本發(fā)明涉及一種基于諧振腔內(nèi)調(diào)制的諧振式光學(xué)陀螺，屬于光學(xué)陀螺等光電傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
目前，針對(duì)光學(xué)傳感器，如何減小器件的結(jié)構(gòu)尺寸、降低器件制造成本、提高光學(xué)傳感器的集成化程度是國(guó)際上尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家各國(guó)政府、科技界、工業(yè)界追逐的高新技術(shù)。當(dāng)前，諧振式光學(xué)陀螺多采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)Y分支分為相同的兩束。調(diào)制信號(hào)輸出電路輸出調(diào)制信號(hào)至調(diào)制器PM1和調(diào)制器PM2，其中順時(shí)針?lè)较颍–W）的光經(jīng)過(guò)調(diào)制器PM1，調(diào)節(jié)傳輸光頻率偏移f1，之后經(jīng)過(guò)耦合器C2和C0進(jìn)入諧振腔。通過(guò)諧振腔的傳輸耦合，再?gòu)牧硪惠斎攵溯敵?，?jīng)過(guò)耦合器C1到達(dá)探測(cè)器A，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后反饋給光源，將光源的頻率鎖定在CW的諧振頻率上。逆時(shí)針光(CCW)經(jīng)過(guò)調(diào)制器PM2，調(diào)節(jié)光頻率偏移f2，之后經(jīng)過(guò)耦合器C1和C0進(jìn)入諧振腔。通過(guò)諧振腔的傳輸耦合，再?gòu)牧硪惠斎攵溯敵?，?jīng)過(guò)耦合器C2到達(dá)探測(cè)器B，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后，作為陀螺的輸出。通過(guò)檢測(cè)到達(dá)探測(cè)器的光信號(hào)的差值，就可以得到頻率差，從而得知角速度值。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，諧振腔選用光纖或二氧化硅波導(dǎo)，而調(diào)制器部分選用集成光學(xué)LiNbO3調(diào)制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。這樣，調(diào)制器與諧振腔材料的差異成為整個(gè)陀螺系統(tǒng)集成化程度無(wú)法大幅度提高的一個(gè)重要限制因素。同時(shí)，調(diào)制器兩臂的調(diào)制差異性（頻率調(diào)制差異、光強(qiáng)調(diào)制差異、半波電壓差異），都將對(duì)陀螺性能產(chǎn)生重大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決諧振式光學(xué)陀螺中非模塊化、難于集成、誤差大、成本高的問(wèn)題，提出一種基于諧振腔內(nèi)調(diào)制的諧振式光學(xué)陀螺。一種基于諧振腔內(nèi)調(diào)制的諧振式光學(xué)陀螺，包括光源、隔離器、耦合器C0、耦合器C1、耦合器C2、無(wú)源Y分支耦合器、諧振腔、調(diào)制器、第一探測(cè)器、第二探測(cè)器、第一信號(hào)處理電路、第二信號(hào)處理電路、調(diào)制信號(hào)輸出電路；光源發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)進(jìn)入隔離器，光信號(hào)通過(guò)隔離器單向傳輸，輸出至無(wú)源Y分支耦合器，無(wú)源Y分支耦合器將光信號(hào)分成相等的兩束光，一路通過(guò)耦合器C2進(jìn)入耦合器C0，通過(guò)耦合器C0進(jìn)入諧振腔，形成順時(shí)針CW光路，另外一路通過(guò)耦合器C1進(jìn)入耦合器C0，通過(guò)耦合器C0進(jìn)入諧振腔，形成逆時(shí)針CCW光路；諧振腔中設(shè)有調(diào)制器，調(diào)制信號(hào)輸出電路輸出調(diào)制電信號(hào)加載給調(diào)制器，通過(guò)對(duì)調(diào)制器加載調(diào)制信號(hào)，改變諧振腔的有效折射率，使折射率達(dá)到設(shè)定值；諧振腔內(nèi)順時(shí)針CW光路經