閉環控制的幹涉型光纖加速度計的製作方法

2023-05-12 09:43:26 2

專利名稱：閉環控制的幹涉型光纖加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖加速度計，尤其是涉及一種閉環控制的幹涉型光纖加速度計。
背景技術：
光纖加速度計是一種光-機-電技術一體化的新型慣性系統，由於光纖加速度計具有抗電磁幹擾，靈敏度高，能在惡劣環境(高溫，高壓力、高場強、易燃，易爆、強腐蝕等)下工作，體積小，重量輕，成本低等優點，已成為近年研究的熱點。隨著技術的發展，對加速度計的靈敏度、頻率響應要求也越來越高。但由於光的頻率一般為IO14Hz,光檢測器不能跟蹤這樣高的頻率，所以相位調製信號不能直接被探測到。一般將相位調製轉換成強度調製，將相位檢測轉換成強度檢測。作為一種慣性系統，加速度 計常與陀螺一同使用，現有的陀螺信號的調製與檢測技術較成熟，如能在加速度計的信號調製與檢測中應用將會帶來較大的優勢，但現有的加速度計的結構還不能直接沿用陀螺信號的調製檢測系統。

發明內容
為了解決技術背景中存在的問題，本發明的目的在於提供一種閉環控制的幹涉型光纖加速度計，使檢測靈敏度提高，也便於陀螺與加速度計共用一套調製系統。本發明採用的技術方案是
光從光源輸出，光源的輸出端與第一 I禹合器的第一輸入端連接，第一 I禹合器的輸入輸出端與波導I禹合器部分的輸入輸出端連接，探測器與第一I禹合器的第一輸出端連接；波導率禹合器部分的第一輸出端、第二輸入端、第二輸出端和第一輸入端分別與第一隔離器輸入端、第二隔離器輸出端以及光纖柔性盤的第二輸入端、第一輸出端連接；光纖柔性盤的第一輸入端經第一光纖環與第一隔離器的輸出端連接，光纖柔性盤的第二輸出端經第二光纖環與第二隔離器的輸入端連接。所述的波導稱合器部分包括Y波導、第二稱合器和第三稱合器；Y波導的第一輸入輸出端與第二I禹合器的第一輸入輸出端連接，Y波導的第二輸入輸出端與第三I禹合器的第一輸入輸出端連接；
Y波導的輸入輸出端與所述第一 I禹合器的輸入輸出端連接，第二 I禹合器的第一輸出端與所述第一隔離器輸入端連接，第二耦合器的第二輸入端與所述第二隔離器輸出端連接，第三I禹合器的第二輸出端、第一輸入端分別與所述光纖柔性盤的第二輸入端、第一輸出端連接。所述的波導耦合器部分採用集成光學晶片；集成光學晶片結構如下在鈮酸鋰基片上的Y形大分支的兩個分支端分別光刻有第一Y形小分支和第二Y形小分支，Y形大分支的兩個分支端分別作為第一 Y形小分支和第二 Y形小分支的合束端，在Y形大分支的兩個分支端的兩側均鍍有電極；Y形大分支的合束端與所述第一稱合器的輸入輸出端連接，第一 Y形小分支的兩個分支端分別與所述第一隔離器輸入端、第二隔離器輸出端連接，第二 Y形小分支的兩個分支端分別與所述光纖柔性盤的第二輸入端、第一輸出端連接。所述的Y波導輸入輸出端到第二隔離器輸出端的光程LI與Y波導輸入輸出端到光纖柔性盤第一輸出端的光程L2之間的光程差滿足I L1-L2 I <20微米。所述的Y波導輸入輸出端到第二I禹合器第二輸入端的光程L3與Y波導輸入輸出端到第三耦合器第一輸入端的光程L4之間的光程差滿足I L3-L4 I <20微米。本發明具有的有益效果是
本發明使光纖加速度計信號的調製檢測可以借用成熟的幹涉式光纖陀螺的閉環調製檢測方式，也為陀螺與加速度計共用一套調製系統提供了可能。閉環調製檢測方式抗幹擾能力強，穩定性高，線性度好，精度與測量值無關，動態範圍大，這樣使該系統降低了噪聲與飄移，提聞精度與穩定性。


