 和成木顯著增加。為此，尋求更有效的克服噪聲的途徑，提高陀螺傳感精度和穩(wěn) 定性，是引領諧振式集成光學陀螺走向?qū)嶋H應用的必由之路和當務之急。波導諧振腔中折射率不均勻產(chǎn)生的瑞利背向散射噪聲

13、是限制諧振式集成光 學陀螺檢測精度的最主要因素。首先，由于條形光波導的損耗系數(shù)比光纖要人約 三個量級，所以條波導的瑞利背向散射系數(shù)遠大于光纖；其次，光在諧振腔中要 多次繞行（繞行次數(shù)約為諧振器的精細度），相比于單圈傳輸，發(fā)生背向散射的 幾率幾十倍地增大。又由于諧振式陀螺需要采用高相干窄帶光源，所以背散光可 以和信號光發(fā)生干涉，從而造成嚴重的測量誤差。計算表明，如果不采取任何抑 制措施，諧振式集成光學陀螺中背向散射誤差可高達4500q/sj。如圖1-1所 示為浙江大學背向散射譜測試系統(tǒng)。為抑制背散噪聲的嚴重影響，早期麻哲理工學院ezekiel等提出相位調(diào)制法 41,如閣1-2所示為其諧振式光纖陀

14、螺儀的示意閣。東京大學hotate等提出二元 和三元相移鍵控方法5_61,如閣1-3所示為其二元相移鍵控方法。但這兩種方法 對聲光移頻器或相位調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)精度和溫度穩(wěn)定性提出了極高的要求。圖1-2麻省理工學院基于相位調(diào)制法的諧振式光纖陀螺儀原理圖4。camer supfxreuion by t>-psk圖1-3二元相移鍵控背向向散射噪聲抑制的實驗裝置5。為克服這一困難，近年來國內(nèi)浙江大學研究組采用雙相位調(diào)刺方法，采用四 個相位調(diào)制器，如圖1-4所示，分別用四個信號發(fā)生器驅(qū)動工作在不同頻率上, 降低丫對相位調(diào)制器穩(wěn)定性的要求，實現(xiàn)了 38q/h的a前最好的測量精度7。圖1-4浙江大學雙

15、相位調(diào)制法陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)71。北京航空航天大學研究組采用雙電極鋸齒波調(diào)制方案，如閣1-5所示，同樣 需要四個相位調(diào)制器和信號發(fā)生器，取得了 1760°/h的目前最好的長期穩(wěn)定性f81。圖1-5北京航空航天大學雙電極鋸齒波調(diào)制陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)偏振波動噪聲是嚴重影響陀螺長期穩(wěn)定性的主耍因素。諧振腔與總線波導間 的耦合、波導的彎曲和波導壁的散射都會引起偏振模耦合。此外，兩個偏振模折 射率的溫度系數(shù)不同，溫度波動將引起兩個偏振模的諧振波長間隔發(fā)生改變。円 本東京大學hotate等人研究發(fā)現(xiàn)這兩方面都會隨時引起傳感用主偏振模諧振曲 線深度和形狀的變化，從而引起陀螺穩(wěn)定性的惡化f91。諧振式光纖陀螺可

16、以通過采用保偏光纖并在光纖諧振腔中將偏振軸旋轉(zhuǎn)一 個或兩個90°的方法來抑制偏振波動噪聲w,如閣1-6所示為浙江大學開展的 和應工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，在光纖諧振環(huán)內(nèi)進行了兩次偏振軸旋轉(zhuǎn)。但這一辦 法不能用于光波導諧振腔，所以對波導環(huán)中偏振波動的抑制是非常棘手的難題。圖1-6采用保偏光纖并在光纖諧振腔中將偏振軸旋轉(zhuǎn)9(r系統(tǒng)示意圖10。對于a前集成光學陀螺普遍采用的二氧化硅光波導，受制于弱導條件，一般 只具有io_5量級的雙折射11，由于波導壁的光滑程度和材料的均勻性遠低于光纖， 即使通過波導結(jié)構(gòu)設計將雙折射提高一個量級，仍不能很好地控制偏振耦合。在 抑制溫度引起的雙折射波動上，200

