CN114739307B - 一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法，本发明全光纤结构组合定姿装置包括壳体和分别安装在壳体上的航向角检测光纤单元和俯仰及横滚角检测光纤单元，航向角检测光纤单元包括正交布置的两条磁致伸缩材料片及沿其长度方向布置的带有FP腔的光纤；俯仰及横滚角检测光纤单元包括质量球和三支光纤光栅。本发明通过三支光纤光栅和两支带有FP腔的光纤能够测量由于结构体空间状态变化所带来的应变获得航向角、俯仰及横滚角，而且降低了设备成本和体积，测量精度与可靠性高，便于融入现有全光纤探测体系，对于远距离探测结构体姿态的监测具有重要意义。

Description

一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及水下载体平台的姿态检测技术，具体涉及一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法。

背景技术

水下载体平台的姿态信息的获取依赖于可靠的姿态传感器，现有的姿态传感器多采用无线电航向仪、惯性传感器或磁航向传感器等。然而，海洋环境对电磁波的传递有明显的抑制作用，目前地面和航空系统所广泛采用的天文导航系统和卫星导航系统中的姿态获取装置难以在水下系统发挥作用。陀螺仪作为高性能的惯性传感器，用于测量载体的角速度，但存在成本高、体积大等缺点，限制了其大规模应用和普及。虽然MEMS技术的出现，促进了微型导航系统的实现与发展，基于MEMS的陀螺仪价格相比于激光或者光纤陀螺仪价格便宜，由于工作原理和制作工艺等因素限制，同样存在随时间累计的较大误差，不能单独长期工作，必须加以校准补偿，且需要进行相当复杂、细致的初始对准工作。而且，机械陀螺、激光陀螺、电子罗盘等姿态传感器的输出为数字信号，长距离传输时易受干扰且需考虑信号的损耗，不利于水下传感器的远程探测。为了实现信号探测和传输部分为全光结构，赋予水下系统安全作业和精确姿态测量与矫正能力，急需发展一种低成本、小尺寸、低功耗的高精度姿态测量组合传感器。相比于电学类姿态传感器，以光纤为传感和信号传输的姿态传感器，具有频带宽、灵敏度高、重量轻、抗干扰能力强、适于水下应用、易于组成大规模阵列等特点。用于姿态测量的光纤类传感器有光纤陀螺仪、光纤倾角传感器和光纤磁传感器。但是，目前这些采用的光纤类传感器一般为单一类型，而单一类型的光纤类传感器各有优缺点。

发明内容

经研究发现，采用组合探测的方式可以克服多种测量误差，提高测量精度。而且光纤倾角传感器/光纤磁传感器的组合方式可克服光纤陀螺仪多种误差(本身存在零偏误差、比例因子误差、非正交误差以及非对准误差等确定性误差和一些一定程度的随机误差)的弱点，具有较高的精度和可靠性。光纤类的倾角传感器和磁力计，其原理是通过换能器将外界被测参数转换为使光纤中光的光学性质变化的量(如光的强度、波长、频率、相位、偏振等)，经过解调达到测量的目的。合理设计制作出换能器，对获取较高精度和可靠性有重要意义。

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的前述问题，结合上述采用组合探测的方式的发现，提供一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法，本发明通过三支光纤光栅和两支带有FP腔的光纤能够测量由于结构体空间状态变化所带来的应变获得航向角、俯仰及横滚角，而且降低了设备成本和体积，测量精度与可靠性高，便于融入现有全光纤探测体系，对于远距离探测结构体姿态的监测具有重要意义。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种全光纤结构组合定姿装置，包括壳体和分别安装在壳体上的航向角检测光纤单元和俯仰及横滚角检测光纤单元，所述航向角检测光纤单元包括正交布置的两条磁致伸缩材料片，且所述磁致伸缩材料片处设有沿着磁致伸缩材料片的长度方向布置的带有FP腔的光纤；所述俯仰及横滚角检测光纤单元包括质量球和三支光纤光栅，所述质量球布置于壳体内，所述三支光纤光栅一端与质量球相连、另一端与壳体的内侧壁相连且三支光纤光栅分布于同一平面内呈120°布置。

