实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元

摘要

本发明公开了一种实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元。下端由金属支架支撑的柔性板置于光纤环架的凹槽中间，陀螺环盘绕在光纤环架的外侧，板下加速度计环顺时针盘绕并固定在柔性板下方；板上加速度计环逆时针盘绕并固定在柔性板上方，板下加速度计环内圈尾纤和陀螺环一端尾纤相连，形成第一焊接点；板上加速度计环内圈尾纤和陀螺环另一端尾纤相连，形成第二焊接点，板下加速度计环外圈尾纤和板上加速度计环外圈尾纤分别与Y波导两个出光端连接。本发明将光纤陀螺仪和加速度计的惯性敏感单元集成在一个环形架上，提高了系统的可靠性，使系统小型化，并降低了系统的成本。由于惯性敏感单元为全光纤结构，大大提高了系统的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤和传感领域，特别是涉及一种实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元。

背景技术

光纤陀螺仪和加速度计组合使用，实现了加速度和角速度的测量，在导航、系统稳定等广泛领域有着重要用途。对使用光纤陀螺和加速度计的系统而言，可靠性和对环境变化的稳定性非常关键，而这种系统的小型化是发展的趋势。传统的系统因为是由光纤陀螺和加速度计分立器件制作的，不仅成本高、体积大，而且可靠性也比较低。本发明通过采用一个复用光纤惯性敏感单元，将光纤陀螺仪和加速度计的惯性敏感单元集成在一个环形架上，提高了系统的可靠性，使系统小型化，并降低了系统的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元，通过采用一个复用光纤惯性敏感单元，将光纤陀螺仪和加速度计的惯性敏感单元集成在一个光纤环架上，提高了系统的可靠性，使系统小型化。

本发明采用的技术方案是：

包括光纤环架，柔性板，金属支架，板下加速度计环，板上加速度计环和陀螺环；下端由金属支架支撑的柔性板置于光纤环架的凹槽中间，陀螺环盘绕在光纤环架的外侧，板下加速度计环顺时针盘绕并固定在柔性板下方；板上加速度计环逆时针盘绕并固定在柔性板上方，板下加速度计环内圈尾纤和陀螺环一端尾纤相连，形成第一焊接点；板上加速度计环内圈尾纤和陀螺环另一端尾纤相连，形成第二焊接点，板下加速度计环外圈尾纤和板上加速度计环外圈尾纤分别与Y波导两个出光端连接。

所述的板下加速度计环环长与板上加速度计环环长及陀螺环环长的比例为1∶1∶2。

所述的第一焊接点、第二焊接点的反射率选取为使得反射与两次透射的强度相等，即反射率为0.382，折射率为0.618。

本发明具有的有益效果是：

将光纤陀螺仪和加速度计的惯性敏感单元集成在一个环形架上，提高了系统的可靠性，使系统小型化，并降低了系统的成本。另外由于惯性敏感单元为全光纤结构，大大提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元示意图。

图2是实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元整体光路示意图。

图3是采用全环长本征频率调制时信号相位示意图；(a)、陀螺仪信号光调制时延，(b)、陀螺仪信号光相位差，(c)、马赫-泽德干涉仪信号光调制时延，(d)、马赫-泽德干涉仪信号光相位差。

图4是采用两倍全环长本征频率调制时信号相位示意图；(a)、马赫-泽德干涉仪信号光调制时延，(b)、马赫-泽德干涉仪信号光相位差，(c)、陀螺仪信号光调制时延，(d)、陀螺仪信号光相位差。