17、0年hotate課題組曾在他們研制的二氧化硅 諧振腔芯片的局部波導上，淀積y層非品硅薄膜，利用溫度控制使兩個偏振模 的諧振峰間距保持最大。但是該方案工藝復雜且反饋控制困難，沒有得到繼續(xù)采 用。現(xiàn)在，各研宄單位報道的諧振式集成光學陀螺實驗裝置都把光波導諧振腔置 于精度達0.1甚至0.01 °c的溫控裝置屮1243，這不僅増大了系統(tǒng)的體積和功耗， 同時由于溫度控制并不能抑制偏振耦合，所以偏振擾動問題仍不能得到很好的解 決。kerr效應即二階非線性折射率效應，表現(xiàn)為材料的折射率隨輸入光電場強度 的平方增加。當諧振環(huán)屮順、逆時針傳輸光的強度不同時，由于kerr效應，順 逆時針光經(jīng)歷的波導折射

18、率不同，諧振頻率就不同，形成偽旋轉(zhuǎn)頻率差。即使盡 可能地等分輸入光功率到順、逆時針光路屮，但是由于環(huán)形諧振器的儲能作用， 環(huán)內(nèi)光的電場強度是入射光電場強度的幾倍甚至幾十倍，所以在環(huán)內(nèi)可將較小的 入射光功率差放大，從而增強kerr效應的影響。可以估算，0. 01%的輸入光功率 不平衡就能引起超過陀螺靈敏度極限100倍以上的偽頻率偏差14。類似于背向散射噪聲的抑制，東京大學等人提出了對光源進行強度調(diào)制的方 法，如圖1-7所示，將kerr效應誤差信號與旋轉(zhuǎn)信號分離，但該方法也同樣增 加了系統(tǒng)的復雜性15。carrier suppression by b-psk圖1-7東京大學減小ken效應實驗系統(tǒng)結(jié)

19、構(gòu)圖15。為了減小諧振式式光纖陀螺光纖諧振腔中的噪聲問題，近年來研究者們考慮 使用空氣芯光子帶隙光纖作為諧振式光纖陀螺的諧振腔，該類光纖將光波主要集 中在中心的空氣芯中傳輸，己顯示可以減小kerr效應和熱致偏振波動16'18。但 是，氣芯光子帶隙光纖耦合器至今還不存在，所以需要采用其他方法，如借助普 通光纖耦合器來形成封閉的環(huán)16_18，或構(gòu)造雙芯光子帶隙光纖耦合器（如圖 1-8）。前者難免帶來非常大的附加損耗和反射，它們對于諧振式陀螺是非常致命 的；后者則需要更加復雜和精確的工藝過程。圖1-8兩種結(jié)構(gòu)的雙芯光子帶隙光纖耦合器截而。第二章諧振式集成光學陀螺的基本原理與實驗系統(tǒng)諧振式集成

20、光學陀螺通過測量光波異諧振腔中順、逆時針光的sagnac頻差來測量旋轉(zhuǎn)角速度。本章首先介紹光波導環(huán)形諧振器的工作原理和基本特性，然后 介紹sagnac效應，最后對陀螺檢測的兩種主要調(diào)制方法進行介紹。2.1環(huán)形諧振器的諧振原理環(huán)形諧振器是諧振式集成光學陀螺的核心敏感器件，按制作結(jié)構(gòu)分為圓環(huán)形 (eireular)諧振腔、三角形(triangular-shape)諧振腔、正方形(square-shape)諧振腔、 操場形(raee-traek)諧振腔和藥片形(pulbox)諧振腔201。如果采用光波導構(gòu)造環(huán)形 諧振器，主要有圓形和跑道形w種。環(huán)形諧振器按光路結(jié)構(gòu)可分為透射式和反射式w類，如圖2-1

21、所示。諧振腔 的精細度與諧振腔的損耗有關。透射式與反射式諧振腔相比，在增加了一個耦合 器的同時也增加了損耗，不利于提高陀螺精度。在信號檢測時，由于透射式諧振 腔的損耗相比反射式的高，從而導致接收的信號強度較低，同時，透射式諧振腔 的輸出是暗背景下的亮峰，而反射式的輸出是亮背景下的暗峰，因而反射式諧振 腔相比于透射式諧振腔信噪比較高。另外，在環(huán)形諧振器轉(zhuǎn)動情況下，陀螺系統(tǒng) 需耍諧振腔具有較高的互易性，采用雙耦合器的透射式諧振腔提高互易性的難度 更大。因而諧振式陀螺一般采用的反射式諧振腔，本文也只討論使用反射式光波 導環(huán)形諧振器的情況。inb圖2-1諧振腔的兩種結(jié)構(gòu)。a:反射成；b:透射式定向耦合

