谐振式光学陀螺入谷信号的判断方案

　　0　引　　言

　　在谐振式光学陀螺中,由于Sagnac效应,环形谐振腔的旋转使得谐振腔的谐振频率发生了变化,从而产生了一个与旋转速度成正比的频率变化值。通过检测该频率变化值就可以得到系统的旋转角速度。在谐振陀螺系统中,关键是进行入谷电压的判断。在陀螺系统中,由于选择光源的不同,对入谷电压的判断不同。最初选用的KOHERAS光源,对于光源的调频要求不影响光功率的变化,因此入谷电压判断比较简单。但是由于光源体积大,不利于小型化,目前选用的光源体积小,但是调频会影响光功率的变化,因此入谷电压的判断比较复杂。谐振陀螺的检测示意图如图1所示。在陀螺运行后,程序控制光源进行频率扫描,当光源频率扫描到谐振频率时,就会产生入谷信号,程序就会将光源频率锁定在谐振频率处,在谐振谷中完成对转动信号的检测。本文正是基于对入谷信号的检测,对各种光源情况下的入谷信号进行了分析,并且对小光源的情况进行了重点的分析。并经过实验验证取得了预想的结果,为完成陀螺的小型化奠定了第一步。

　　1　光源扫频现象

　　在光源频率变化不影响光功率的情况下,对光源进行频率扫描,在谐振谷外,由于光源功率不随频率而改变,所以陀螺的输出为一条直线。在光源频率到达谐振频率时,大部分的光会在谐振腔内形成反射,透射光功率会有谷出现。谐振谷的图形如图2所示。

为了实现光源的小型化,选用了具有可连续调谐能力的外腔半导体激光器,半导体激光器可调谐因素有两个:分别为温度与电流。由于温度控制的不稳定性,所以一般采用电流进行频率扫描。由于电流不仅改变光源频率,还要改变光源功率[4-6]。所以对于入谷电压的判断显得更加重要。由于光源输出功率与温度成正比,所以采用外腔半导体激光器时,谐振谷图形如图3所示。

经过测试得出:光源功率与电流成线性关系,电流使用三角波调制之后,陀螺探测器检测到的信号也呈现三角波,在光源频率到达谐振频率时,光源功率值会有明显的变化。这对于检测入谷电压提出了很高的要求。

　　2　入谷电压的判断

　　2.1　光源功率不随频率改变的入谷判断

　　在光源功率不随频率改变时,对于入谷电压的判断比较简单,利用一个比较器,产生比较电压就可以将入谷电压提取出来。将±5 V电压接在滑动变阻器的两端,调节滑动变阻器的阻值,就可以调节比较电压,与信号源电压进行比较,经过放大电路放大之后,就可以转化为输出脉冲信号。作为入谷的判断信。电路如图4所示。

假设信号电压为VI,比较电压为Vset,运算放大器的输出电压设定为Vout。则根据运算放大器的特性,可以得到输出电压的表达式:由式(1)可以计算出运算放大器端的输出电压,为了节省利用稳压电源的数量,运算放大器的供电电压也是使用±5 V,将运放的电压使用电阻反馈来限制幅度。经过测量,输出端电压可以达到3.3 V左右,完全可以满足实际要求。谐振谷经过比较电路之后,适当调节滑动变阻器的阻值就可以得到理想的入谷电压信号。通过探测器之后在示波器上观察到得信号如图5所示