CN114966105A - 一种加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加速度计，涉及惯性检测仪表技术领域，包括：激光干涉仪、表头和加速度解算模块；表头包括：壳体、质量块和弹性支撑件；质量块设置于壳体内部，质量块与壳体之间通过弹性支撑件连接；壳体用于与待测物体固定连接；激光干涉仪用于产生参考光和测量光；测量光经光纤传输至壳体内部，出射至质量块表面；质量块表面用于反射测量光，形成反射光；激光干涉仪还用于接收反射光，并使其与参考光发生干涉，形成干涉光；激光干涉仪还用于将干涉光转换为干涉信号，并将其发送给加速度解算模块进行解算，以获得待测物体的加速度值。本发明提供的技术方案，能够有效降低现有技术中存在的非线性误差，获得更加精确的加速度测量结果。

Description

一种加速度计
技术领域
本发明涉及惯性检测仪表技术领域，特别地涉及一种加速度计。
背景技术
加速度计广泛应用于惯性制导、机器人位姿测量、汽车惯性定位等场合。由于所测的加速度直接用于物体位置、姿态、速度等状态量的计算，其测量精度成为衡量加速度计技术水平最重要的指标之一。
现有的加速度计根据检测原理的不同，出现了基于应变片测弹性体应变、基于压电陶瓷测应力、基于电容原理测惯性质量位移、基于电磁感应原理测惯性质量位移等加速度测量方案，然而由于电阻热效应、压电传感器非线性、电容非线性、磁场非线性等特性，上述方案中均存在不可忽略的非线性误差，限制了加速度测量精度。
此外，加速度解算方案也直接影响测量结果。而现有的加速度解算精度依赖于加速度计中检测单元安装位置的精确程度，且加工、安装误差难以准确补偿。
以上缺陷均导致现有的加速度计的测量结果不够准确，无法满足目前对加速度计的测量精度要求。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提出了一种加速度计，能够有效降低现有技术中存在的非线性误差，获得更加精确的加速度测量结果。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种加速度计，包括：激光干涉仪、表头和加速度解算模块；所述表头包括：壳体、质量块和弹性支撑件；所述质量块设置于所述壳体内部，所述质量块与所述壳体之间通过所述弹性支撑件连接；所述壳体用于与待测物体固定连接；所述激光干涉仪用于产生参考光和测量光；所述测量光经光纤传输至所述壳体内部，出射至所述质量块表面；所述质量块表面用于反射所述测量光，形成反射光；所述激光干涉仪还用于接收所述反射光，并使所述反射光与所述参考光发生干涉，形成干涉光；所述激光干涉仪还用于将所述干涉光转换为干涉信号，并将其发送给所述加速度解算模块；所述加速度解算模块用于对接收到的所述干涉信号进行解算，获得所述待测物体的加速度值。
优选地，当所述待测物体具有加速度时，所述质量块能够产生相对于所述壳体的六自由度位移；其中，所述六自由度包括：分别沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度，以及，分别绕X、Y、Z三个直角坐标轴的转动自由度。
优选地，所述弹性支撑件至少一个；所述质量块为正六面体形状；所述质量块的每个面通过与该面对应的所述弹性支撑件与所述壳体的内壁连接。
进一步地，所述质量块表面镀有激光反射膜。
优选地，所述激光干涉仪包括：激光源、干涉镜组和信号处理板；所述干涉镜组包括：偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和反射镜；所述激光源产生的激光经所述偏振分光镜分为所述参考光和所述测量光；所述参考光通过所述第一四分之一波片后，再经所述反射镜反射后沿原光路返回；所述测量光通过所述第二四分之一波片后，经第一准直器进入所述光纤，并由所述光纤传输至所述壳体内部，经第二准直器出射至所述质量块表面；所述反射光经所述第二准直器进入所述光纤，沿原光路返回；所述干涉光经第三准直器进入所述信号处理板，由所述信号处理板转换为所述干涉信号后发送给所述加速度解算模块。
优选地，当所述质量块为正六面体形状时，所述测量光经所述第二准直器至少出射至所述质量块两两相邻的三个面。
进一步地，所述干涉镜组有N个，其中，N>6；所述激光源产生的激光分别经N路光纤传输至每个所述干涉镜组，以形成N路所述干涉光；所述信号处理板还用于将所述N路所述干涉光转换为N路所述干涉信号后发送给所述加速度解算模块。
优选地，所述加速度解算模块采用以下方式对接收到的所述干涉信号进行解算，获得所述待测物体的加速度值：
将N路所述干涉信号代入光路模型方程组，获得第一方程组：
