CN101701969B - 双y型腔双频激光加速度计 - Google Patents

Abstract

双Y型腔双频激光加速度计属于激光和精密测量技术领域，由光学模块、工作点选择与控制模块和信号采集与处理模块等组成。所述的光学模块由两支对称的Y型腔双频激光器和气体膜盒组成。利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为气体膜盒内传感气体的折射率变化，进而转化为Y型腔双频激光器的拍频输出，再利用双Y型腔结构，将两支Y型腔双频激光器的拍频差动，得到最终输出信号。所述的工作点选择与控制模块用来选择和控制加速度计的工作点，采用光强差的方法对双频激光器稳频。所述的信号采集与处理模块用来接收两支Y型腔双频激光器的输出拍频信号，计算出两拍频之差即为加速度计系统的最终输出信号。本发明双Y型腔双频激光加速度计是通过测量两支双频激光器的拍频之差的变化来测量载体的加速度，具有分辨率高、比例因子大、线性度好、数字式输出等特点。

Description

双Y型腔双频激光加速度计

技术领域

本发明是涉及一种高精度新型激光加速度计，尤其是气体膜盒式双频激光加速度计，属于激光和精密测量技术领域。

背景技术

加速度计是惯性导航与制导系统中的重要元件，它将受控或被测载体沿其输入轴方向的运动加速度转化为电信号或其它形式信号。加速度计的发展已经经历了几十年的历史，种类繁多。近代激光技术、光纤传感技术、微制造技术的发展给光学加速度计的研究提供了有利条件，光学加速度计以其高灵敏度、强抗电磁干扰能力等优点逐渐成为国内外加速度计研究的热点。

激光加速度计是建立在已经发展几十年的激光器理论和技术基础上的，它是将沿输入轴方向的加速度转化为激光器的输出频率变化，通过测量拍频来敏感加速度。国内外激光加速度计的专利较多，基本上可分为两大类。一是在激光器腔内置入晶体，加速度产生的应力引起晶体折射率的变化，进而引起输出频率的变化。该方案的专利较多，清华大学精密仪器国家重点实验室正在利用此方案进行研究(张书练.正交偏振激光原理[M].北京：清华大学出版社，2005.224～228)。二是利用加速度产生的惯性力，引起弹性敏感元件的形变，进而引起输出频率的变化。Jospeh P.Ficalora等人提出了利用激光器高反端镜形变引起的横模间差频变化来测量加速度的方案(Jospeh P.Ficalora，Oak Ridge，N.J.High Accuracy Laser Accelerometer：UnitedStates Patent，5456112[P].Oct.10，1995)。Litton公司的Graham J.Martin等人提出了L型腔的结构，加速度引起激光器一臂的形变进而产生左右旋偏振光的差频(Graham J.Martin，Canoga Park，Calif.Non-planar Ring Laser Accelerometer：United States Patent，4637255[P].Jan.20，1987)。总的说来，以上方案各有特色，但由于原理和技术上均存在着各自固有的缺点，目前世界上尚未有高精度激光加速度计研制成功的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以往激光加速度计方案的不足，提出了一种新型的分辨率高、比例因子大、线性度好的高精度激光加速度计系统方案-双Y型腔双频激光加速度计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由光学模块、工作点选择与控制模块和信号采集与处理模块等部分组成。光学模块是整个加速度计的核心，由两支对称的Y型腔双频激光器和气体膜盒组成。S光和P光被一偏振分光膜分开，分别形成两个非共用腔。气体膜盒被一超薄膜片分成两部分，其中均充有相同压强的传感气体(如氮气、二氧化碳、氙气等)，这两部分通过其上下两个通气管分别与两支激光器中非共用腔中的一支相通，该支非共用腔称为传感气体管。工作点选择与控制模块用来选择和控制加速度计的工作点，采用光强差的方法对双频激光器稳频。信号采集与处理模块用来接收两支Y型腔双频激光器的输出拍频信号，计算出两拍频之差即为加速度计系统的最终输出信号。

本发明的基本工作过程如下：当垂直于超薄膜片方向有加速度输入时，超薄膜片产生弹性形变，气体膜盒的上半部分体积增大(或减小)，下半部分体积减小(或增大)，则与膜盒上半部分相连的传感气体管内气体密度减小，折射率也相应减小，光学长度也随之减小，从而引起两段非共用腔光学长度差的改变，这样该支双频激光器的输出拍频，亦即S光和P光的频率差也将发生变化。同理，另外一支双频激光器的输出拍频将发生与之相反的变化。