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制，輸出至第一探測(cè)器，第一探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出至第一信號(hào)處理電路，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波處理，輸出至光源，對(duì)光源進(jìn)行控制，使得光源輸出光頻率始終為f0，實(shí)現(xiàn)頻率鎖定；諧振腔內(nèi)逆時(shí)針CCW光路經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制，輸出至第二探測(cè)器，第二探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出至第二信號(hào)處理電路，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波處理，作為陀螺的輸出，根據(jù)陀螺的輸出檢測(cè)到角速率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）本發(fā)明提出的陀螺去除了外部?jī)陕氛{(diào)制器結(jié)構(gòu)，而采用諧振腔內(nèi)部調(diào)制，簡(jiǎn)化了陀螺模型，大大提高了陀螺的集成化程度；（2）諧振腔的諧振特性增強(qiáng)了調(diào)制特性，使得調(diào)制電壓降低。且只有一個(gè)調(diào)制臂，卻是雙倍的調(diào)制效果，降低了系統(tǒng)功耗。且調(diào)制方波頻率可以很低，例如幾個(gè)KHz，對(duì)電路帶寬的要求很低；（3）腔內(nèi)調(diào)制對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式可采用簡(jiǎn)單的周期方波調(diào)制曲線，相對(duì)于外部調(diào)制所常用的三角波調(diào)制曲線，消除了三角波的非線性誤差，避免了波形的非對(duì)稱性，有利于提高陀螺的整體精度。附圖說(shuō)明圖1是現(xiàn)有技術(shù)中諧振式光學(xué)陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a是本發(fā)明諧振腔內(nèi)調(diào)制的陀螺信號(hào)鎖頻示意圖；圖3b是本發(fā)明諧振腔內(nèi)調(diào)制的陀螺信號(hào)檢測(cè)示意圖。圖中：1-光源2-隔離器3-耦合器C04-耦合器C15-耦合器C26-無(wú)源Y分支耦合器7-諧振腔8-調(diào)制器9-第一探測(cè)器10-第二探測(cè)器11-第一信號(hào)處理電路12-第二信號(hào)處理電路13-調(diào)制信號(hào)輸出電路具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于諧振腔內(nèi)調(diào)制的諧振式光學(xué)陀螺，如圖2所示，采用諧振腔的一部分作為調(diào)制器，替換掉腔外部調(diào)制器，包括光源1、隔離器2、耦合器C03、耦合器C14、耦合器C25、無(wú)源Y分支耦合器6、諧振腔7、調(diào)制器8、第一探測(cè)器9、第二探測(cè)器10、第一信號(hào)處理電路11、第二信號(hào)處理電路12、調(diào)制信號(hào)輸出電路13。光源1發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)進(jìn)入隔離器2，光信號(hào)通過(guò)隔離器2單向傳輸，隔離器2使得回來(lái)的光信號(hào)無(wú)法到達(dá)光源1，隔離器2連接無(wú)源Y分支耦合器6輸入端，耦合器C14、耦合器C25分別與Y分支耦合器6的兩個(gè)輸出端相連，無(wú)源Y分支耦合器6將光信號(hào)分成相等的兩束光，一路通過(guò)耦合器C25進(jìn)入耦合器C03，通過(guò)耦合器C03進(jìn)入諧振腔7，形成順時(shí)針CW光路，另外一路通過(guò)耦合器C14進(jìn)入耦合器C03，通過(guò)耦合器C03進(jìn)入諧振腔7，形成逆時(shí)針CCW光路；諧振腔7中設(shè)有調(diào)制器8，調(diào)制信號(hào)輸出電路13輸出調(diào)制電信號(hào)加載給調(diào)制器8，通過(guò)對(duì)調(diào)制器8加載調(diào)制信號(hào)，改變諧振腔7內(nèi)的有效折射率，使折射率達(dá)到設(shè)定值。