Figure BDA0003600712700000031
其中，Vi为第i路所述干涉信号，i＝1,2,3...,N；X为所述质量块相对于坐标原点的六自由度位移，其中，所述坐标原点为无加速度输入时所述质量块的质心所在的位置；Pi为与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，由预先标定获得；εi为第i路所述干涉信号的噪声信号；Fi(·)为第i路光路模型函数，该函数的输出量为第i路所述测量光与第i路所述参考光的光程差；
采用最小二乘法对所述第一方程组进行求解，获得所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移；
计算所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移与预先标定的刚度矩阵的乘积，获得所述待测物体的加速度值。
优选地，所述采用最小二乘法对所述第一方程组进行求解，获得所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，包括：
S1：将所述第一方程组改写为V＝F(X)+e；其中，V＝[V1,...,VN]T，为N路所述干涉信号；F(·)＝[F1(·)，...，FN(·)]，为所述光路模型函数；e＝[ε1,ε2,...,εn]，为N路所述干涉信号的噪声信号；X为所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移；
S2：利用预设的参数标称值计算变量X的迭代初值；
S3：选取最小化目标函数
Figure BDA0003600712700000032
根据以下迭代公式对变量X进行迭代求解：
Xk+1＝Xk+[JT(Xk)J(Xk)]-1JT(Xk)[V-F(Xk)]
其中，
Figure BDA0003600712700000033
为F(Xk)的雅可比矩阵；
S4：给定误差预设值δ与最大迭代次数kmax，若||Xk+1-Xk||≥δ且k<kmax则回到S3继续迭代，否则结束迭代，得到接近真值的求解结果Xk+1。
优选地，所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数包括：该第二准直器的坐标，以及该第二准直器的出射激光方向向量；采用以下方式预先标定获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数：
记录M次不同加速度输入时各路干涉信号的数值，将记录的各路干涉信号的数值代入所述光路模型方程组，获得如下第二方程组，其中，M>5N/(N-6)；
Figure BDA0003600712700000041
Figure BDA0003600712700000042
…
Figure BDA0003600712700000043
采用最小二乘法对所述第二方程组进行求解，获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数。
优选地，所述采用最小二乘法对所述第二方程组进行求解，获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，包括：
S1：将所述第二方程组改写为V＝F(Y)+e；其中，V＝[V1,...,VMN]T，为MN路所述干涉信号；F(·)＝[F1(·)，...，FN(·)]，为所述光路模型函数；e＝[ε1,ε2,...,εMN]，为N路所述干涉信号的噪声信号；
Figure BDA0003600712700000044
为所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，以及，N路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数；
S2：利用预设的参数标称值计算变量Y的迭代初值；
S3：选取最小化目标函数
Figure BDA0003600712700000051
根据以下迭代公式对变量Y进行迭代求解：
Yk+1＝Yk+[JT(Yk)J(Yk)]-1JT(Yk)[V-F(Yk)]
其中，
Figure BDA0003600712700000052
为F(Yk)的雅可比矩阵；
S4：给定误差预设值δ与最大迭代次数kmax，若||Yk+1-Yk||≥δ且k<kmax则回到S3继续迭代，否则结束迭代，得到接近真值的求解结果Yk+1。