22、器輸出光纖f/（光波導）eiu 輸入光纖 （光波導）網(wǎng)合器光沿環(huán)傳播圖2-2反射式環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)f盡（直通瑞輸出i的光場）從環(huán)中頼合 出來光場）諧振式集成光學陀螺用光學環(huán)形諧振腔作為sagnac效應的敏感元件，結(jié)構(gòu) 如圖2-2所示。輸入光£；,從光波導f進入耦合器，一部分光通過耦合器的直通端口直接從輸出波導f2輸出，記為£；,另一部分光從耦合器交叉端口耦合進入環(huán)形諧振腔，這一部分光波受環(huán)形諧振腔環(huán)路的限制，在腔內(nèi)作繞環(huán)傳輸，每經(jīng) 過耦合器一次（繞環(huán)一周），就會有部分光波從耦合器交叉端門耦合出環(huán)形諧振 腔，隨著時間推移，繞環(huán)次數(shù)不同的光波在耦合器輸出端門發(fā)生光場疊加，形成 e

23、k,與£,發(fā)生干涉，形成出射光。在這里簡要分析單環(huán)單直波導原理結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。設入射光場強度為經(jīng)過單環(huán)諧振器后輸出光場強度為£4，由光場之間的關系可以得等式：圖2-3單環(huán)諧振腔光路圖。(2-1)e2 =z£3 4- ike' e3=ae2e10 £'4=r£，1 4- ike3其中z為透射系數(shù)，k為耦合系數(shù),為振幅傳遞因子，廠27r/y.l為一圈的相 /l位變化。由公式2-1可以求得傳遞函數(shù)r:(2-2)由傳遞函數(shù)r可以求得透射率r :t =t2 - 2at cqs (j)a1 i - 2at cos(/)+a21

24、2其有效相移的表達式為:= arctan(vgj) = tan1a(t2 l)sin夕當光波滿足一定條件時，就會產(chǎn)生諧振，諧振條件為:(2-5)其中，/&.為環(huán)波導的折射率，a為環(huán)形諧振腔周長，整數(shù)m為諧振級數(shù)，a為真 空中光波長。2.2 sagnac 效應sagnac效應是法國學者g. sagnac提出的，是構(gòu)成現(xiàn)代光學陀螺的理論基礎。 在任意幾何形狀的閉合光路中，從一點發(fā)出沿順、逆時針方向傳播的兩朿光波， 繞光路行進一周回到起始點，若閉合光學環(huán)路沿著一個方向旋轉(zhuǎn)，則兩束光波必 將發(fā)生相位變化，這種現(xiàn)象稱為sagnac效應。sagnac在1913年首次利用光學干涉儀演示了對旋轉(zhuǎn)的敏感

25、。最初實驗裝罝 如圖2-4,準直光源發(fā)出的光波由分束器分成兩束，再由反射鏡確定的閉合光路 內(nèi)沿和反方向傳播。當其中一個反射鏡有些微不對準時，兩束反向傳播的光波光 程差發(fā)生改變，可以觀察到干涉條紋圖樣。當試驗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時，條紋圖樣發(fā)生橫 向移動，就能測量出旋轉(zhuǎn)速率。下面對sagnac效應的原理作基本分析。如圖2-5所示為一圓形光學環(huán)路。設環(huán)路半徑為/?，旋轉(zhuǎn)角速度為q。光從 m點進入光路后分成兩束光強、速度相等，方向相反的沿順、逆吋針方向傳播 的光朿。若圓形光路不旋轉(zhuǎn)，則兩朿光同時回到m點，所經(jīng)歷的時間為（=,c其中c為真空中的光速（假設光在真空中傳輸）。若光路沿順時針方向以角速度q 旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過光

26、路的傳輸后，點移動至a/點處，逆時針方向的光少走了光(2-6)程，而順時針方向的光多走了胃的光程，可以得出順、逆時針方向傳播的光 差為：么匕=lcw - lccw =傳播一圈所需要的時間差為:(2-7)則順、逆時針方向光的位相差為:(2-8)1兀 c 82/?2q其中a為光路中的工作波長。ab圖2-5圓形光路中的sagnac效應。a為光路靜止時，b為光路沿順時針方向以角速度 q旋轉(zhuǎn)?？梢姡獬滩钆c旋轉(zhuǎn)角速度成正比。這就是干涉式光學陀螺的基本工作出發(fā) 點，通過測量順、逆吋針光的干涉，測得其相位差，就可測得旋轉(zhuǎn)角速度。諧振式光學陀螺的工作原理是通過測量諧振器在旋轉(zhuǎn)過程中由于sagnac效 應引起的