可选地，所述带有FP腔的光纤(22)由相隔一定距离写入两个相同参数的光栅构成。

可选地，所述两条磁致伸缩材料片正交布置于壳体的表面上，且均沿着壳体的径向布置。

可选地，所述两条磁致伸缩材料片其中的一条磁致伸缩材料片与三支光纤光栅中一支光纤光栅的方向相同。

此外，本发明还提供一种水下载体平台，包括载体平台本体以及设于载体平台本体中的定姿单元，所述定姿单元包括依次相连的定姿装置、光纤光栅解调仪和姿态解算装置，所述定姿装置为所述的全光纤结构组合定姿装置。

此外，本发明还提供一种前述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，包括：检测俯仰及横滚角检测光纤单元中三支光纤光栅的中心波长，并确定三支光纤光栅的中心波长偏移量差值，根据预设的中心波长偏移量差值与俯仰角的函数关系解算出俯仰角，根据预设的中心波长偏移量差值与横滚角的函数关系解算出横滚角；分别检测航向角检测光纤单元的干涉输出条纹的第m级波长和第m+n级波长，根据第m级波长和第m+n级波长计算带有FP腔的光纤的腔长，并确定带有FP腔的光纤的腔长的相对变化量；根据腔长的相对变化量和磁场强度的函数关系确定当前的磁场强度；根据当前的磁场强度解算出航向角，并采用磁偏角修正航向角得到相对于真北的航向角，其中m为输出光极大值级数，n为间隔波长数。

可选地，所述预设的中心波长偏移量差值与俯仰角的函数关系的函数表达式为：

所述预设的中心波长偏移量差值与横滚角的函数关系的函数表达式为：

上式中，Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃分别为三支光纤光栅的中心波长偏移量差值，M为质量球的重量，g为重力加速度，λ_B为光栅中心波长，P_e为有效弹光常数，E为光纤的杨氏模量，d为光纤光栅的裸光纤直径，β为俯仰角，γ为横滚角。

可选地，所述根据第m级波长和第m+n级波长计算带有FP腔的光纤(22)的腔长的函数表达式为：

上式中，h为带有FP腔的光纤(22)的腔长，n为间隔波长数，n₀为纤芯折射率，λ_m为航向角检测光纤单元(2)的干涉输出条纹的第m级波长，λ_m+n为航向角检测光纤单元(2)的干涉输出条纹的第m+n级波长。

可选地，所述腔长的相对变化量和磁场强度的函数关系的函数表达式为：

上式中，ε为腔长的相对变化量，Δh为带有FP腔的光纤的腔长变化量，C_eff为有效磁致伸缩系数，H为磁场强度；根据当前的磁场强度解算出航向角包括：首先，根据下式得到地磁场在地理坐标系下的矩阵[H₀ 0 0]^T与地磁场在载体平台坐标系下的矩阵[H₁ H₂ H₃]^T关系：

上式中，H₁、H₂、H₃为地磁场在载体平台坐标系下三个坐标轴分量，β为俯仰角，γ为横滚角，为航向角，H₀为地磁场在地理坐标系下坐标轴分量；；然后，根据下式所示的H₁和H₂与航向角/>的函数关系计算出航向角；

上式中，β为俯仰角，γ为横滚角，为航向角。

可选地，所述采用磁偏角修正航向角得到相对于真北的航向角的函数表达式为：

上式中，为真北的航向角，/>为航向角，δ为磁偏角，其中磁偏角为地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量所在的地磁子午面与地理子午面的夹角。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明通过三支光纤光栅和两支FP腔的光纤能够测量由于结构体空间状态变化所带来的应变获得航向角、俯仰及横滚角，而且降低了设备成本和体积，测量精度与可靠性高，便于融入现有全光纤探测体系，对于远距离探测结构体姿态的监测具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例中全光纤结构组合定姿装置的内部结构示意图。

图2为本发明实施例中全光纤结构组合定姿装置的上面结构示意图。

图3为本发明实施例全光纤结构组合定姿装置的应用原理示意图。

图4为本发明实施例中采用几何建模计算平面角度关系示意图。

具体实施方式

以下将结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例全光纤结构组合定姿装置包括壳体1和分别安装在壳体1上的航向角检测光纤单元2和俯仰及横滚角检测光纤单元3，航向角检测光纤单元2包括正交布置的两条磁致伸缩材料片21，且磁致伸缩材料片21处设有沿着磁致伸缩材料片21的长度方向布置的带有FP腔的光纤22；俯仰及横滚角检测光纤单元3包括质量球31和三支光纤光栅32，质量球31布置于壳体1内，三支光纤光栅31一端与质量球32相连、另一端与壳体1的内侧壁相连且三支光纤光栅31分布于同一平面内呈120°布置。

