CN102759634B - 闭环控制的干涉型光纤加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环控制的干涉型光纤加速度计。光从光源输出，光源的输出端与第一耦合器的第一输入端连接，第一耦合器的输入输出端与波导耦合器部分的输入输出端连接，探测器与第一耦合器的第一输出端连接；波导耦合器部分的第一输出端、第二输入端、第二输出端和第一输入端分别与第一隔离器输入端、第二隔离器输出端以及光纤柔性盘的第二输入端、第一输出端连接；光纤柔性盘的第一输入端经第一光纤环与第一隔离器的输出端连接，光纤柔性盘的第二输出端经第二光纤环与第二隔离器的输入端连接。本发明闭环调制检测方式抗干扰能力强，稳定性高，线性度好，精度与测量值无关，动态范围大，这样使该系统降低了噪声与飘移，提高精度与稳定性。

Description

闭环控制的干涉型光纤加速度计

技术领域

本发明涉及一种光纤加速度计，尤其是涉及一种闭环控制的干涉型光纤加速度计。

技术背景

光纤加速度计是一种光-机-电技术一体化的新型惯性系统，由于光纤加速度计具有抗电磁干扰，灵敏度高，能在恶劣环境(高温，高压力、高场强、易燃，易爆、强腐蚀等)下工作，体积小，重量轻，成本低等优点，已成为近年研究的热点。

随着技术的发展，对加速度计的灵敏度、频率响应要求也越来越高。但由于光的频率一般为10¹⁴Hz，光检测器不能跟踪这样高的频率，所以相位调制信号不能直接被探测到。一般将相位调制转换成强度调制，将相位检测转换成强度检测。作为一种惯性系统，加速度计常与陀螺一同使用，现有的陀螺信号的调制与检测技术较成熟，如能在加速度计的信号调制与检测中应用将会带来较大的优势，但现有的加速度计的结构还不能直接沿用陀螺信号的调制检测系统。

发明内容

为了解决技术背景中存在的问题，本发明的目的在于提供一种闭环控制的干涉型光纤加速度计，使检测灵敏度提高，也便于陀螺与加速度计共用一套调制系统。

本发明采用的技术方案是：

光从光源输出，光源的输出端与第一耦合器的第一输入端连接，第一耦合器的输入输出端与波导耦合器部分的输入输出端连接，探测器与第一耦合器的第一输出端连接；波导耦合器部分的第一输出端、第二输入端、第二输出端和第一输入端分别与第一隔离器输入端、第二隔离器输出端以及光纤柔性盘的第二输入端、第一输出端连接；光纤柔性盘的第一输入端经第一光纤环与第一隔离器的输出端连接，光纤柔性盘的第二输出端经第二光纤环与第二隔离器的输入端连接。

所述的波导耦合器部分包括Y波导、第二耦合器和第三耦合器； Y波导的第一输入输出端与第二耦合器的第一输入输出端连接，Y波导的第二输入输出端与第三耦合器的第一输入输出端连接；

Y波导的输入输出端与所述第一耦合器的输入输出端连接，第二耦合器的第一输出端与所述第一隔离器输入端连接，第二耦合器的第二输入端与所述第二隔离器输出端连接，第三耦合器的第二输出端、第一输入端分别与所述光纤柔性盘的第二输入端、第一输出端连接。

所述的波导耦合器部分采用集成光学芯片；集成光学芯片结构如下：在铌酸锂基片上的Y形大分支的两个分支端分别光刻有第一Y形小分支和第二Y形小分支，Y形大分支的两个分支端分别作为第一Y形小分支和第二Y形小分支的合束端， 在Y形大分支的两个分支端的两侧均镀有电极；Y形大分支的合束端与所述第一耦合器的输入输出端连接，第一Y形小分支的两个分支端分别与所述第一隔离器输入端、第二隔离器输出端连接，第二Y形小分支的两个分支端分别与所述光纤柔性盘的第二输入端、第一输出端连接。