27、順、逆時針方向兩束光波的諧振頻率差，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度的測量。 當光波導環(huán)形諧振器以垂直于光波導平面為軸以角速度q旋轉(zhuǎn)吋，由sagnac效 應可知，旋轉(zhuǎn)角速度d與順、逆吋針方向的兩束光諧振頻差af成線性關系，只 需測量諧振頻差af ,實現(xiàn)對陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度q的測量。諧振式集成光學陀螺是在諧振式光學陀螺的基礎上，利用集成方式將光學陀 螺的各個元器件集成在一個硅基芯片上，而且光源、光電探測器等光電器件也能 夠利用光電單片混合集成技術(shù)集成在一個芯片上，使得諧振式集成光學陀螺實現(xiàn) 單芯片集成，而且其生產(chǎn)工藝完全基于半導體工藝平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，可 以在很大程度上降低生產(chǎn)成本。諧振式集成光學陀螺所具

28、有的的高理論精度、抗 沖擊、集成化、高可靠性等諸多有點，使得其成為慣性傳感器發(fā)展方向之一。2.3諧振式集成光學陀螺的檢測技術(shù)2.3.1諧振式集成光學陀螺的基本結(jié)構(gòu)光波導環(huán)形諧振器是諧振式集成光學陀螺的核心敏感元件，光在光波導環(huán)形 諧振器中循環(huán)傳輸來增強sagnac效應，對比干涉式光纖陀螺，諧振式集成光學 陀螺只需非常短的腔長就能實現(xiàn)較高的檢測靈敏度。如圖2-6給出了諧振式集成 光學陀螺的基本結(jié)構(gòu)框圖。窄線寬激光器fl產(chǎn)生的光波經(jīng)過50: 50耦合器c1分 為沿順時針和逆時針方向傳輸?shù)膚束光進入光波導環(huán)形諧振器，順時針方向的光波經(jīng)過多次干涉疊加后經(jīng)耦合器c3進入pd2,逆時針方向的光波最終進入p

29、d1。圖2-6諧振式光學陀螺的基本結(jié)構(gòu)。當陀螺靜止時，順、逆時針方向傳輸?shù)墓獠ㄖC振頻率相同；當陀螺以角速度 q沿逆吋針方向轉(zhuǎn)動吋，順、逆吋針方向的兩束光波會奮正比于陀螺旋轉(zhuǎn)角速度 q的諧振頻差a/。如圖2-7所示。c妨向cm向a陀螺靜止時，順、逆時針方向無頻率差cw方向ccv方向b陀螺轉(zhuǎn)動時，順、逆時針方向產(chǎn)生頻率差圖2-7陀螺角速度測量原理。2.3.2諧振式光學陀螺的信號調(diào)制由圖2-7的曲線可以看出，如果我們以確定的頻率光輸入，由于陀螺旋轉(zhuǎn)， 兩路光的輸出強度將發(fā)生變化，利用諧振腔輸出光強與光源頻率、諧振頻差之間 的關系，可以推出諧振頻率的變化。但由于溫度漂移及信號檢測電路中的低頻干 擾，會

30、導致輸出光強的改變，從而引起檢測誤差。另外，在諧振曲線諧振峰不冋 位置的輸出光強隨諧振頻率變化，會導致陀螺檢測靈敏度不同。所以，如果想得 到較高的檢測靈敏度，就必須對光源信號進行調(diào)制。選擇適當?shù)恼{(diào)制技術(shù)還可以 抑制陀螺系統(tǒng)的噪聲。諧振式光學陀螺的調(diào)制方式有兩種：相位調(diào)制與頻率調(diào)制。通過在相位調(diào)制器上施加變化的調(diào)制信號來實現(xiàn)對光波頻率的調(diào)制是0前 諧振式集成光學陀螺系統(tǒng)普遍采用的調(diào)制技術(shù)。相位調(diào)制就是周期性地改變輸入 光的相位，由于頻率是相位的導數(shù)，周期性地調(diào)制相位也就周期性地調(diào)制了光信 號的頻率。再通過下面將要介紹的鎖相解調(diào)技術(shù)，即可完成旋轉(zhuǎn)頻移信號的檢測。根據(jù)相位調(diào)制波形的不同，相位調(diào)制又可