諧振腔7中的輸入光在沿諧振腔7光路傳輸過(guò)程中，經(jīng)過(guò)調(diào)制器8。調(diào)制器8所提供的調(diào)制信號(hào)，改變的是諧振腔7中波導(dǎo)的有效折射率，從而改變了諧振腔7的諧振特性曲線。以方波調(diào)制信號(hào)為例，當(dāng)不加調(diào)制信號(hào)時(shí)，諧振腔7的諧振特性曲線如圖3（a）所示中間曲線，諧振頻率為f0；當(dāng)加方波調(diào)制信號(hào)時(shí)，方波電壓±V導(dǎo)致的折射率變化量為±Δn，由公式（1）得到調(diào)制長(zhǎng)度為L(zhǎng)的調(diào)制器帶來(lái)的相位變化為由公式（2）得到頻率變化量為±Δf，式中τ為光在諧振腔7中傳輸一圈所用時(shí)間。由此得出，當(dāng)加方波信號(hào)時(shí)，諧振曲線分別向左右兩個(gè)方向偏移Δf。對(duì)于順時(shí)針CW方向傳輸?shù)墓?，?dāng)調(diào)制信號(hào)輸出電路13輸出方波調(diào)制信號(hào)加載給調(diào)制器8時(shí)，若光源的輸出光頻率為f0，則諧振腔7與第一探測(cè)器9相連接的光輸出端所輸出光信號(hào)為直流信號(hào)；若光源輸出光頻率不為f0，則諧振腔7的輸出光信號(hào)為交流方波信號(hào)。此光信號(hào)接入第一探測(cè)器9，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)接入第一信號(hào)處理電路11，經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理，輸出電信號(hào)給光源，對(duì)光源進(jìn)行控制，使得光源輸出光頻率始終為f0。對(duì)于逆時(shí)針CCW方向傳輸?shù)墓?。?dāng)陀螺處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，此時(shí)光源的輸出光頻率為f0，則諧振腔7與第二探測(cè)器10相連接的光輸出端所輸出光信號(hào)為直流信號(hào)；若陀螺處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則諧振腔7的輸出光信號(hào)為交流方波信號(hào)。此光信號(hào)接入第二探測(cè)器10，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)接入第二信號(hào)處理電路12，經(jīng)過(guò)放大、濾波等信號(hào)處理，輸出電信號(hào)，作為陀螺系統(tǒng)的輸出。工作原理：光源1發(fā)出的光經(jīng)隔離器后，經(jīng)過(guò)無(wú)源Y分支耦合器6分成相等的兩束光。其中一路通過(guò)耦合器C25和耦合器C03進(jìn)入諧振腔7，形成順時(shí)針CW光路；另外一路通過(guò)耦合器C14和耦合器C03進(jìn)入諧振腔7，形成逆時(shí)針CCW光路。諧振腔7中帶有調(diào)制器8。順逆時(shí)針的光每傳輸一圈，則經(jīng)過(guò)一次調(diào)制，調(diào)制量相同。假設(shè)CW光路為鎖頻路，則CCW則為陀螺輸出路。對(duì)諧振腔7內(nèi)的調(diào)制器8加調(diào)制信號(hào)（方波調(diào)制、正弦波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制等等），調(diào)制電壓的變化導(dǎo)致調(diào)制區(qū)的折射率變化，從而改變了整個(gè)諧振腔7的有效折射率。根據(jù)諧振腔的輸出特性f=2πnL/λ，f為諧振腔中心頻率，n為波導(dǎo)諧振腔7有效折射率，L為諧振腔7腔長(zhǎng)，λ為傳輸光波長(zhǎng)。當(dāng)折射率變化時(shí)，諧振腔7的中心頻率發(fā)生改變。當(dāng)所加調(diào)制信號(hào)為周期性電信號(hào)時(shí)，則諧振曲線周期性左右擺動(dòng)。結(jié)果導(dǎo)致入腔光頻率不變，變的是諧振曲線。假設(shè)調(diào)制信號(hào)對(duì)諧振腔7產(chǎn)生的頻率偏移為fPM，光源頻率f0，則諧振曲線諧振頻率分別為f0+fFM和f0-fFM。如圖3所示。當(dāng)進(jìn)行頻率鎖定時(shí)，假設(shè)將光源1輸出頻率鎖定在諧振腔7未加調(diào)制時(shí)CW的諧振頻率。