本发明实施例提供的一种加速度计，由激光干涉仪产生参考光和测量光，其中，测量光经光纤传输至表头的壳体内部，出射至质量块表面，被质量块表面反射后再由激光干涉仪接收，并与参考光发生干涉，形成干涉光，之后转换为干涉信号由加速度解算模块解算出待测物体的加速度，即本发明实施例采用了激光干涉仪作为检测单元，相比于现有的采用应变片、压电传感器、电容传感器、电磁感应传感器作为检测单元的加速度计，本发明实施例的线性度更好，因此，能够有效降低因检测原理引起的非线性误差，进而提高加速度测量准确度，以获得更加精确的加速度测量结果。
附图说明
通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本发明公开的范围。其中所包括的附图是：
图1为本发明实施例的系统结构原理图。
附图标记说明
1-壳体 2-质量块 3-弹性支撑件 4-偏振分光镜
5-第一四分之一波片 6-第二四分之一波片 7-反射镜
8-第一准直器 9-光纤 10-第二准直器 11-第三准直器
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提出了一种基于激光干涉冗余测量的加速度计，适用于低频加速度高精度测量。该加速度计采用激光干涉仪对表头中质量块位移进行冗余测量，根据特定的求解算法对包含冗余信息的光路模型方程组进行解算，实现多轴加速度解耦与高精度解算，从而解决现有基于激光干涉位移测量加速度计存在非线性误差的不足，进一步提高加速度测量精度与分辨率。
基于上述思路，本发明实施例提供了一种加速度计，如图1所示，包括：激光干涉仪、表头和加速度解算模块；所述表头包括：壳体1、质量块2和弹性支撑件3；所述质量块2设置于所述壳体1内部，所述质量块2与所述壳体1之间通过所述弹性支撑件3连接；所述壳体1用于与待测物体固定连接，具体地，壳体1可刚性固定于待测物体表面；所述激光干涉仪用于产生参考光和测量光；所述测量光经光纤传输至所述壳体1内部，出射至所述质量块2表面；所述质量块2表面用于反射所述测量光，形成反射光；所述激光干涉仪还用于接收所述反射光，并使所述反射光与所述参考光发生干涉，形成干涉光；所述激光干涉仪还用于将所述干涉光转换为干涉信号，并将其发送给所述加速度解算模块；所述加速度解算模块用于对接收到的所述干涉信号进行解算，获得所述待测物体的加速度值。
在壳体1、质量块2、弹性支撑件3和待测物体的一种优选的连接方式中，当所述待测物体具有加速度时，所述质量块2能够产生相对于所述壳体1的六自由度位移；其中，所述六自由度包括：分别沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度，以及，分别绕X、Y、Z三个直角坐标轴的转动自由度。即本实施例提供的加速度计是一种六维加速度计，能够实现三轴线加速度和三轴角加速度的同时测量。
本实施例中，所述弹性支撑件3至少一个；所述质量块2为正六面体形状；所述质量块2的每个面通过与该面对应的所述弹性支撑件3与所述壳体1的内壁连接。当然，所述质量块2还可以为长方体、球体、椭球体等其它形状，本实施例对此不做具体限制。
具体地，如图1所示，当质量块2为正六面体形状时，弹性支撑件3与质量块2的每一面一一对应，质量块2的每个面均通过一个弹性支撑件3与壳体1的内壁连接，如此，当与壳体1固定连接的待测物体具有加速度时，质量块2能够产生相对于壳体1的六自由度位移，该位移量由激光干涉仪检测到，后续通过加速度解算模块即可解算出与该位移量对应的加速度值。
本实施例中，质量块2具体用于承载因待测加速度引起的惯性力，从而产生相对于壳体1发生六自由度位移的趋势，同时，质量块2还用于反射由激光干涉仪产生的测量光。为了更加有效地反射该测量光，本实施例中，质量块2表面镀有激光反射膜。弹性支撑件3具体用于在质量块2与壳体1发生相对位移或质量块2偏离力平衡位置时提供使质量块2趋向于回到力平衡位置的回复力。
本实施例中，如图1所示，所述激光干涉仪包括：激光源、干涉镜组和信号处理板；所述干涉镜组包括：偏振分光镜4、第一四分之一波片5、第二四分之一波片6和反射镜7；所述激光源产生的激光经所述偏振分光镜4分为所述参考光和所述测量光；所述参考光通过所述第一四分之一波片5后，再经所述反射镜7反射后沿原光路返回；所述测量光通过所述第二四分之一波片6后，经第一准直器8进入所述光纤9，并由所述光纤9传输至所述壳体1内部，经第二准直器10出射至所述质量块2表面；所述反射光经所述第二准直器10进入所述光纤9，沿原光路返回；所述干涉光经第三准直器11进入所述信号处理板，由所述信号处理板转换为所述干涉信号后发送给所述加速度解算模块。
为了更有效地对由激光干涉仪所获得的干涉信号进行解算，进而获得更准确的解算结果，本实施例将质量块2设置为正六面体形状。当质量块2为正六面体形状时，由激光干涉仪产生的所述测量光经第二准直器10至少出射至质量块2两两相邻的三个面，以便后续获取更有效的干涉信号。