本发明的工作原理详细分析如下：

当垂直于超薄膜片方向输入的加速度为a时，超薄膜片上所受均匀载荷为q₀＝ρ₀at，其中ρ₀为超薄膜片材料的密度，t为超薄膜片的厚度。根据弹性力学知识(徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2002.200～203.)，对于固定边圆形平面膜片受均匀载荷q₀时，超薄膜片上距离圆心r处的挠度为

$\mathrm{\ω}\left(r\right)=\frac{q_0{R}^4}{64D}{(1-\frac{r^2}{R^2})}^2---\left(1\right)$

其中， $D=\frac{E{t}^3}{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}$ 为超薄膜片的弯曲刚度，μ为超薄膜片材料的泊松比，E为其杨氏模量； $R=\frac{d}{2}$ 为超薄膜片半径。发生弹性形变后的超薄膜片与其初始平面围成的几何体体积即为加速度引起的气体膜盒体积的变化。容易推导出加速度a引起的气体膜盒上半部分的体积变化为

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{16}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\π}{R}^6}{E{t}^2}(1-{\mathrm{\μ}}^2)a---\left(2\right)$

忽略气体膜盒与传感气体管之间的通气管体积，气体膜盒和传感气体管初始总体积为

$V_0=\mathrm{\π}{R}^2\·{\text{\ϵ}}_1+{\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2\·L_1---\left(3\right)$

其中，L₁为传感气体管长，φ为传感气体管直径，ε₁为气体膜盒的上半部分高度。由式(2)和式(3)可得，加速度a引起的传感气体的密度变化为

$\mathrm{\Δ\ρ}=\mathrm{\ρ}\·\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_0}$

由格拉德斯通-戴尔(Gladstone-Dale)公式 $\frac{n-1}{\mathrm{\ρ}}=k$ (k为格拉德斯通-戴尔常数即G-D常数)，可得加速度a引起的传感气体的折射率变化为

${\mathrm{\Δn}}_1=k\·\mathrm{\Δ\ρ}=\mathrm{k\ρ}\·\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_0}=\mathrm{k\ρ}\·\frac{\frac{1}{16}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\π}{R}^6}{E{t}^2}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{\mathrm{\π}{R}^2\·{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2\·L_1}\·a---\left(4\right)$

加速度引起传感气体折射率的变化称为本发明的第一级敏感，气体膜盒也称为“第一级敏感元件”。

由激光器的驻波条件，Y型腔双频激光器中的激光频率须满足谐振条件

$v=\frac{1}{2}\·\frac{N\·c}{n_1\·L_1+n_0\·L_0}$

则传感气体的折射率变化引起谐振频率变化为

$\mathrm{\Δv}=v_0\frac{L_1}{n_1\·L_1+n_0\·L_0}\mathrm{\Δ}{n}_1---\left(5\right)$

气体折射率的变化引起Y型腔双频激光器输出拍频的变化称为本发明的第二级敏感，Y型腔双频激光器称为“第二级敏感元件”。

将(4)代入(5)式可得，加速度a引起的谐振频率变化Δv为

$\mathrm{\Δv}=\frac{1}{16}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0(1-{\mathrm{\μ}}^2)v_0}{E}\·\frac{\mathrm{k\ρ}\frac{R^6}{t^2}}{R^2{\mathrm{\ϵ}}_1{n}_0{L}_0\frac{1}{L_1}+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{n}_1{L}_1+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{n}_0{L}_0+R^2{\mathrm{\ϵ}}_1{n}_1}\·a---\left(6\right)$

令上式中 $f_0=\frac{1}{16}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0(1-{\mathrm{\μ}}^2)v_0}{E},$

$f_1=\frac{\mathrm{k\ρ}\frac{R^6}{t^2}}{R^2{\mathrm{\ϵ}}_1{n}_0{L}_0\frac{1}{L_1}+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{n}_1{L}_1+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{n}_0{L}_0+R^2{\mathrm{\ϵ}}_1{n}_1},$ SF＝f₀f₁，则(6)式可写为

Δv＝SF·a          (7)