圖I是本發明採用Y波導、第二耦合器和第三耦合器的結構示意圖。圖2是集成光學晶片結構示意圖。圖3是本發明採用集成光學晶片的結構示意圖。圖4是光纖柔性盤表面示意圖。圖5是本發明光程差匹配結構示意圖。圖6是本發明及其調製系統的示意圖。圖中1.光源，2.探測器，3.第一耦合器，4.Y波導，5.第二耦合器，6.第三耦合器,7.第一隔離器,8.第二隔離器,9.第一光纖環，10.第二光纖環，11.光纖柔性盤,12. A/D轉換器,13.數位訊號處理單兀,14. D/A轉換器,15.集成光學晶片。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明。如圖I所不,本發明包括以下結構光從光源I輸出，光源I的輸出端與第一I禹合器3的第一輸入端A連接,第一f禹合器3的輸入輸出端C與波導I禹合器部分的輸入輸出端D連接，探測器2與第一I禹合器3的第一輸出端B連接；波導I禹合器部分的第一輸出端、第二輸入端、第二輸出端和第一輸入端分別與第一隔離器7輸入端M、第二隔離器8輸出端N以及光纖柔性盤11的第二輸入端U、第一輸出端V連接；光纖柔性盤11的第一輸入端R經第一光纖環9與第一隔離器7的輸出端O連接,光纖柔性盤11的第二輸出端Q經第二光纖環10與第二隔離器8的輸入端P連接。如圖I所示，波導耦合器部分包括Y波導4、第二耦合器5和第三耦合器6; Y波導4的第一輸入輸出端E與第二I禹合器5的第一輸入輸出端G連接，Y波導4的第二輸入輸出端F與第三I禹合器6的第一輸入輸出端H連接；Y波導4的輸入輸出端D與所述第一率禹合器3的輸入輸出端C連接,第二I禹合器5的第一輸出端I與所述第一隔離器7輸入端M連接，第二耦合器5的第二輸入端J與所述第二隔離器8輸出端N連接，第三耦合器6的第二輸出端K與所述光纖柔性盤11的第二輸入端U連接,第三稱合器6的第一輸入端L與所述光纖柔性盤11的第一輸出端V連接。如圖3所示，所述的波導耦合器部分採用集成光學晶片15 ;如圖2所示，集成光學晶片15結構如下在鈮酸鋰基片上的Y形大分支的兩個分支端分別光刻有第一 Y形小分支和第二 Y形小分支,Y形大分支的兩個分支端分別作為第一 Y形小分支和第二 Y形小分支的合束端，在Y形大分支的兩個分支端的兩側均鍍有電極；Y形大分支的合束端與所述第一耦合器3的輸入輸出端C連接，第一 Y形小分支的兩個分支端分別與所述第一隔離器7輸入端Μ、第二隔離器8輸出端N連接，第二 Y形小分支的兩個分支端分別與所述光纖柔性盤11的第二輸入端U、第一輸出端V連接。Y波導4輸入輸出端D到第二隔離器8輸出端N的光程LI與Y波導4輸入輸出端D到光纖柔性盤11第一輸出端V的光程L2之間的光程差滿足I L1-L2 |〈20微米。Y波導4輸入輸出端D到第二I禹合器5第二輸入端J的光程L3與Y波導4輸入輸出端到第三耦合器6第一輸入端L的光程L4之間的光程差滿足I L3-L4 | <20微米。如圖4所示，光纖柔性盤11的結構為兩面對稱布置光纖，光纖以螺旋式單層粘貼在柔性盤表面，那麼在每個表面會有兩個埠，把其中一個作為輸入端，另一端作為輸出端，這樣就形成了兩個輸入端與兩個輸出端，其中兩輸入端分別為第一輸入端R、第二輸入 端U，兩輸出端分別為第一輸出端V、第二輸出端Q。因為要採用光纖陀螺的高精度的調製解調方法，一般要求光纖的長度大於300米，這樣能達到調製頻率。而一般的光纖加速度計中柔性盤上的光纖長度小於100米，所以將光纖柔性盤11與第一、第二光纖環相連接達到所需長度，如果光纖柔性盤11上的光纖長度可以達到調製頻率的要求，就不用連接第一、第二光纖環。如圖I所示，本發明的光路結構含有兩個幹涉臂