航向角(又称真航向角)是指水下载体平台的纵轴与地球北极之间的夹角，航向角可通过检测地磁场的方式获得，本实施例中航向角检测光纤单元2通过沿着磁致伸缩材料片21的长度方向布置的带有FP腔的光纤22，可测量磁致伸缩材料片21的应变变化，从而可实现对地磁场的检测，进而可获得航向角。

俯仰角是指水下载体平台相对于本实施例全光纤结构组合定姿装置的XOY平面俯仰的角度；横滚角是指导航系统中用来标识目标的横向倾角，其值等于目标物体所在平面上与艏艉线垂直的线与其在水平面的投影间的夹角。俯仰及横滚角检测光纤单元3包括质量球31和三支光纤光栅32，通过质量球31对三支光纤光栅32形成的应力差异，可获得俯仰及横滚角。

本实施例中，带有FP腔的光纤22由相隔一定距离写入两个相同参数的光栅构成。在同一根单模光纤中相隔一定距离写入两个相同参数的光栅，便形成一个光纤光栅FP腔，其中两个光栅之间部分构成一个谐振腔，光栅可采用折射率等周期变化均匀光栅或折射率不等周期变化的啁啾光栅。

如图1所示，本实施例中两条磁致伸缩材料片21正交布置于壳体1的表面上，且均沿着壳体1的径向布置，与载体平台坐标系下两轴同向，便于地磁场在此坐标系下分量的测量解算。

如图1所示，本实施例中两条磁致伸缩材料片21其中的一条磁致伸缩材料片21与三支光纤光栅31中一支光纤光栅31的方向相同，使航向角检测光纤单元和俯仰及横滚角检测光纤单元同向转动，便于俯仰及航向角引入姿态矩阵解算航向角。

此外，本实施例还提供一种水下载体平台，包括载体平台本体以及设于载体平台本体中的定姿单元，定姿单元包括依次相连的定姿装置、光纤光栅解调仪4和姿态解算装置5，定姿装置为前述的全光纤结构组合定姿装置。该载体平台本体可为潜艇或其他潜水设备、水听器、地质勘探平台等。

此外，如图2所示，本实施例还提供一种前述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，包括：检测俯仰及横滚角检测光纤单元3中三支光纤光栅32的中心波长，并确定三支光纤光栅32的中心波长偏移量差值，根据预设的中心波长偏移量差值与俯仰角的函数关系解算出俯仰角，根据预设的中心波长偏移量差值与横滚角的函数关系解算出横滚角；分别检测航向角检测光纤单元2的干涉输出条纹的第m级波长和第m+n级波长，根据第m级波长和第m+n级波长计算带有FP腔的光纤22的腔长，并确定带有FP腔的光纤22的腔长的相对变化量；根据腔长的相对变化量和磁场强度的函数关系确定当前的磁场强度；根据当前的磁场强度解算出航向角，并采用磁偏角修正航向角得到相对于真北的航向角，其中m为输出光极大值级数，n为间隔波长数。

图3为本实施例中采用几何建模计算平面角度关系示意图。其中FBG1、FBG2、FBG3分别表示俯仰及横滚角检测光纤单元3中三支光纤光栅32，采用几何建模的方法，x轴为FBG1方向，y轴为FBG1方向在平台平面内逆时针旋转90°，将两轴延长与水平面分别交于A、C两点。过三支光纤光栅32的交点O做水平面的垂线，在水平面的交点为D，连接AD、CD、AC。过交点O作AC垂线交于点B，连接BD。由图3所示几何关系可知：

上式中，m为质量球31的重量，g为重力加速度，α为水下载体平台与水平面的夹角，θ为FBG1与OB夹角θ。

且有x轴与水平面的夹角β(俯仰角)为：

β＝arcsin(cosθsinα)

y轴与水平面的夹角γ(横滚角)为：

γ＝arcsin(sinθsinα)

由于三支光纤光栅32，在同一温度场中且每支参数一致，任意第i支光纤光栅32的应力F_i和温度变化对波长变化的影响，可知：

ε_i＝F_i/ES

Δλ_i＝λ_B(1-P_e)ε_i+λ_B(a+ζ)ΔT

上式中，ε_i为第i支光纤光栅32的腔长的相对变化量，E为光纤的杨氏模量，S为裸光纤横截面积，Δλ_i为第i支光纤光栅32的中心波长偏移量差值，λ_B为光栅中心波长，P_e为有效弹光常数，a为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，ΔT为温度变化量。由此，可得到本实施例中预设的中心波长偏移量差值与俯仰角的函数关系的函数表达式为：

