CN106680535A - 基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计，包括窄线宽光纤DBR激光光源、保偏光纤3dB耦合器、合束耦合器、光纤布拉格光栅、副悬臂梁、主悬臂梁、质量块、光源驱动、频率调制装置、检波装置、相位调制装置、调制信号发生装置、光电探测器、检波电路、边框；本发明抗干扰能力强，数字输出特性从本质上避免各种光强起伏干扰，同时采用光信号作为信息载体，可以有效降低电磁干扰对加速度测量精度的影响，可靠性高，稳定性好。

Description

基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学 加速度计

技术领域

本发明是一种基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计，属于惯性导航技术领域。

背景技术

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。光纤布喇格光栅(fiber bragggrating，FBG)是周期小于1μm的短周期光纤光栅，其特点是传输方向相反的两个芯模之间发生耦合，属于反射型带通滤波器。

由FBG的布喇格方程可知，布喇格波长取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率。能够引起他们发生变化的外界因素，都将引起布喇格波长漂移，纵向应变便是其中最直接的因素之一。应变改变布喇格光栅是光纤的弹性效应和弹光效应的共同作用的结果。弹性效应会改变光栅的栅格周期；弹光效应使光纤光栅的有效折射率产生改变。光纤光栅的纵向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反向耦合模的有效折射率。对于保偏光纤，当光纤材料选定后，其灵敏度系数将为一定值，这就从根本上保证了FBG作为轴向应变传感器时具有良好的线性输出特性。

两个振幅相同，振动方向相同、且在同一方向传播，但频率接近的单色光波的叠加，其合成波是一个振幅受到低频调制的波，这种现象称为拍，拍频为两个叠加单色光波的频率之差，相对于光频，拍频相对较低，比较容易被探测到。

发明内容

本发明的目的是为了解决现阶段电容式加速度计测试方式中检测精度不足、检测及控制信号相互干扰的问题，提出基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计，其结构简单、灵敏度高、数字输出、抗干扰能力强。

一种基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计，包括窄线宽光纤DBR激光光源、第一保偏光纤3dB耦合器、第二保偏光纤3dB耦合器、第三保偏光纤3dB耦合器、合束耦合器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第一副悬臂梁、第二副悬臂梁、主悬臂梁、质量块、光源驱动、第四保偏光纤3dB耦合器、第五保偏光纤3dB耦合器、第一频率调制装置、第二频率调制装置、第一检波装置、第二检波装置、第一相位调制装置、第二相位调制装置、第一调制信号发生装置、第二调制信号发生装置、光电探测器、检波电路、边框；

光源驱动与窄线宽光纤DBR激光光源连接；窄线宽光纤DBR激光光源光出射端与第一保偏光纤3dB耦合器连接；第一保偏光纤3dB耦合器两出射端分别与第一频率调制装置、第二频率调制装置连接；第一频率调制装置、第二频率调制装置调制信号输入端与第一检波装置、第二检波装置连接，光信号输出端与第四保偏光纤3dB耦合器、第五保偏光纤3dB耦合器连接；第四保偏光纤3dB耦合器、第五保偏光纤3dB耦合器同时与合束耦合器连接，并分别与第一相位调制装置、第二相位调制装置连接，两相位调制装置分别连接第一调制信号发生装置、第二调制信号发生装置；第一相位调制装置、第二相位调制装置光信号输出端与第二保偏光纤3dB耦合器、第三保偏光纤3dB耦合器连接，两耦合器同时与第一检波装置、第二检波装置及第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅连接；第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅贴合于第一副悬臂梁、第二副悬臂梁上；第一副悬臂梁、第二副悬臂梁与主悬臂梁平行连接于质量块和边框之间；合束耦合器与光电探测器连接；光电探测器最终与检波电路连接。