第一幹涉臂光從光源I輸出經第一稱合器3傳到波導稱合器部分中,然後光從波導率禹合器部分的第一輸出端依次經第一隔離器7、第一光纖環9傳到光纖柔性盤11中，再從光纖柔性盤11的第一輸出端V傳回到波導耦合器部分中，最後從波導耦合器部分經第一耦合器3傳到探測器2後被接收。第二幹涉臂光從光源I輸出經第一耦合器3傳到波導耦合器部分中，然後從波導耦合器部分的第二輸出端傳到光纖柔性盤11中，再從光纖柔性盤11的第二輸出端Q依次經第二光纖環10、第二隔離器8傳回到波導耦合器部分中，最後從波導耦合器部分經第一耦合器3傳到探測器2後被接收。本發明採用如下的兩個幹涉臂光程差匹配方法
兩個幹涉臂光路的光程差要符合光源譜寬的要求，設光源的光譜寬度為
△ ，要求兩個幹涉臂的最大光程差△為/f/{A，所以要保證兩個幹涉臂光路的光程差小於最大光程差Δ。為了達到上述要求，本發明對光路進行光程匹配。對于波導耦合器部分採用集成光學晶片15的本發明光路結構，使用高精度反射儀AQ7410B對光路進行測量，高精度反射
儀AQ7410B的最高精度可達20 μ m，根據Λ = ，如使用光源波長為1550nm，可計算出
光程差20 μ m所對應的光源譜寬可達約120nm，所以該光路使用光源譜寬a lmm，用光纖切割刀切割第二隔離器8輸出端N的光纖尾纖，使L1-L2 I〈1mm，若L2-Ll>lmm，用光纖切割刀切割光纖柔性盤11第一輸出端V的光纖尾纖，使L1-L2 I〈1mm ;此時分別將第二隔離器8輸出端N的光纖尾纖與光纖柔性盤11第一輸出端V的光纖尾纖嵌入到鈮酸鋰為基底的晶體頭中，用高精度反射儀AQ7410B再次測量光程LI、光程L2，用研磨機研磨較長端的光纖尾纖，一邊研磨一邊測量，直至光程差達到高精度反射儀的最高精度，最高精度為20微米。集成光學晶片15在製作時已保證了內部的光程匹配。將高精度反射儀AQ7410B撤掉，將晶體頭與集成光學晶片15的分束端對接，將第一耦合器3輸入輸出端C與集成光學晶片15的Y形大分支的合束端對接。如圖I所示的光路結構，匹配兩個幹涉臂光路的光 程方法與上述方法類似。連接光路時，保持圖I中第二隔離器8輸出端N與第二耦合器5第二輸入端J斷開，光纖柔性盤11第一輸出端V與第三耦合器6第一輸入端L斷開。那麼會形成四路兩組光路一組為光源I經過第一耦合器3、Y波導4後分別經過第二耦合器5到達第二耦合器5第二輸入端J與第三稱合器6達到第三稱合器6第一輸入端L,另一組為光源經過第一稱合器I、Y波導4後分別經過第一隔離器7，第一光纖環9，光纖柔性盤11到達光纖柔性盤11第一輸出端V與經過光纖柔性盤11，第二光纖環10，第二隔離器8到第二隔離器8輸出端N。兩組光路分別按上述方法控制光程，最後對接。仿照光纖陀螺的調製系統，本發明的調製系統為數字閉環調製。如圖6所示，光探測器實現光電轉化功能，與前置放大器相連，而後將信號A/D轉換器12進行A/D轉化，得到數位訊號，輸入數位訊號處理單元13，即DSP，對信號進行解調，積分，生成調製波，並從寄存器輸出光纖加速度計的信號，將調製波信號經D/A轉換器14進行D/A轉換，經過放大後加載到Y波導上進行調製。上述具體實施方式