31、分為模擬相位調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。 如圖2-8所示為基于模擬三角波相位調(diào)制技術(shù)的陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖21。激光器發(fā)出 的光經(jīng)過耦合器c1分成功率相等的兩束光分別再經(jīng)過linbo3相位調(diào)制器pm1和pm2模擬三角波相位調(diào)制后由耦合器c4進入光波導環(huán)形諧振器，形成沿順、 逆時針方向傳輸?shù)膬墒猓ㄐ盘柊l(fā)生器sgi、sg2用于模擬三角波，也為解調(diào)過程 提供參考信號），再分別由耦合器c2和c3耦合進入光電探測器pd1和pd2,將 光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，pd1將逆時針方向信號經(jīng)由鎖相放大器lia1解調(diào)，再 經(jīng)過低通濾波器lpf濾波和比例積分器pic進行處理后，反饋控制激光器發(fā)出的 光頻率，使其跟蹤鎖定在逆時針方向

32、諧振點頻率上；pd2將順時針信號經(jīng)過鎖相放大器lia2解調(diào)后作為陀螺系統(tǒng)輸出信號。output<圖2-8基于模擬三角波相位調(diào)制技術(shù)的陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖l2u。wro"聲光調(diào)制是最早被釆用的信號調(diào)制方式，由于它是對光頻率的直接調(diào)制，能 避免間接相位調(diào)制可能引入的附加噪聲，降低檢測電路的實現(xiàn)難度。采用zno聲 光調(diào)制器，將來還冇可能實現(xiàn)和si基sio2波導的集成。如圖2-9為基于聲光調(diào)制技術(shù)的諧振式集成光學陀螺系統(tǒng)框圖22。激光器發(fā) 出的光經(jīng)過分束器c1后分成兩路，兩路光分別經(jīng)過聲光移頻器aofs進行移頻 后進入耦合器c2和c3，再由耦合器c4耦合進入prr屮，形成cw和ccw方 向上

33、的兩束諧振光，cw和ccw方向的光波經(jīng)過prr后分別由光電探測器pd1 和pd2轉(zhuǎn)化成電信號輸出，然后兩路的信號再分別由鎖相放人器lia1和l1a2進 行解調(diào)后，一路通過控制系統(tǒng)改變激光器的頻率/。，使其始終跟蹤ccw環(huán)路的諧振頻率，另一路通過控制電路改變aofs2移頻量的大小，使cw環(huán)路的工作頻 率兄也鎖定在諧振頻率上，則兩個聲光移頻器上的移頻差值即為sagnac效應引 起的諧振頻差/。聆制電路t闕累統(tǒng)lia1圖2-9基丁聲光調(diào)制技術(shù)的諧振式集成光學陀螺系統(tǒng)框圖22。2.3.3諧振式光學陀螺的信號解調(diào)對陀螺進行相位調(diào)制或頻率調(diào)制后，采用鎖相放大器lia對光電探測器輸出 信號進行同步解調(diào)，鎖相

34、放大器工作原理如閣2-10所示。調(diào)制時為了避免低頻 處閃爍噪聲1的影響，可以將低頻信號變至高頻，經(jīng)過交流放大后進行解調(diào)，f再通過低通濾波器lpf過濾噪聲，可以冇效地抑制噪聲，從而實現(xiàn)對微弱信號的 跟蹤與檢測。輸入信號輸出信號參考信號圖2-10鎖相放大器工作原理。比例積分控制器一種微分系數(shù)為0的pid控制器，也是在各個領域運用最早、 最廣泛的器件，其優(yōu)點在于原理簡單、運用方便、響應時間短、適用性強、參數(shù) 整定靈活、魯棒性強等。pi控制器的數(shù)學描述為：(2-9)g)為控制器的輸出，仏為比例系數(shù)，7；為積分時間，e為系統(tǒng)的誤差信號，e(t) = r(f)-c(t), r為系統(tǒng)輸入量，c為系統(tǒng)輸出量。

35、如圖2-11為p1控 制結(jié)構(gòu)框圖。圖2-n pi控制結(jié)構(gòu)框圖。當系統(tǒng)產(chǎn)生偏差，p控制器就會成比例的對偏差信號進行響應，調(diào)節(jié)器則立即產(chǎn)生與偏差成比例的控制作用來減少偏差，加大比例系數(shù)乂.，雖然能夠減小穩(wěn)態(tài)誤差，但會導致控制器穩(wěn)定變差。在p控制器基礎上引入積分能使pi控 制消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用的大小取決于積分時間常數(shù)7；的取值，7；越小，積分運算速度越快，積分作用越強，反之越弱。pi控制器利用.其積分作用在理論上 能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，跟蹤漸變信號，提高了鎖定精度，非常適用于陀螺頻率鎖定。第四章聲光移頻器特性對諧振式集成光學陀螺性能影響分析4.1聲光移頻器的基本工作原理諧振式集成光學陀螺通常采用頻率