本发明的优点在于：

(1)抗干扰能力强，数字输出特性从本质上避免各种光强起伏干扰，同时采用光信号作为信息载体，可以有效降低电磁干扰对加速度测量精度的影响，可靠性高，稳定性好。

(2)使用窄线宽激光器，通过扫频方式将单路激光频率准确锁定在布拉格光栅反射谱峰值频率，可实现低拍频频率，提高了加速度测量精度。

(3)微梁形变均匀，反射光谱不存在啁啾效应，测量结果重复性好，线性度高。

(4)差分输出可以有效抑制共模噪声，实现温度补偿，消除温度造成的干扰，同时提高系统灵敏度。

(5)加速度计的灵敏度和固有频率在结构设计分开考虑，在不牺牲系统带宽的条件下，将系统灵敏度提高一倍。

附图说明

图1为基于FBG拍频检测和窄线宽输入扫频技术的光学加速度计的结构示意图；

图2为基于FBG拍频检测和窄线宽输入扫频技术的光学加速度计敏感头结构示意图；

图中：

1.窄线宽光纤DBR激光光源 2.第一保偏光纤3dB耦合器 3.第二保偏光纤3dB耦合器

4.第三保偏光纤3dB耦合器 5.合束耦合器 6.第一光纤布拉格光栅

7.第二光纤布拉格光栅 8.第一副悬臂梁 9.第二副悬臂梁

10.主悬臂梁 11.质量块 12.光源驱动

13第四保偏光纤3dB耦合器 14第五保偏光纤3dB耦合器 15.第一频率调制装置

16.第二频率调制装置 17.第一检波装置 18.第二检波装置

19.第一相位调制装置 20.第二相位调制装置 21.第一调制信号发生装置

22.第二调制信号发生装置 23.光电探测器 24.检波电路

25.边框 26.保偏光纤 27.导线

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计，如图1、图2所示，包括窄线宽光纤DBR激光光源1、第一保偏光纤3dB耦合器2、第二保偏光纤3dB耦合器3、第三保偏光纤3dB耦合器4、合束耦合器5、第一光纤布拉格光栅(FBG)6、第二光纤布拉格光栅(FBG)7、第一副悬臂梁8、第二副悬臂梁9、主悬臂梁10、质量块11、光源驱动12、第四保偏光纤3dB耦合器13、第五保偏光纤3dB耦合器14、第一频率调制装置15、第二频率调制装置16、第一检波装置17、第二检波装置18、第一相位调制装置19、第二相位调制装置20、第一调制信号发生装置21、第二调制信号发生装置22、光电探测器23、检波电路24、边框25、保偏光纤26、导线27；

光源驱动12与窄线宽光纤DBR激光光源1连接；窄线宽光纤DBR激光光源1光出射端与第一保偏光纤3dB耦合器2连接；第一保偏光纤3dB耦合器2两出射端分别与第一频率调制装置15、第二频率调制装置16连接；第一频率调制装置15、第二频率调制装置16调制信号输入端与第一检波装置17、第二检波装置18连接，光信号输出端与第四保偏光纤3dB耦合器13、第五保偏光纤3dB耦合器14连接；第四保偏光纤3dB耦合器13、第五保偏光纤3dB耦合器14同时与合束耦合器5连接，并分别与第一相位调制装置19、第二相位调制装置20连接，两相位调制装置分别连接第一调制信号发生装置21、第二调制信号发生装置22；第一相位调制装置19、第二相位调制装置20光信号输出端与第二保偏光纤3dB耦合器3、第三保偏光纤3dB耦合器4连接，两耦合器同时与第一检波装置17、第二检波装置18及第一光纤布拉格光栅(FBG)6、第二光纤布拉格光栅(FBG)7连接；第一光纤布拉格光栅(FBG)6、第二光纤布拉格光栅(FBG)7贴合于第一副悬臂梁8、第二副悬臂梁9上；第一副悬臂梁8、第二副悬臂梁9与主悬臂梁10平行连接于质量块11和边框25之间；合束耦合器5与光电探测器23连接；光电探测器23最终与检波电路24连接。以上所述，光学连接均采用保偏光纤26、电学连接均采用导线27。