方法如圖3（a）所示。這里以最簡(jiǎn)單的方波調(diào)制為例。設(shè)光源輸出光頻率為f，未加調(diào)制時(shí)，諧振腔7輸出曲線為黑色點(diǎn)線所示，諧振頻率為f0。當(dāng)加調(diào)制信號(hào)使得諧振頻率變化為±fPM，則諧振曲線在方波正半周期對(duì)應(yīng)諧振頻率為f0+fFM，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為I1；在方波負(fù)半周期對(duì)應(yīng)諧振頻率f0-fFM，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為I2。若光源1頻率為f=f0，則I1=I2，為鎖定狀態(tài)；若光源頻率f偏離f0，則I1≠I2，此時(shí)第一探測(cè)器9檢測(cè)到的光信號(hào)為方波信號(hào)，方波幅值為I1和I2。將|I1-I2|的值轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，調(diào)節(jié)光源1的輸出光頻率，直至使得f=f0。實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，輸出為直流信號(hào)。頻率鎖定后，CCW的輸出曲線特性相同，如圖3（b）所示。若諧振腔7不旋轉(zhuǎn)，CW和CCW兩路輸出曲線重合，諧振頻率fCW=fCCW=f0，第二探測(cè)器10的輸出為一條直線。諧振腔7旋轉(zhuǎn)時(shí)，CW和CCW兩路光分離，CW產(chǎn)生頻差fCW-fCCW=Δf，第二探測(cè)器10輸出為方波信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)這一方波信號(hào)的大小，就可以得到頻率偏移的大小，從而實(shí)現(xiàn)角速率的檢測(cè)。至此實(shí)現(xiàn)了諧振式光學(xué)陀螺的鎖頻與輸出全過(guò)程。其中，本發(fā)明所提到的諧振腔7可選用以下三種：光纖（單模光纖或保偏光纖）、無(wú)源波導(dǎo)、具有電光調(diào)制特性的波導(dǎo)。若選用光纖做諧振腔7，此時(shí)腔內(nèi)調(diào)制器8可選用PZT（壓電陶瓷），將光纖纏繞在PZT，通過(guò)對(duì)PZT加電，改變光纖的長(zhǎng)度，從而改變諧振腔7的諧振頻率；也可采用其他波導(dǎo)型相位調(diào)制器（采用鈮酸鋰波導(dǎo)調(diào)制器或硅波導(dǎo)調(diào)制器）與光纖對(duì)接形成諧振腔7，通過(guò)電光調(diào)制特性改變波導(dǎo)的有效折射率，從而改變諧振頻率。若選用無(wú)源波導(dǎo)做諧振腔7，例如二氧化硅、氮化硅、玻璃等，則可通過(guò)對(duì)調(diào)制區(qū)部分進(jìn)行離子摻雜等加工工藝實(shí)現(xiàn)調(diào)制特性。若諧振腔7選用具有電光調(diào)制特性的波導(dǎo)，例如LiNbO3材料、硅基材料、有機(jī)聚合物材料、Ⅲ-Ⅴ族等有源材料，則可應(yīng)用電光效應(yīng)或等離子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制特性。對(duì)于熱光系數(shù)較大的波導(dǎo)材料（例如硅等），也可通過(guò)熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。本發(fā)明適用于各種諧振式光學(xué)陀螺結(jié)構(gòu)。光源1可選用窄線寬的光纖光源或半導(dǎo)體光源。本發(fā)明的創(chuàng)造性體現(xiàn)在：（1）諧振腔7的一部分作為調(diào)制器8，可替代外部的調(diào)制器，大大提高了光學(xué)陀螺的集成化程度。（2）諧振腔可選擇光纖、具有電光調(diào)制特性的波導(dǎo)或無(wú)源波導(dǎo)，以及各自所對(duì)應(yīng)的調(diào)制方法的實(shí)現(xiàn)。（3）諧振腔內(nèi)的調(diào)制器調(diào)制信號(hào)可選擇方波調(diào)制、正弦波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制等等，以實(shí)現(xiàn)頻率的偏移。（4）本發(fā)明適用于應(yīng)用諧振腔作為傳感器的光路系統(tǒng)。