其中f₀仅与超薄膜片的材料有关，f₁与加速度计的结构及气体膜盒的参数有关，SF为单支Y型双频激光器敏感加速度的比例因子。

对加速度计中的两支Y型腔双频激光器，由于加速度引起的传感气体折射率变化趋势相反，当垂直于超薄膜片方向输入的加速度为a时，它们的拍频输出分别为Δv₁＝SF₁·a和Δv₂＝-SF₂·a，那么加速度计的输出信号即为上下两支激光器的输出拍频之差即

Δv＝(SF₁+SF₂)·a    (8)

由(8)式，通过测量出上下两支激光器的输出拍频之差即可检测出加速度a的大小。

本发明的有益效果是：

(一)利用气体膜盒作为加速度的第一级敏感元件，首先将加速度转化为膜盒内气体的折射率变化，这种设计有三大优点：

由于系统是通过气体折射率将加速度信号传递到激光器的光路上，进而改变激光器的光学腔长的，而不改变激光器谐振腔的几何长度，与已有的其它方案相比，这种方案中加速度的输入并不影响激光器的光路结构，因此加速度计的光学模块结构和物理性能更加稳定；

由于气体膜盒和激光器完全分离，气体膜盒结构完全不受激光器限制，这种设计为进一步优化弹性敏感元件的结构提供了便利，可以通过改变气体膜盒的各种参数来提高系统的分辨率和其它性能指标；

加速度信号是通过气体折射率传递到加速度计上的，而外界噪声(主要指温度)是通过改变激光器的几何腔长传递到加速度计上的，它们对加速度计输出频率的影响途径不同，因此信号与噪声的分离成为可能，可以通过数字信号处理的方法进一步提高系统的分辨率。

(二)独特的双Y型腔结构，使得SP光共用增益区并同时起振，利用SP光的一次差动和对称的双Y型腔激光器的二次差动，很大程度的抑制了温度变化引起的噪声。单支双频激光器输出频率的一次差动基本消除了共用腔部分的温度影响；而两支双频激光器输出拍频的第二次差动则主要抑制由非共用腔部分温度梯度带来的零偏随机变化。

附图说明

图1为双Y型腔双频激光加速度计光学模块结构图；

图2为Y型腔双频激光器结构图；

图3为Y型腔双频激光器底部；

图4为气体膜盒的结构图；

图5为双Y型腔双频激光加速度计系统结构图

图中1为Y型腔双频激光器，2为气体膜盒，3、8和9为高反射率镜片或输出镜片，4为阴极，5为阳极，6为偏振分光膜，7为非共用腔，10为非共用腔(传感气体管)，11为增益区(内充有氦氖气体)，12为传感气体管上的通气孔，13为气体膜盒上的通气孔，14为超薄膜片，15为气体膜盒的盒体，16为信号采集与处理模块，17为工作点选择与控制模块，18为光学模块，a为输入加速度方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施示例作详细的说明。但不应因此限制本发明的保护范围。

如图5所示，双Y型腔双频激光加速度计由光学模块18、工作点选择与控制模块17和信号采集与处理模块16等部分组成。其中，工作点选择与控制模块17用来选择和控制加速度计的工作点，采用光强差的方法对双频激光器稳频；信号采集与处理模块16用来接收两支Y型腔双频激光器的输出拍频信号，计算出两拍频之差即为加速度计系统的最终输出信号；光学模块18是整个系统的核心。以下主要对本发明的实施示例中光学模块18的结构和工作机理作详细说明。

如图1所示，光学模块18由两支Y型腔双频激光器1和气体膜盒2组成。两支Y型腔双频激光器1与气体膜盒2之间采用光胶或粘连的方式固连。Y型腔双频激光器1和气体膜盒2之间由通气管(12，13)相连通。

如图2和图3所示，Y型腔双频激光器由高反射率镜片或输出片(3，8，9)、共用腔(包括增益区)11、非共用腔(7，10)和偏振分光膜6组成。高反射率镜片或输出片(3，8，9)以光胶的方式贴在共用腔(包括增益区)11和非共用腔(7，10)的端面上，形成谐振腔。共用腔(包括增益区)11中充有氦氖气体，作为增益介质。非共用腔10上有通气孔12。共用腔(包括增益区)11和非共用腔7一体化设计加工完成。偏振分光膜6镀制在非共用腔7的一个端面上，非共用腔7与共用腔(包括增益区)11和非共用腔7以光胶的方式固连在一起。Y型腔双频激光器的腔体(包括共用腔(包括增益区)11、非共用腔(7，10))材料可使用微晶玻璃或其它超低膨胀率材料。