以及预设的中心波长偏移量差值与横滚角的函数关系的函数表达式为：

上式中，Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃分别为三支光纤光栅32的中心波长偏移量差值，M为质量球31的重量，g为重力加速度，λ_B为光栅中心波长，P_e为有效弹光常数，E为光纤的杨氏模量，d为光纤光栅32的裸光纤直径，β为俯仰角，γ为横滚角。上两式预设的中心波长偏移量差值与俯仰角、横滚角的函数关系就是波长-角度方程，可以看出，俯仰角及横滚角的正弦值与光纤光栅32的裸光纤直径d、质量球31的质量M有关，光纤光栅32的中心波长偏移量与俯仰角及横滚角的正弦值成正比，当调节质量球31的质量M，可以达到调节俯仰及横滚角检测光纤单元3的灵敏度的目的。

航向角检测光纤单元2包括正交布置的两条磁致伸缩材料片21，且磁致伸缩材料片21处设有沿着磁致伸缩材料片21的长度方向布置的带有FP腔的光纤22，实现带有FP腔的光纤22腔长的解调有相位解调法、强度解调法等多种方法，下面以条纹计数法的FP腔相位解调算法为例解算航向角。由于采用的啁啾光栅具有很低的反射率，干涉光的输出光强表达式可简化为：

上式中，I_R为输出光强，R为光功率反射系数，n₀为纤芯折射率，λ为波长，h为FP腔的腔长，I₀为输入光强。在腔长h不变的情况下，干涉输出光强随波长近似余弦分布，干涉光强输出为极大值时有：

上式中，h为FP腔的腔长，m为输出光极大值级数，λ_max为干涉输出光极大值对应波长。因此，本实施例中根据第m级波长和第m+n级波长计算带有FP腔的光纤22的腔长的函数表达式为：

上式中，h为带有FP腔的光纤22的腔长，n为间隔波长数，n₀为纤芯折射率，λ_m为航向角检测光纤单元2的干涉输出条纹的第m级波长，λ_m+n为航向角检测光纤单元2的干涉输出条纹的第m+n级波长。

当磁场发生改变时，腔长的相对变化量和磁场强度之间存在相关性，本实施例中腔长的相对变化量和磁场强度的函数关系的函数表达式为：

上式中，ε为腔长的相对变化量，Δh为带有FP腔的光纤22的腔长变化量，C_eff为有效磁致伸缩系数，H为磁场强度；根据当前的磁场强度解算出航向角包括：首先，根据下式得到地磁场在地理坐标系下的矩阵[H₀ 0 0]^T与地磁场在载体平台坐标系下的矩阵[H₁ H₂ H₃]^T关系：

上式中，H₁、H₂、H₃为地磁场在载体平台坐标系下三个坐标轴分量，β为俯仰角，γ为横滚角，为航向角，H₀为地磁场在地理坐标系下坐标轴分量；然后，根据下式所示的H₁和H₂与航向角/>的函数关系计算出航向角；

上式中，β为俯仰角，γ为横滚角，为航向角。

由于地理北极与磁北极的位置并不完全一致，定义地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量所在的垂直平面(地磁子午面)与地理子午面的夹角为磁偏角δ，这一角度值可以通过以地理位置为信息查表来确定。因此，本实施例中采用磁偏角修正航向角得到相对于真北的航向角的函数表达式为：

上式中，为真北的航向角，/>为航向角，δ为磁偏角，其中磁偏角为地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量所在的地磁子午面与地理子午面的夹角。