本实施例中，所述干涉镜组有N个，其中，N>6；所述激光源产生的激光分别经N路光纤传输至每个所述干涉镜组，以形成N路所述干涉光；所述信号处理板还用于将所述N路所述干涉光转换为N路所述干涉信号后发送给所述加速度解算模块。
图1示出了九路测量光出射至质量块2表面的情况，在该情形下，信号处理板相应地能够接收九路干涉光，进而将其转换获得九路干涉信号供加速度解算模块解算。
具体地，在激光干涉仪中，激光源产生的激光分别经N(N>6)路光纤传输至N个干涉镜组，经过偏振分光镜4分为N路参考光与N路测量光；每路参考光经过第一四分之一波片5后，再经反射镜7反射后沿原光路返回，两次经过第一四分之一波片5使得参考光偏振方向偏转90°；每路测量光经过第二四分之一波片6后，经第一准直器8进入与表头相连接的光纤9，从安装在表头壳体1上的第二准直器10射出，在质量块2表面的不同位置处反射后原路返回，两次经过第二四分之一波片6使得测量光偏振方向偏转90°；返回的参考光与返回的测量光发生干涉，形成N束干涉光，被信号处理板接收；信号处理板接收N束干涉光后通过光电转换与模数转换得到N路干涉信号数字量，其中包含有耦合的质量块相对于壳体的六自由度位移信息，也即包含有耦合的待测六维加速度信息。
加速度解算模块接收信号处理板产生的N路干涉信号数字量后，根据相应的加速度解耦算法处理得到六维加速度值。
本实施例中，所述加速度解算模块采用以下方式对接收到的所述干涉信号进行解算，获得所述待测物体的加速度值：
步骤1：将N路所述干涉信号Vi(i＝1,2,...,N)代入光路模型方程组，获得第一方程组：
Figure BDA0003600712700000081
其中，Vi为第i路所述干涉信号，i＝1,2,3...,N；X为所述质量块相对于坐标原点的六自由度位移，其中，所述坐标原点为无加速度输入时所述质量块的质心所在的位置；Pi为与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，由预先标定获得；εi为第i路所述干涉信号的噪声信号；Fi(·)为第i路光路模型函数，该函数的输出量为第i路所述测量光与第i路所述参考光的光程差。
具体地，本实施例中的各几何量以壳体1为参考系，无加速度输入时质量块2的质心所处位置为坐标原点O；X＝[u,v,w,θx,θy,θz]T为质量块2相对于坐标原点O的六自由度位移(待解算量)；Pi＝[xi,yi,zi,li]T为与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数(待定量)，具体包括：该第二准直器的坐标，以及该第二准直器的出射激光方向向量。由于第二准直器固定安装在刚性壳体上，因此Pi不随加速度输入的变化而变化；εi为第i路干涉信号的噪声信号(待定量)；Fi(·)为第i路光路模型函数，该函数输入量为[X,Pi]，输出量为图1中第i路测量光与第i路参考光的光程差，由于不论是否有加速度输入，任一[X,Pi]都唯一对应的一组质量块位置、第二准直器的坐标与第二准直器的出射激光方向向量，此时图1中的测量光光程也被唯一确定，又由参考光光程固定可知Fi(·)能够根据几何关系唯一确定。
步骤2：采用最小二乘法对所述第一方程组进行求解，获得所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移。
具体地，将自标定得到的第二准直器的位置参数Pi代入上述第一方程组，采用基于最小二乘的非线性方程组求解算法(即最小二乘法)对上述第一方程组进行求解，即以最小化
Figure BDA0003600712700000091
为优化目标，解得达到目标时的质量块相对于坐标原点的六自由度位移X＝[u,v,w,θx,θy,θz]T的解。
步骤3：计算所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移与预先标定的刚度矩阵的乘积，获得所述待测物体的加速度值。
具体地，将解得的质量块相对于坐标原点的六自由度位移X＝[u,v,w,θx,θy,θz]T乘以刚度矩阵K得到六维加速度A＝[ax,ay,az,βx,βy,βz]，即所述待测物体的加速度值。具体表达式为：A＝K·X，其中刚度矩阵K为一对角阵，其对角元素数值由在可产生六维标准加速度的试验台对加速度计进行标准加速度输入测试中，六维标准加速度按顺序除以六自由度位移得到。
本实施例中，所述采用最小二乘法对所述第一方程组进行求解，获得所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，包括：