用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種閉環控制的幹渉型光纖加速度計，其特徵在於光從光源(I)輸出，光源(I)的輸出端與第一I禹合器(3)的第一輸入端連接,第一I禹合器(3)的輸入輸出端與波導I禹合器部分的輸入輸出端連接，探測器(2)與第一f禹合器(3)的第一輸出端連接；波導I禹合器部分的第一輸出端、第二輸入端、第二輸出端和第一輸入端分別與第一隔離器(7)輸入端、第二隔離器(8)輸出端以及光纖柔性盤(11)的第二輸入端、第一輸出端連接；光纖柔性盤(11)的第一輸入端經第一光纖環(9)與第一隔離器(7)的輸出端連接,光纖柔性盤(11)的第二輸出端經第二光纖環(10)與第二隔離器(8)的輸入端連接。
2.根據權利要求I所述的ー種閉環控制的幹渉型光纖加速度計，其特徵在於所述的波導稱合器部分包括Y波導(4)、第二稱合器(5)和第三稱合器(6) ； Y波導(4)的第一輸入輸出端與第二I禹合器(5)的第一輸入輸出端連接，Y波導(4)的第二輸入輸出端與第三率禹合器(6)的第一輸入輸出端連接；Y波導(4)的輸入輸出端與所述第一I禹合器(3)的輸入輸出端連接，第二耦合器(5)的第一輸出端與所述第一隔離器(7)輸入端連接，第二耦合器(5)的第二輸入端與所述第二隔離器(8)輸出端連接，第三耦合器(6)的第二輸出端、第一輸入端分別與所述光纖柔性盤(11)的第二輸入端、第一輸出端連接。
3.根據權利要求I所述的ー種閉環控制的幹渉型光纖加速度計，其特徵在於所述的波導耦合器部分採用集成光學晶片(15);集成光學晶片(15)結構如下在鈮酸鋰基片上的Y形大分支的兩個分支端分別光刻有第一 Y形小分支和第二 Y形小分支,Y形大分支的兩個分支端分別作為第一 Y形小分支和第二 Y形小分支的合束端，在Y形大分支的兩個分支端的兩側均鍍有電極；Y形大分支的合束端與所述第一耦合器(3)的輸入輸出端連接，第一 Y形小分支的兩個分支端分別與所述第一隔離器(7)輸入端、第二隔離器(8)輸出端連接，第ニ Y形小分支的兩個分支端分別與所述光纖柔性盤(11)的第二輸入端、第一輸出端連接。
4.根據權利要求2所述的ー種閉環控制的幹渉型光纖加速度計，其特徵在於所述的Y波導(4)輸入輸出端到第二隔離器(8)輸出端的光程LI與Y波導(4)輸入輸出端到光纖柔性盤(11)第一輸出端的光程L2之間的光程差滿足I L1-L2 I <20微米。
5.根據權利要求2所述的ー種閉環控制的幹渉型光纖加速度計，其特徵在於所述的Y波導(4)輸入輸出端到第二I禹合器(5)第二輸入端的光程L3與Y波導(4)輸入輸出端到第三稱合器(6)第一輸入端的光程L4之間的光程差滿足I L3-L4 | <20微米。
全文摘要
本發明公開了一種閉環控制的幹涉型光纖加速度計。光從光源輸出，光源的輸出端與第一耦合器的第一輸入端連接，第一耦合器的輸入輸出端與波導耦合器部分的輸入輸出端連接，探測器與第一耦合器的第一輸出端連接；波導耦合器部分的第一輸出端、第二輸入端、第二輸出端和第一輸入端分別與第一隔離器輸入端、第二隔離器輸出端以及光纖柔性盤的第二輸入端、第一輸出端連接；光纖柔性盤的第一輸入端經第一光纖環與第一隔離器的輸出端連接，光纖柔性盤的第二輸出端經第二光纖環與第二隔離器的輸入端連接。本發明閉環調製檢測方式抗幹擾能力強，穩定性高，線性度好，精度與測量值無關，動態範圍大，這樣使該系統降低了噪聲與飄移，提高精度與穩定性。
文檔編號G01P15/093GK102759634SQ20121022030
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者劉承, 王冬雲, 王明超, 舒曉武 申請人:浙江大學