综上所述，本实施例本实施例全光纤结构组合定姿装置是全光纤结构组合定姿系统直接通过内部5支光纤测量由于结构体空间状态变化所带来的应变，三支光纤光栅32用于测量施加于其径向方向上的应力改变中心波长的数值。两支由啁啾光栅构成的带有FP腔的光纤22用于测量形变导致FP腔长度变化改变中心波长的数值。通过构建几何模型解算和姿态角矩阵推导的方法，解析结构体的空间姿态，同时也消除了温度对于光纤测量的影响，实现了温度补偿。全光纤结构组合定姿系统降低了系统成本和体积，提高了系统测量精度与可靠性，便于融入现有全光纤探测体系，对于远距离探测结构体姿态的监测具有重要意义。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种全光纤结构组合定姿装置，其特征在于，包括壳体（1）和分别安装在壳体（1）上的航向角检测光纤单元（2）和俯仰及横滚角检测光纤单元（3），所述航向角检测光纤单元（2）包括正交布置的两条磁致伸缩材料片（21），且所述磁致伸缩材料片（21）处设有沿着磁致伸缩材料片（21）的长度方向布置的带有FP腔的光纤（22）；所述俯仰及横滚角检测光纤单元（3）包括质量球（31）和三支光纤光栅（32），所述质量球（31）布置于壳体（1）内，所述三支光纤光栅（31）一端与质量球（32）相连、另一端与壳体（1）的内侧壁相连且三支光纤光栅（31）分布于同一平面内呈120°布置，所述带有FP腔的光纤（22）由相隔一定距离写入两个相同参数的光栅构成，所述两条磁致伸缩材料片（21）正交布置于壳体（1）的表面上，且均沿着壳体（1）的径向布置，所述两条磁致伸缩材料片（21）其中的一条磁致伸缩材料片（21）与三支光纤光栅（31）中一支光纤光栅（31）的方向相同。

2.一种水下载体平台，包括载体平台本体以及设于载体平台本体中的定姿单元，其特征在于，所述定姿单元包括依次相连的定姿装置、光纤光栅解调仪（4）和姿态解算装置（5），所述定姿装置为权利要求1所述的全光纤结构组合定姿装置。

3.一种权利要求1所述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，其特征在于，包括：检测俯仰及横滚角检测光纤单元（3）中三支光纤光栅（32）的中心波长，并确定三支光纤光栅（32）的中心波长偏移量差值，根据预设的中心波长偏移量差值与俯仰角的函数关系解算出俯仰角，根据预设的中心波长偏移量差值与横滚角的函数关系解算出横滚角；分别检测航向角检测光纤单元（2）的干涉输出条纹的第m级波长和第m+n级波长，根据第m级波长和第m+n级波长计算带有FP腔的光纤（22）的腔长，并确定带有FP腔的光纤（22）的腔长的相对变化量；根据腔长的相对变化量和磁场强度的函数关系确定当前的磁场强度；根据当前的磁场强度解算出航向角，并采用磁偏角修正航向角得到相对于真北的航向角，其中m为输出光极大值级数，n为间隔波长数。

4.根据权利要求3所述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，其特征在于，所述预设的中心波长偏移量差值与俯仰角的函数关系的函数表达式为：

所述预设的中心波长偏移量差值与横滚角的函数关系的函数表达式为：

上式中，、/>、/>分别为三支光纤光栅（32）的中心波长偏移量差值， M为质量球（31）的重量，/>为重力加速度，/>为光栅中心波长，/>为有效弹光常数，/>为光纤的杨氏模量，/>为光纤光栅（32）的裸光纤直径，/>为俯仰角，/>为横滚角。

5.根据权利要求3所述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，其特征在于，所述根据第m级波长和第m+n级波长计算带有FP腔的光纤（22）的腔长的函数表达式为：

上式中，h为带有FP腔的光纤（22）的腔长，n为间隔波长数，n ₀为纤芯折射率，为航向角检测光纤单元（2）的干涉输出条纹的第m级波长，/>为航向角检测光纤单元（2）的干涉输出条纹的第m+n级波长。

6.根据权利要求3所述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，其特征在于，所述腔长的相对变化量和磁场强度的函数关系的函数表达式为：

上式中，为腔长的相对变化量，/>为带有FP腔的光纤（22）的腔长变化量，/>为有效磁致伸缩系数，/>为磁场强度；根据当前的磁场强度解算出航向角包括：首先，根据下式得到地磁场在地理坐标系下的矩阵/>与地磁场在载体平台坐标系下的矩阵/>关系：

上式中，H ₁、H ₂、H ₃为地磁场在载体平台坐标系下三个坐标轴分量，为俯仰角，/>为横滚角，/>为航向角，/>为地磁场在地理坐标系下坐标轴分量；然后，根据下式所示的H ₁和H ₂与航向角/>的函数关系计算出航向角；

上式中，为俯仰角，/>为横滚角，/>为航向角。

7.根据权利要求3所述的全光纤结构组合定姿装置的应用方法，其特征在于，所述采用磁偏角修正航向角得到相对于真北的航向角的函数表达式为：

上式中，为真北的航向角，/>为航向角，/>为磁偏角，其中磁偏角为地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量所在的地磁子午面与地理子午面的夹角。