S1：将所述第一方程组改写为V＝F(X)+e；其中，V＝[V1,...,VN]T，为N路所述干涉信号；F(·)＝[F1(·)，...，FN(·)]，为所述光路模型函数，由于第二准直器位置参数Pi的数值已被代入方程组，因此F(·)为仅关于X的函数；e＝[ε1,ε2,...,εn]，为N路所述干涉信号的噪声信号；X为所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，为待解算量；
S2：利用预设的参数标称值计算变量X的迭代初值X0；
S3：选取最小化目标函数
Figure BDA0003600712700000101
根据以下迭代公式对变量X进行迭代求解：
Xk+1＝Xk+[JT(Xk)J(Xk)]-1JT(Xk)[V-F(Xk)]
其中，
Figure BDA0003600712700000102
为F(Xk)的雅可比矩阵；
S4：给定误差预设值δ与最大迭代次数kmax，若||Xk+1-Xk||≥δ且k<kmax则回到S3继续迭代，否则结束迭代，得到接近真值的求解结果Xk+1。
本实施例中，所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数包括：该第二准直器的坐标，以及该第二准直器的出射激光方向向量；采用以下方式预先标定获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数：
步骤1：记录M次不同加速度输入时各路干涉信号的数值，将记录的各路干涉信号的数值代入所述光路模型方程组，获得如下第二方程组，其中，M>5N/(N-6)，使得方程组中方程数目大于未知数数目。
Figure BDA0003600712700000103
Figure BDA0003600712700000104
…
Figure BDA0003600712700000111
其中，各参数的含义与上述第一方程组中各参数的含义相同。在该第二方程组中，将质量块相对于坐标原点的六自由度位移X、第二准直器位置参数Pi均视为未知量，则共包含MN个方程，(6M+5N)个未知量。
步骤2：采用最小二乘法对所述第二方程组进行求解，获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数。
具体地，采用最小二乘法对上述第二方程组进行求解，即以最小化
Figure BDA0003600712700000112
为优化目标，解得达到目标时的准直器参数Pi的解，作为自标定结果，完成自标定。
本实施例中，所述采用最小二乘法对所述第二方程组进行求解，获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，包括：
S1：将所述第二方程组改写为V＝F(Y)+e；其中，V＝[V1,...,VMN]T，为MN路所述干涉信号；F(·)＝[F1(·)，...，FN(·)]，为所述光路模型函数；e＝[ε1,ε2,...,εMN]，为N路所述干涉信号的噪声信号；
Figure BDA0003600712700000113
为所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，以及，N路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，即为待解算的M组质量块相对于坐标原点的六自由度位移与N组第二准直器位置参数。
S2：利用预设的参数标称值计算变量Y的迭代初值Y0；
S3：选取最小化目标函数
Figure BDA0003600712700000114
根据以下迭代公式对变量Y进行迭代求解：
Yk+1＝Yk+[JT(Yk)J(Yk)]-1JT(Yk)[V-F(Yk)]
其中，
Figure BDA0003600712700000115
为F(Yk)的雅可比矩阵；
S4：给定误差预设值δ与最大迭代次数kmax，若||Yk+1-Yk||≥δ且k<kmax则回到S3继续迭代，否则结束迭代，得到接近真值的求解结果Yk+1，Yk+1中的N组第二准直器位置参数数值即为Pi的自标定结果。
本发明实施例提供的一种加速度计，由激光干涉仪产生参考光和测量光，其中，测量光经光纤传输至表头的壳体内部，出射至质量块表面，被质量块表面反射后再由激光干涉仪接收，并与参考光发生干涉，形成干涉光，之后转换为干涉信号由加速度解算模块解算出待测物体的加速度，即本发明实施例采用了激光干涉仪作为检测单元，相比于现有的采用应变片、压电传感器、电容传感器、电磁感应传感器作为检测单元的加速度计，本发明实施例的线性度更好，因此，能够有效降低因检测原理引起的非线性误差，进而提高加速度测量准确度，以获得更加精确的加速度测量结果。