36、調(diào)制方式，利用頻率調(diào)制來實現(xiàn)頻率伺服, 從而抑制誤差，實現(xiàn)高精度頻差測量。可實現(xiàn)移頻常見方法有塞曼效應、聲光效 應、旋轉(zhuǎn)光柵等，其中聲光移頻由于其有所需的控制功率低、頻差范圍大、轉(zhuǎn)化 效率高等優(yōu)/?:，所以聲光移頻器(acoustic-optic frequency shifter, aofs)是最常 用的移頻器件34_36。聲光移頻器工作原理是聲光效應。當超聲波通過介質(zhì)時會造成介質(zhì)的局部伸 縮而產(chǎn)生彈性應變，從而使介質(zhì)的折射率發(fā)生改變。當光通過這一受到超聲波擾 動的介質(zhì)時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為聲光效應37。布拉格(bmgg) 衍射和喇曼-奈斯(raman-nath)衍射是聲光衍射的

37、兩種類型。bragg術(shù)射通常 聲頻較高，聲光作用程較訟，而且理論上bragg衍射的衍射效率可達100%,而 raman-nath衍射中一級光的最大衍射效率僅為34%,所以實用的聲光器件一般 都采用布拉格衍射。如圖4-1所示為聲光移頻器原理圖。超聲波驅(qū)動功率源輸出一個射頻功率信 號進入壓電換能器，壓電換能器利用壓電晶體的反壓電效應，將電信號轉(zhuǎn)換為超 聲波信號進入聲光互作用介質(zhì)，從而在.介質(zhì)中建立超聲場。超聲波能布煤質(zhì)中引 起不同層面折射率的變化，在媒質(zhì)受壓縮ix域會導致較高的折射率(反之折射率 較低)，受壓縮區(qū)域光波具有較高的反射系數(shù)。超聲波與進入介質(zhì)的光波發(fā)生聲 光互作用產(chǎn)生衍射，即入射光波與

38、聲波發(fā)生多普勒效應，導致光初始速度改變， 超聲波信號的頻率改變時，衍射光波就會產(chǎn)生移頻現(xiàn)象。圖4-1聲光移頻器工作原理。設入射光頻率為/0,超聲波頻率/,為當滿足bragg衍射條件時，若入射光波與聲波之間傳播方向一致，則產(chǎn)生+1級衍射，頻率提高，衍射光頻率為 z=/o + /;反之，產(chǎn)生-1級衍射，頻率降低，衍射光頻率為=從而達到改變光源頻率的效果。經(jīng)過聲光移頻器后的光波改變y其原有的頻率，實現(xiàn) 了陀螺的聲光調(diào)制。4.2諧振式光學陀螺聲光調(diào)制解調(diào)曲線表達式的推導4.2.1基本原理聲光移頻解調(diào)原理圖如圖4-2所示。諧振式集成光學陀螺未來發(fā)展的趨勢是 將激光器、耦合器、聲表面波aofs和光波導環(huán)形

39、諧振腔(wrr)集成在硅基光 波導基片上，用光波導環(huán)形諧振腔作為核心敏感部件，聲光移頻器作為移頻控制 元件，實現(xiàn)對諧振腔行波頻率的跟蹤、鎖定和測量。目前，由于集成光學陀螺聲 光移頻器制備還不成熟，所以陀螺系統(tǒng)還是分立元件組成。從激光器發(fā)出的光經(jīng) 過分束器c1后分成兩路，兩路光分別經(jīng)過聲光移頻器進行移頻后進入耦合器c2 和c3,再由耦合器c4耦合進入光波導環(huán)形諧振腔巾，形成順、逆時針方向上的 兩束諧振光，此時，順、逆時針方向光路的工作頻率人和./_分別為：z,-/o+/2>(4-1)ac, = +(4-2)其中/。為激光器輸出的中心頻率，/2、/分別為分別為兩個聲光移頻器上發(fā)生的移頻量。采