图中：1、光纤环架，2、柔性板，3、金属支架，4、板下加速度计环，5、板上加速度计环，6、陀螺环，7、陀螺环一端尾纤，8、陀螺环另一端尾纤，9、板下加速度计环内圈尾纤，10、板上加速度计环内圈尾纤，11、第一焊接点，12、第二焊接点，13、板下加速度计环外圈尾纤，14、板上加速度计环外圈尾纤，15、SLD光源，16、耦合器，17、Y波导，18、PIN探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括光纤环架1，柔性板2，金属支架3，板下加速度计环4，板上加速度计环5和陀螺环6；下端由金属支架3支撑的柔性板2置于光纤环架1的凹槽中间，陀螺环6盘绕在光纤环架(1)的外侧，板下加速度计环4顺时针盘绕并固定在柔性板2下方；板上加速度计环5逆时针盘绕并固定在柔性板2上方，板下加速度计环内圈尾纤9和陀螺环一端尾纤7相连，形成第一焊接点11；板上加速度计环内圈尾纤10和陀螺环另一端尾纤8相连，形成第二焊接点12，板下加速度计环外圈尾纤13和板上加速度计环外圈尾纤14分别与Y波导7两个出光端连接。

所述的板下加速度计环4环长与板上加速度计环5环长及陀螺环6环长的比例为1∶1∶2。

所述的第一焊接点11、第二焊接点12的反射率选取为使得反射与两次透射的强度相等，即反射率为0.382，折射率为0.618。反射率的实现由焊接机在光纤焊接过程中通过人为失配获得利用复用技术得到。

本发明用一个马赫-泽德干涉仪加速度计和一个光纤陀螺仪的原理描述。其中板下加速度计环4和板上加速度计环5组成马赫-泽德干涉仪的两臂，马赫-泽德干涉仪信号利用第一焊接点11、第二焊接点12的反射光干涉得到，实现对加速度的测量；陀螺环6为陀螺仪的工作环，陀螺仪信号利用第一焊接点11、第二焊接点12的透射光干涉得到，实现对角速度的测量。由于反射率选择，两种信号光强相同。

通过板下加速度计环4顺时针盘绕在柔性板2下方，板上加速度计环5逆时针盘绕在柔性板2上方，使马赫-泽德干涉仪不产生sagnac效应。

如图2所示为一种实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元的整体光路。光从SLD光源15出发，经过耦合器16，在Y波导17中分光调制，两束光分别经过板下加速度计环4和板上加速度计环5后，分别在第一焊接点11和第二焊接点12反射和透射。两束反射光返回后干涉，最后返回PIN探测器18中；两束透射光继续经过陀螺环6，再分别经过板上加速度计环5和板下加速度计环4后干涉，最后返回PIN探测器18中。

一种实现加速度与角速度同时测量的复用光纤惯性敏感单元的整体光路，通过Y波导3所加频率不同分别实现对马赫-泽德干涉仪和光纤陀螺仪信号的调制解调。

Y波导的调制频率为所有环长的本征频率，此时对陀螺仪信号来说，两束光调制后的时延如图3(a)所示，得到两束光的相位差如图3(b)所示，静止时，两束光相位差为±π/2，对马赫-泽德干涉仪信号来说，两束光调制后的时延如图3(c)所示，得到两束光的相位差如图3(d)所示，两束光相位差在±π/2和0之间变化；光纤惯性敏感单元加速或旋转运动时，陀螺仪工作在线性区域，马赫-泽德干涉仪信号两束光相位差与静止时相同，则取马赫-泽德干涉仪信号光相位差为0的时段解调，以消除马赫-泽德干涉仪对陀螺仪的影响，实现对角速度的精确测量。

Y波导的调制频率为两倍所有环长的本征频率，此时对马赫-泽德干涉仪信号来说，两束光调制后的时延如图4(a)所示，得到两束光的相位差如图4(b)所示，静止时，两束光相位差为±π/2，对陀螺仪信号来说，两束光调制后的时延如图4(c)所示，得到两束光的相位差如图4(d)所示，两束光相位差为0；光纤惯性敏感单元加速或旋转运动时，马赫-泽德干涉仪信号工作在线性区域，陀螺仪信号的微小相位差对马赫-泽德干涉仪影响不大，加速度得到精确测量。