本发明实施例提供的一种加速度计，是一种新型精密六维加速度计，具有高精度、大量程等优点；该加速度计整体由可测N(N>6)路位移的激光干涉仪、表头、加速度解算模块组成，表头由壳体、弹性支撑件与质量块组成，激光干涉仪由激光源、干涉镜组、信号处理板组成；激光干涉仪的测量光经过准直器进入表头，在质量块表面的不同位置处反射后与参考光发生干涉；当加速度输入时，激光干涉仪测得N路包含耦合、冗余的六维加速度信息的干涉信号，其输入至加速度解算模块后根据加速度解耦算法以及检测单元参数自标定算法得到各轴加速度值。本发明可应用于六维加速度精密测量。
相比于现有的六维加速度计，本发明还具有以下优点：
(1)相比于基于应变片、压电传感器、电容传感器、电磁感应传感器的六维加速度计，本发明采用了线性度更好的激光干涉仪作为检测单元，降低了因检测原理引起的非线性误差，提高了加速度测量准确度。
(2)本发明采用了多路信号冗余测量的原理，通过增加信号路数N，降低了因信号噪声引起的测量偶然误差，提高了加速度测量精密度。
(3)本发明采用了准直器参数自标定方法，避免了手动标定检测单元加工、安装误差，提高了干涉信号模型准确度，从而提高了加速度测量准确度。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种加速度计，其特征在于，包括：激光干涉仪、表头和加速度解算模块；所述表头包括：壳体、质量块和弹性支撑件；所述质量块设置于所述壳体内部，所述质量块与所述壳体之间通过所述弹性支撑件连接；所述壳体用于与待测物体固定连接；所述激光干涉仪用于产生参考光和测量光；所述测量光经光纤传输至所述壳体内部，出射至所述质量块表面；所述质量块表面用于反射所述测量光，形成反射光；所述激光干涉仪还用于接收所述反射光，并使所述反射光与所述参考光发生干涉，形成干涉光；所述激光干涉仪还用于将所述干涉光转换为干涉信号，并将其发送给所述加速度解算模块；所述加速度解算模块用于对接收到的所述干涉信号进行解算，获得所述待测物体的加速度值。
2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，当所述待测物体具有加速度时，所述质量块能够产生相对于所述壳体的六自由度位移；其中，所述六自由度包括：分别沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度，以及，分别绕X、Y、Z三个直角坐标轴的转动自由度。
3.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，所述弹性支撑件至少一个；所述质量块为正六面体形状；所述质量块的每个面通过与该面对应的所述弹性支撑件与所述壳体的内壁连接。
4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述质量块表面镀有激光反射膜。
5.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，所述激光干涉仪包括：激光源、干涉镜组和信号处理板；所述干涉镜组包括：偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和反射镜；所述激光源产生的激光经所述偏振分光镜分为所述参考光和所述测量光；所述参考光通过所述第一四分之一波片后，再经所述反射镜反射后沿原光路返回；所述测量光通过所述第二四分之一波片后，经第一准直器进入所述光纤，并由所述光纤传输至所述壳体内部，经第二准直器出射至所述质量块表面；所述反射光经所述第二准直器进入所述光纤，沿原光路返回；所述干涉光经第三准直器进入所述信号处理板，由所述信号处理板转换为所述干涉信号后发送给所述加速度解算模块。
6.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于，当所述质量块为正六面体形状时，所述测量光经所述第二准直器至少出射至所述质量块两两相邻的三个面。
7.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于，所述干涉镜组有N个，其中，N>6；所述激光源产生的激光分别经N路光纤传输至每个所述干涉镜组，以形成N路所述干涉光；所述信号处理板还用于将所述N路所述干涉光转换为N路所述干涉信号后发送给所述加速度解算模块。
8.根据权利要求7所述的加速度计，其特征在于，所述加速度解算模块采用以下方式对接收到的所述干涉信号进行解算，获得所述待测物体的加速度值：
将N路所述干涉信号代入光路模型方程组，获得第一方程组：