所述的Y波导输入输出端到第二隔离器输出端的光程L1与Y波导输入输出端到光纤柔性盘第一输出端的光程L2之间的光程差满足|L1-L2|<20微米。

所述的Y波导输入输出端到第二耦合器第二输入端的光程L3与Y波导输入输出端到第三耦合器第一输入端的光程L4之间的光程差满足|L3-L4|<20微米。

本发明具有的有益效果是：

本发明使光纤加速度计信号的调制检测可以借用成熟的干涉式光纤陀螺的闭环调制检测方式，也为陀螺与加速度计共用一套调制系统提供了可能。闭环调制检测方式抗干扰能力强，稳定性高，线性度好，精度与测量值无关，动态范围大，这样使该系统降低了噪声与飘移，提高精度与稳定性。

附图说明：

图1是本发明采用Y波导、第二耦合器和第三耦合器的结构示意图。

图2是集成光学芯片结构示意图。

图3是本发明采用集成光学芯片的结构示意图。

图4是光纤柔性盘表面示意图。

图5是本发明光程差匹配结构示意图。

图6是本发明及其调制系统的示意图。

图中：1.光源，2.探测器，3.第一耦合器，4.Y波导，5.第二耦合器，6.第三耦合器，7.第一隔离器，8.第二隔离器，9.第一光纤环，10.第二光纤环，11.光纤柔性盘，12.A/D转换器，13.数字信号处理单元，14.D/A转换器，15.集成光学芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括以下结构：光从光源1输出，光源1的输出端与第一耦合器3的第一输入端A连接，第一耦合器3的输入输出端C与波导耦合器部分的输入输出端D连接，探测器2与第一耦合器3的第一输出端B连接；波导耦合器部分的第一输出端、第二输入端、第二输出端和第一输入端分别与第一隔离器7输入端M、第二隔离器8输出端N以及光纤柔性盘11的第二输入端U、第一输出端V连接；光纤柔性盘11的第一输入端R经第一光纤环9与第一隔离器7的输出端O连接，光纤柔性盘11的第二输出端Q经第二光纤环10与第二隔离器8的输入端P连接。

如图1所示，波导耦合器部分包括Y波导4、第二耦合器5和第三耦合器6； Y波导4的第一输入输出端E与第二耦合器5的第一输入输出端G连接，Y波导4的第二输入输出端F与第三耦合器6的第一输入输出端H连接；Y波导4的输入输出端D与所述第一耦合器3的输入输出端C连接，第二耦合器5的第一输出端I与所述第一隔离器7输入端M连接，第二耦合器5的第二输入端J与所述第二隔离器8输出端N连接，第三耦合器6的第二输出端K与所述光纤柔性盘11的第二输入端U连接，第三耦合器6的第一输入端L与所述光纤柔性盘11的第一输出端V连接。

如图3所示，所述的波导耦合器部分采用集成光学芯片15；如图2所示，集成光学芯片15结构如下：在铌酸锂基片上的Y形大分支的两个分支端分别光刻有第一Y形小分支和第二Y形小分支，Y形大分支的两个分支端分别作为第一Y形小分支和第二Y形小分支的合束端， 在Y形大分支的两个分支端的两侧均镀有电极；Y形大分支的合束端与所述第一耦合器3的输入输出端C连接，第一Y形小分支的两个分支端分别与所述第一隔离器7输入端M、第二隔离器8输出端N连接，第二Y形小分支的两个分支端分别与所述光纤柔性盘11的第二输入端U、第一输出端V连接。