40、用閉環(huán)鎖定方案，順、逆時針兩個方向的光波經(jīng)過光波導環(huán)形諧振器 后分別由探測器pd1和pd2轉(zhuǎn)化成電信號輸出，然后再分別由鎖相放大器對 pd1和pd2的信號進行解調(diào)后，一路通過控制系統(tǒng)改變激光器的頻率/(),使其 始終跟蹤逆時針環(huán)路的諧振頻率，另一路通過控制電路改變aofs2的移頻量人 的大小，使順時針環(huán)路的工作頻率也鎖定在諧振頻率上，則f2-f,即為sagnac 效應引起的諧振頻差a/。lia2圖4-2聲光調(diào)制原理實驗裝置縮略圖。4.2.2相關公式推導設激光器輸出電場強度為：eflt) = acqa)et +(pe),(4-3)其屮為載波頻率，為初始相位。通過聲光移頻器對光波進行頻率調(diào)制，角

41、頻率將隨調(diào)制信號變化，不再是常數(shù)，此時的光波頻率可寫為：69(z) = c0c + a69(r) = 69(. + sin a)mt,(4-4)則調(diào)頻波的總相位角的表達式為：識(z)二py冰+仍.二* 叫.0 0+ 4, sincomtdt +（pe = a）ct-念c°w(4-5)其中弋sin%/為調(diào)制信號，'為調(diào)制信號的振幅，為調(diào)制信號的角頻率，mf=f m,.稱為調(diào)頻系數(shù)，則調(diào)頻波的總相位角可寫成：(p、t、= coccoet +(pc + mf - mf cos com ,(4-6)設a +my = a ,則調(diào)頻波的總相位角為：(p、t、= eoct +(pc + m

42、f - mf cosa)mt，(4-7)可得調(diào)制波表達式為:£(z) = a cos(69.r +(pc - mf cos 69"/)，(4-8)利用三角函數(shù)兩角和差公式可得：£() = /4cos (69/ + 識.)cos(my cos(omi + sin (o)ct +(pc) sin (m， cos 69,/),(4-9)將式屮sirm, cosq/j和cosfm, cos%d按bessel函數(shù)展開，有oosin(m, coscomt) = 2(-1)" art+1(/)cos(2zi + l)69z/ ,(4-10)n=0oocos(m, co

43、s69j) = j0 ("v) + 2z(0" a,»os(2"6y)，(4-11)n=l將調(diào)制波展開可得：£*(，) = ajq (”") cos (叩 + *) + 27, (m，) sin (叩 + 爐:)cos o)mt-2j2 (m，)sin (69(/ + 仍.)cos(269"/) - 27. (m，)sin (69(/ +)cos(3叫/) + .=az。(m，)cos(叫 + .) + 47, (mjsin(叫.+ %)r + . + sin(吟-com)t么 -ajjmjc0s(69c+269zjz +

44、.4-c0s(69(.-269w)z + .a/3(m，)sin (coc + com)z + j + sin (69r369w)z +仍. + (4-12)對比可以發(fā)現(xiàn)，在用單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制的頻譜是由光載頻與其 兩邊對稱分布的無窮多對邊頻組成。各邊頻間的頻率間隔為,各邊頻幅度的 大小人(m,)由bessel函數(shù)決定?？紤]到聲光移頻器不僅引入頻率調(diào)制，也有頻率相關透射系數(shù)s(幼，則有：e-鵬= e(t)s ，(4-13)調(diào)制光進入環(huán)形諧振器后要受到聲光移頻器傳遞函數(shù)的影響。如第三章所述， 環(huán)形諧振器的傳遞函數(shù)有振幅和相移兩部分組成，bp:r = |r|ezw),(4-14)令m幼=

45、 |r|,則環(huán)形諧振器的輸出為：、-麵=、卜。(w(，,)，(4-15)設叫二 coc + na)in. hr »、，(pn= (coj , s(a)n)=stl 利用雅可比-安吉爾公式, 可得：e*麗=a# 玄人她。(4-16)/1=-00環(huán)形諧振器輸出光經(jīng)過光電探測器接收，得到光強輸出：，=|22?乂 m. w p-i(k-k)eoj-i(pk-(p.),(4-17)lk k而解調(diào)是利用一次諧波完成，所以經(jīng)過濾波后，只需考慮=±1項，則有： =kjk+w+'w+'coscomt + (pk+ (pk)»(4-18)k將余弦項展開，得：i = a