本发明装置测试加速度的原理：

窄线宽光纤DBR激光光源1输出的激光经过第一保偏光纤3dB耦合器2等分为两份，分别输入至第一频率调制装置15、第二频率调制装置16；而后经第四保偏光纤3dB耦合器13、第五保偏光纤3dB耦合器14进入第一相位调制装置19、第二相位调制装置20；再经第二保偏光纤3dB耦合器3、第三保偏光纤3dB耦合器4进入第一光纤布拉格光栅(FBG)6、第二光纤布拉格光栅(FBG)7；第一光纤布拉格光栅(FBG)6、第二光纤布拉格光栅(FBG)7固定在第一副悬臂梁8、第二副悬臂梁9上，同时第一副悬臂梁8、第二副悬臂梁9、主悬臂梁10连接边框25与质量块11；当存在加速度时，质量块11发生偏移，第一副悬臂梁8、第二副悬臂梁9产生反向应变，导致第一光纤布拉格光栅(FBG)6、第二光纤布拉格光栅(FBG)7中心反射频率分离，反射光经第二保偏光纤3dB耦合器3、第三保偏光纤3dB耦合器4进入第一检波装置17、第二检波装置18，产生移频信号分别作用于第一频率调制装置15、第二频率调制装置16，调制两路入射光中心频率；调频后光束经第四保偏光纤3dB耦合器13、第五保偏光纤3dB耦合器14进入合束耦合器5产生光学拍频信号，被光电探测器23接收，光电探测器23输出光强信号进入检波电路24，检测到的拍频信号频率正比于加速度输入。

具体实施中，各结构的尺寸及参数可以设置为：

主悬臂梁：材料为铝或硅，长度为20～40mm，宽度为5～10mm，高度为20～30mm；

微悬臂梁：材料为铝或硅，长度为5～15mm，宽度为1～5mm，高度为1～10mm；

质量块：材料为铜或硅，长度为30～50mm，宽度为15～30mm，高度为35～40mm

综上所述，本发明提出一种基于FBG拍频检测的新型光学加速度计结构，由于主梁和对称微梁的优化配置，所以FBG的应变是均匀的，避免了因为应变不均造成的光谱的啁啾现象。由于是推挽配置，差动输出，因此系统的共模噪声得到很大的抑制，同时灵敏度增加1倍。由于灵敏度与固有频率独立设计，因此提高灵敏度的同时，并没有牺牲系统的带宽。由于是数字输出，所以加速度计本质上可以抵抗光强起伏造成的干扰。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于光纤布喇格光栅反射谱特性实现激光拍频的差动型光学加速度计，包括窄线宽光纤DBR激光光源、第一保偏光纤3dB耦合器、第二保偏光纤3dB耦合器、第三保偏光纤3dB耦合器、合束耦合器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第一副悬臂梁、第二副悬臂梁、主悬臂梁、质量块、光源驱动、第四保偏光纤3dB耦合器、第五保偏光纤3dB耦合器、第一频率调制装置、第二频率调制装置、第一检波装置、第二检波装置、第一相位调制装置、第二相位调制装置、第一调制信号发生装置、第二调制信号发生装置、光电探测器、检波电路、边框；

光源驱动与窄线宽光纤DBR激光光源连接；窄线宽光纤DBR激光光源光出射端与第一保偏光纤3dB耦合器连接；第一保偏光纤3dB耦合器两出射端分别与第一频率调制装置、第二频率调制装置连接；第一频率调制装置、第二频率调制装置调制信号输入端与第一检波装置、第二检波装置连接，光信号输出端与第四保偏光纤3dB耦合器、第五保偏光纤3dB耦合器连接；第四保偏光纤3dB耦合器、第五保偏光纤3dB耦合器同时与合束耦合器连接，并分别与第一相位调制装置、第二相位调制装置连接，两相位调制装置分别连接第一调制信号发生装置、第二调制信号发生装置；第一相位调制装置、第二相位调制装置光信号输出端与第二保偏光纤3dB耦合器、第三保偏光纤3dB耦合器连接，两耦合器同时与第一检波装置、第二检波装置及第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅连接；第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅贴合于第一副悬臂梁、第二副悬臂梁上；第一副悬臂梁、第二副悬臂梁与主悬臂梁平行连接于质量块和边框之间；合束耦合器与光电探测器连接；光电探测器最终与检波电路连接。