Y波导4输入输出端D到第二隔离器8输出端N的光程L1与Y波导4输入输出端D到光纤柔性盘11第一输出端V的光程L2之间的光程差满足|L1-L2|<20微米。

Y波导4输入输出端D到第二耦合器5第二输入端J的光程L3与Y波导4输入输出端到第三耦合器6第一输入端L的光程L4之间的光程差满足|L3-L4|<20微米。

如图4所示，光纤柔性盘11的结构为两面对称布置光纤，光纤以螺旋式单层粘贴在柔性盘表面，那么在每个表面会有两个端口，把其中一个作为输入端，另一端作为输出端，这样就形成了两个输入端与两个输出端，其中两输入端分别为第一输入端R、第二输入端U，两输出端分别为第一输出端V、第二输出端Q。因为要采用光纤陀螺的高精度的调制解调方法，一般要求光纤的长度大于300米，这样能达到调制频率。而一般的光纤加速度计中柔性盘上的光纤长度小于100米，所以将光纤柔性盘11与第一、第二光纤环相连接达到所需长度，如果光纤柔性盘11上的光纤长度可以达到调制频率的要求，就不用连接第一、第二光纤环。

如图1所示，本发明的光路结构含有两个干涉臂：

第一干涉臂：光从光源1输出经第一耦合器3传到波导耦合器部分中，然后光从波导耦合器部分的第一输出端依次经第一隔离器7、第一光纤环9传到光纤柔性盘11中，再从光纤柔性盘11的第一输出端V传回到波导耦合器部分中，最后从波导耦合器部分经第一耦合器3传到探测器2后被接收。

第二干涉臂：光从光源1输出经第一耦合器3传到波导耦合器部分中，然后从波导耦合器部分的第二输出端传到光纤柔性盘11中，再从光纤柔性盘11的第二输出端Q依次经第二光纤环10、第二隔离器8传回到波导耦合器部分中，最后从波导耦合器部分经第一耦合器3传到探测器2后被接收。

本发明采用如下的两个干涉臂光程差匹配方法：

两个干涉臂光路的光程差要符合光源谱宽的要求，设光源的光谱宽度为                                               

，要求两个干涉臂的最大光程差Δ为

，所以要保证两个干涉臂光路的光程差小于最大光程差Δ。

为了达到上述要求，本发明对光路进行光程匹配。对于波导耦合器部分采用集成光学芯片15的本发明光路结构，使用高精度反射仪AQ7410B对光路进行测量，高精度反射仪AQ7410B的最高精度可达20μm，根据Δ=，如使用光源波长为1550nm，可计算出光程差20μm所对应的光源谱宽可达约120nm，所以该光路使用光源谱宽α<120nm。将集成光学芯片15的Y形大分支的合束端与高精度反射仪AQ7410B相连接。如图5所示，用高精度反射仪AQ7410B测量从集成光学芯片15到第二隔离器8输出端N的光程L1，用高精度反射仪AQ7410B测量集成光学芯片15Y形大分支的合束端到光纤柔性盘11第一输出端V的光程L2，若L1-L2>1mm，用光纤切割刀切割第二隔离器8输出端N的光纤尾纤，使|L1-L2|<1mm，若L2-L1>1mm，用光纤切割刀切割光纤柔性盘11第一输出端V的光纤尾纤，使|L1-L2|<1mm；此时分别将第二隔离器8输出端N的光纤尾纤与光纤柔性盘11第一输出端V的光纤尾纤嵌入到铌酸锂为基底的晶体头中，用高精度反射仪AQ7410B再次测量光程L1、光程L2，用研磨机研磨较长端的光纤尾纤，一边研磨一边测量，直至光程差达到高精度反射仪的最高精度，最高精度为20微米。集成光学芯片15在制作时已保证了内部的光程匹配。将高精度反射仪AQ7410B撤掉，将晶体头与集成光学芯片15的分束端对接，将第一耦合器3输入输出端C与集成光学芯片15的Y形大分支的合束端对接。