46、 cos coj + b sin coj ,(4-19)其屮，a =w+1 cos(外+1 -叭.)，(4-20)ks = -la a+aa+lw+lsin(na )，(4-21)k由bessel函數(shù)性質(zhì)可知，只需考慮a =±l，0的項，其他項的影響基本可以忽略。所以：a* = «/ojr1/zo/z1s()s1 cos (仍(pq) + */qjr_j/20/z_j50s_j cos(p_) ,(4-22)b'= -jjmsos、sin(奶-%) +人人九心久么 sin(%-_1),(4-23)解調(diào)時是利用正交鎖相法將正弦項提出，余弦舍去，所以輸出移頻與輸出電流

47、的關系只需用厚項代替。設聲光移頻器引入的頻率和關系數(shù)即不同光頻率下，具有和同損耗系數(shù)。在調(diào)制信號am=55mhz，角頻率wlooowz,環(huán)形諧振器腔長£ = 0.12/72,振幅傳遞因子與透射系數(shù)tz = ? = 0.95，有效折射率= 1.46情況下進行編程運算，求得移頻量為55mhz調(diào)制后頻差與解調(diào)信號關系圖，如圖4-3 所示。陀螺最佳的工作區(qū)域在頻差為0附近的線性區(qū)域。6000400020000-2000-400055mhz-600°3-2-1238x 10圖4-3移頻量55mhz的解調(diào)曲線。4.3聲光移頻器特性對集成光學陀螺性能影響分析4.3.1聲光移頻器光譜響應的

48、影響a聲光移頻器是頻率調(diào)制鎖相解調(diào)技術(shù)必不可少的元件，但聲光移頻器性能的 不足也可能給陀螺性能帶來影響。首先我們對聲光移頻器的光譜響應進行了測試， 即考察其對不同頻率或波長光波的透過率是否均勻，測量聲光移頻器光譜響應的 實驗框圖如圖4-5所示。pzt驅(qū)動<sg>oscilloscope圖4-5測量聲光移頻器移頻值與輸出關系實驗裝置圖。信號發(fā)生器發(fā)出一個鋸齒波信號，經(jīng)過pzt放大后加在可調(diào)窄線寬光纖激 光器上，使得激光器輸出波長隨鋸齒波調(diào)制而改變，激光器輸出功率為lmw。(a)52mhz調(diào)頻下輸出光強與鋸齒波信號。(b)54mhz調(diào)頻下輸出光強與鋸齒波信號。(c)56mhz調(diào)頻k輸出

49、光強與鋸齒波信號。圖4-6不同移頻值下聲光移頻器輸出與鋸齒波信號激光器通過聲光移頻器收到移頻，用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，用 示波器測量鋸齒波和輸出光轉(zhuǎn)換來的電信號，從而完成在一定頻移下，測量不同 頻率輸出光波的輸出光強。如圖4-5abc所示，經(jīng)過放大器放大的鋸齒波電壓在 050v范圍內(nèi)變化。激光器頻率調(diào)制系數(shù)約為o.llpm/v,所以在調(diào)制下波長范 圍為5.5pm。約5.5xlod()mhz。圖4-6顯示在不同移頻值下聲光移頻器輸出與鋸 齒波信號，盡管輸出電壓不同，但在同一移頻值下，輸出電壓相同，表明聲光移 頻器在所用帶寬內(nèi)具有均勻的頻譜響應，即在公式4-16屮可以認為4叫1。即所用聲

50、光移頻器不會因光譜響應引入附加的解調(diào)曲線變化。4.3.2聲光移頻器移頻響應的影響如圖4-7所示為測量控制聲光移頻器驅(qū)動電壓對應聲光移頻器移頻值實驗裝 置圖。頻率控制電伍vaofs驅(qū)動 h aofs頻譜儀圖4-7aofs驅(qū)動器控制電壓對應aofs移頻值測量實驗裝置圖。驅(qū)動器控制電壓利用壓控振蕩器頻率穩(wěn)定度好、控制靈敏度高、調(diào)頻范圍寬、 頻偏與控制電壓呈線性關系、適宜集成化等特點，通過改變控制輸入電壓就可以 實現(xiàn)對輸出頻率的控制。實驗中通過調(diào)節(jié)聲光移頻器驅(qū)動器的控制電壓，達到了 改變聲光移頻器移頻值的效果。利用萬用表測量驅(qū)動器控制電壓，頻譜儀直接讀 取驅(qū)動器輸出的頻率，對數(shù)據(jù)進行處理后，畫出驅(qū)動電壓對位移頻值關系圖，如 圖4-8所示。57i1 i' i1 i' i i1 i i i1.52.02.53.03.54 04.55.05.5驅(qū)動電壓vnhn酬瑕泛圖4-8驅(qū)動電壓與移頻值對應關系。從圖4-8