Figure FDA0003600712690000021
其中，Vi为第i路所述干涉信号，i＝1,2,3...,N；X为所述质量块相对于坐标原点的六自由度位移，其中，所述坐标原点为无加速度输入时所述质量块的质心所在的位置；Pi为与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，由预先标定获得；εi为第i路所述干涉信号的噪声信号；Fi(·)为第i路光路模型函数，该函数的输出量为第i路所述测量光与第i路所述参考光的光程差；
采用最小二乘法对所述第一方程组进行求解，获得所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移；
计算所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移与预先标定的刚度矩阵的乘积，获得所述待测物体的加速度值。
9.根据权利要求8所述的加速度计，其特征在于，所述采用最小二乘法对所述第一方程组进行求解，获得所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，包括：
S1：将所述第一方程组改写为V＝F(X)+e；其中，V＝[V1,...,VN]T，为N路所述干涉信号；F(·)＝[F1(·)，...，FN(·)]，为所述光路模型函数；e＝[ε1,ε2,...,εn]，为N路所述干涉信号的噪声信号；X为所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移；
S2：利用预设的参数标称值计算变量X的迭代初值；
S3：选取最小化目标函数
Figure FDA0003600712690000031
根据以下迭代公式对变量X进行迭代求解：
Xk+1＝Xk+[JT(Xk)J(Xk)]-1JT(Xk)[V-F(Xk)]
其中，
Figure FDA0003600712690000032
为F(Xk)的雅可比矩阵；
S4：给定误差预设值δ与最大迭代次数kmax，若||Xk+1-Xk||≥δ且k<kmax则回到S3继续迭代，否则结束迭代，得到接近真值的求解结果Xk+1。
10.根据权利要求8所述的加速度计，其特征在于，所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数包括：该第二准直器的坐标，以及该第二准直器的出射激光方向向量；采用以下方式预先标定获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数：
记录M次不同加速度输入时各路干涉信号的数值，将记录的各路干涉信号的数值代入所述光路模型方程组，获得如下第二方程组，其中，M>5N/(N-6)；
Figure FDA0003600712690000033
Figure FDA0003600712690000041
…
Figure FDA0003600712690000042
采用最小二乘法对所述第二方程组进行求解，获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数。
11.根据权利要求10所述的加速度计，其特征在于，所述采用最小二乘法对所述第二方程组进行求解，获得所述与第i路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数，包括：
S1：将所述第二方程组改写为V＝F(Y)+e；其中，V＝[V1,...,VMN]T，为MN路所述干涉信号；F(·)＝[F1(·)，...，FN(·)]，为所述光路模型函数；e＝[ε1,ε2,...,εMN]，为N路所述干涉信号的噪声信号；
Figure FDA0003600712690000043
为所述质量块相对于所述坐标原点的六自由度位移，以及，N路所述干涉信号对应的所述第二准直器的位置参数；
S2：利用预设的参数标称值计算变量Y的迭代初值；
S3：选取最小化目标函数
Figure FDA0003600712690000044
根据以下迭代公式对变量Y进行迭代求解：
Yk+1＝Yk+[JT(Yk)J(Yk)]-1JT(Yk)[V-F(Yk)]
其中，
Figure FDA0003600712690000045
为F(Yk)的雅可比矩阵；
S4：给定误差预设值δ与最大迭代次数kmax，若||Yk+1-Yk||≥δ且k<kmax则回到S3继续迭代，否则结束迭代，得到接近真值的求解结果Yk+1。
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