如图1所示的光路结构，匹配两个干涉臂光路的光程方法与上述方法类似。连接光路时，保持图1中第二隔离器8输出端N与第二耦合器5第二输入端J断开，光纤柔性盘11第一输出端V与第三耦合器6第一输入端L断开。那么会形成四路两组光路：一组为光源1经过第一耦合器3、Y波导4后分别经过第二耦合器5到达第二耦合器5第二输入端J与第三耦合器6达到第三耦合器6第一输入端L，另一组为光源经过第一耦合器1、Y波导4后分别经过第一隔离器7，第一光纤环9，光纤柔性盘11到达光纤柔性盘11第一输出端V与经过光纤柔性盘11，第二光纤环10，第二隔离器8到第二隔离器8输出端N。两组光路分别按上述方法控制光程，最后对接。

仿照光纤陀螺的调制系统，本发明的调制系统为数字闭环调制。如图6所示，光探测器实现光电转化功能，与前置放大器相连，而后将信号A/D转换器12进行A/D转化，得到数字信号，输入数字信号处理单元13，即DSP，对信号进行解调，积分，生成调制波，并从寄存器输出光纤加速度计的信号，将调制波信号经D/A转换器14进行D/A转换，经过放大后加载到Y波导上进行调制。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种闭环控制的干涉型光纤加速度计，其特征在于：光从光源（1）输出，光源（1）的输出端与第一耦合器（3）的第一输入端连接，第一耦合器（3）的输入输出端与波导耦合器部分的输入输出端连接，探测器（2）与第一耦合器（3）的第一输出端连接；波导耦合器部分的第一输出端、第二输入端、第二输出端和第一输入端分别与第一隔离器（7）输入端、第二隔离器（8）输出端以及光纤柔性盘（11）的第二输入端、第一输出端连接；光纤柔性盘（11）的第一输入端经第一光纤环（9）与第一隔离器（7）的输出端连接，光纤柔性盘（11）的第二输出端经第二光纤环（10）与第二隔离器（8）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种闭环控制的干涉型光纤加速度计，其特征在于：所述的波导耦合器部分包括Y波导（4）、第二耦合器（5）和第三耦合器（6）； Y波导（4）的第一输入输出端与第二耦合器（5）的第一输入输出端连接，Y波导（4）的第二输入输出端与第三耦合器（6）的第一输入输出端连接；Y波导（4）的第三输入输出端，即波导耦合器部分的输入输出端，与所述第一耦合器（3）的输入输出端连接，第二耦合器（5）的第一输出端与所述第一隔离器（7）输入端连接，第二耦合器（5）的第二输入端与所述第二隔离器（8）输出端连接，第三耦合器（6）的第二输出端、第一输入端分别与所述光纤柔性盘（11）的第二输入端、第一输出端连接。

3.根据权利要求1所述的一种闭环控制的干涉型光纤加速度计，其特征在于：所述的波导耦合器部分采用集成光学芯片（15）；集成光学芯片（15）结构如下：在铌酸锂基片上的Y形大分支的两个分支端分别光刻有第一Y形小分支和第二Y形小分支，Y形大分支的两个分支端分别作为第一Y形小分支和第二Y形小分支的合束端， 在Y形大分支的两个分支端的两侧均镀有电极；Y形大分支的合束端，即波导耦合器部分的输入输出端与所述第一耦合器（3）的输入输出端连接，第一Y形小分支的两个分支端，即波导耦合器部分的第一输出端和第二输入端分别与所述第一隔离器（7）输入端、第二隔离器（8）输出端连接，第二Y形小分支的两个分支端，即波导耦合器部分的第二输出端和第一输入端分别与所述光纤柔性盘（11）的第二输入端、第一输出端连接。

4.根据权利要求2所述的一种闭环控制的干涉型光纤加速度计，其特征在于：所述的Y波导（4）第三输入输出端到第二隔离器（8）输出端的光程L1与Y波导（4）第三输入输出端到光纤柔性盘（11）第一输出端的光程L2之间的光程差满足|L1-L2|<20微米。

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