如图4所示，气体膜盒盒体15是由微晶玻璃材料加工而成，其底面为圆形，膜盒盒体为一扁平状皿。超薄膜片14材料使用石英玻璃。超薄石英膜片14与两个气体膜盒盒体15以光胶或粘连的方式固连在一起，形成等容积的上下两部分，这就构成了气体膜盒。气体膜盒盒体15上有通气孔13。气体膜盒2的上下两部分均内充有等压强的传感气体。传感气体可选用二氧化碳、氮气、氙气等。

本实施示例的具体工作过程如下：

如图5所示，当垂直于超薄膜片14方向有加速度a输入时，超薄膜片14产生弹性形变，气体膜盒2(图4)的上半部分体积增大(或减小)，下半部分体积减小(或增大)，则与气体膜盒2上半部分相连的传感气体管10内气体密度减小，折射率也相应减小，光学长度也随之减小，从而引起两段非共用腔(7，10)光学长度差的改变，这样该支Y型腔双频激光器1的输出拍频将发生变化，也就是S光和P光的频率差也将发生变化。同理，另外一支Y型腔双频激光器1的输出拍频将发生与之相反的变化。工作点选择与控制模块17选择两支Y型腔双频激光器1运转的最佳频率，并采用等光强的方法稳定该频率。信号采集与处理模块16接收两支Y型腔双频激光器1的输出拍频，计算出它们的变化之差即为双Y型腔双频激光加速度计的系统输出信号。

Claims (8)

1.一种双Y型腔双频激光加速度计，由光学模块(18)、工作点选择与控制模块(17)和信号采集与处理模块(16)组成，其特征在于光学模块由气体膜盒(2)和两支对称的Y型腔双频激光器(1)组成，Y型腔双频激光器由高反率镜片(3，8，9)、共用腔(11)、第一非共用腔(7)、第二非共用腔(10)、偏振分光膜(6)组成；共用腔(11)和第二非共用腔(10)一体化加工完成，它们与第一非共用腔(7)以光胶的方式固连在一起；偏振分光膜(6)镀制在第一非共用腔(7)的一个端面上，三个高反射率镜片(3，8，9)以光胶的方式分别贴在共用腔(11)的端面上、第一非共用腔(7)的另一个端面上和第二非共用腔(10)的端面上，从而形成激光器的谐振腔；共用腔(11)中充有氦氖气体作为激光器的增益介质；两支Y型腔双频激光器(1)的第二非共用腔(10)与气体膜盒(2)分别由通气孔(12，13)相连通，两支Y型腔双频激光器(1)与气体膜盒(2)之间采用光胶或粘连的方式固连，利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为气体膜盒内传感气体的折射率变化，进而转化为Y型腔双频激光器的拍频输出，再利用双Y型腔结构，将两支Y型腔双频激光器的拍频差动，得到加速度计系统的最终输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于气体膜盒(2)由两个膜盒盒体(15)和一个超薄膜片(14)组成，两个膜盒盒体(15)与超薄膜片(14)对称地以光胶或粘连的方式固连在一起。

3.根据权利要求2所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于气体膜盒(2)的被超薄膜片(14)密闭的两个膜盒盒体(15)中均充有相同压强的传感气体，传感气体包括氮气、二氧化碳和氙气。

4.根据权利要求3所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于两个膜盒盒体均为扁平状皿，两个膜盒盒体上均开有通气孔(13)，两个膜盒盒体(15)的底面均是圆形或矩形。

5.根据权利要求3所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于膜盒盒体(15)的材料是微晶玻璃，超薄膜片(14)的材料是石英玻璃。

6.根据权利要求1所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于Y型腔双频激光器(1)利用偏振分光膜将S光和P光在空间上分开，从而形成两个非共用腔(7，10)，两个非共用腔(7，10)与共用腔11的位置关系为“Y”型或具有“Y”型分叉结构的其它形状。

7.根据权利要求1或权利要求6所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于Y型腔双频激光器(1)利用S光和P光在两个非共用腔中的光程差产生这两个偏振光的频率差，从而形成频率分裂。

8.根据权利要求1所述的一种双Y型腔双频激光加速度计，其特征在于工作点选择与控制模块(17)用于选择Y型腔双频激光器的工作点，并采用光强差方法稳频。

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