一种基于光纤Sagnac干涉仪的角加速度测量装置

一种基于光纤sagnac干涉仪的角加速度测量装置
技术领域
1.本发明涉及超声探测领域，特别是涉及一种基于光纤sagnac干涉仪的角加速度测量装置。


背景技术：

2.角加速度作为表征物体旋转运动的基本物理参量，是导弹、火箭、卫星等敏感载体平台实现精确动力学控制的关键，因此其测量方法的研究具有重要的科学意义。目前，用于角加速度测量的传感器已广泛应用于航空航天、军事武器以及交通运输等诸多领域。但随着科学技术的发展和精确自动化控制的需求，对角加速度传感器的性能提出了更高的要求，兼具高精度、大动态响应、小型化以及强环境适应性等优点的角加速度传感器具有重要的应用价值。
3.光纤sagnac效应是一种光在光纤环中产生干涉的物理效应。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个光纤环路内沿相反方向循行一周后会合产生干涉，如果光纤环绕所在平面的法向发生了旋转，那么两束光从干涉仪中出射时的相位将不再一致，而是会产生一个跟旋转速度相关的相位，从而引起干涉条纹的移动，这个相位移动φs就是光纤sagnac相移，其表达式为：
[0004][0005]
其中，λ为光波波长，l为光纤环长度，d为光纤环面积，c为真空中的光速，ω为自转角速度。
[0006]
基于光纤sagnac效应测量角速度的传感器称之为光纤陀螺，其具有无机械结构、精度高、可靠性高以及寿命长等优点。光纤陀螺的干涉信号为：
[0007]
i＝i0[1+cos(φs+δφ(t))]。
ꢀꢀ
公式(2)
[0008]
其中，i为输出光强，i0为入射光强，φs为相位移动，δφ(t)为相位附加值。通过解调干涉信号即可还原角速度测量值。
[0009]
双偏振光纤sagnac干涉仪可以使用光纤的两个偏振通道传输光信号，完成干涉后可以解调出两个独立的角速度结果，对其中一个角速度输出值进行延时再将两个角速度差分即可求解出具有平坦化波形的角加速度值。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的是提供一种基于双偏振光纤sagnac干涉仪的角加速度测量装置，具有精度高、动态响应大以及环境适应性强的优点。
[0011]
本发明的技术方案为：
[0012]
一种基于光纤sagnac干涉仪的角加速度测量装置，其特征在于，包括基于双偏振光纤sagnac干涉光路和数字信号采集处理单元；所述双偏振光纤sagnac干涉光路包括光源模块、二个环形器、二个光学调制器和传感模块；其中，
[0013]
所述传感模块包括四个输入输出端口，用于根据输入信号产生干涉信号后输出；
[0014]
所述光源模块包括四个输出端口，其中，四个输出端口所输出的激光为频率相同的线偏振光；第一、四输出端口输出的激光分别经第一、三光电探测器采集后输入所述数字信号采集处理单元；
[0015]
第二输出端口输出的激光依次经第一环形器进入第一光学调制器分成两路并分别进入到传感模块的两输入输出端口，记为第五端口、第七端口；第三输出端口输出的激光依次经第二环形器进入第二光学调制器分成两路并分别进入到传感模块的两输入输出端口，记为第六端口、第八端口；
[0016]
第五端口、第七端口返回的干涉信号光经第一光学调制器耦合后经第一环形器入射至第二光电探测器，第二光电探测器将采集信号输入所述数字信号采集处理单元；第六端口、第八端口返回的干涉信号光经第二光学调制器耦合后经第二环形器入射至第四光电探测器，第四光电探测器将采集信号输入所述数字信号采集处理单元；
[0017]
所述数字信号采集处理单元根据收到的信号计算角加速度信号。
[0018]
可选的，所述数字信号采集处理单元包括四个数字信号处理器和三个arm；其中，第一数字信号处理器3用于对第一光电探测器2输入的信号进行处理后输入第一arm处理器37，第二数字信号处理器4用于对第二光电探测器5输入的信号进行处理后输入第一arm处理器37；第三数字信号处理器9用于对第三光电探测器8输入的信号进行处理后输入第二arm处理器38，第四数字信号处理器10用于对第四光电探测器11输入的信号进行处理后输入第二arm处理器38；第三arm处理器39根据第一arm处理器37、第二arm处理器38所得结果计算得到所述角加速度信号。
[0019]
可选的，所述光源模块包括第一光源14、第一起偏器15、第一光纤耦合器16、光纤延迟环17、第二光纤耦合器18、第三光纤耦合器19；其中，第一光源14发出的激光经第一起偏器15起偏变成线偏振光后进入第一光纤耦合器16分成两路，第一支路的光束依次经光纤延迟环17、第二光纤耦合器18后分为两束分别输出至所述第一输出端口、第二输出端口；第二支路的光束经第三光纤耦合器19后分为两束分别输出至所述第三输出端口、第四输出端口。
[0020]
可选的，所述光源模块包括第二光源20、第二起偏器21、第四光纤耦合器22、第三光源23、第三起偏器24和第五光纤耦合器25；其中，第二光源20发出的激光经第二起偏器21起偏变成线偏振光后进入第四光纤耦合器22分成两束分别输出至所述第一输出端口、第二输出端口；第三光源23发出的激光经第三起偏器24起偏变成线偏振光后进入第五光纤耦合器25分为两束分别输出至所述第三输出端口、第四输出端口。
[0021]
可选的，所述传感模块包括第一光纤分束合束器26、第一保偏光纤环27和第二光纤分束合束器28；其中，第一光纤分束合束器26的两分束端口分别与所述第五端口、第六端口连接，合束端口与第一保偏光纤环27的一端连接；第二光纤分束合束器28的两分束端口分别与所述第七端口、第八端口连接，合束端口与第一保偏光纤环27的另一端连接。
[0022]
可选的，所述传感模块包括第一光纤扇入扇出器29、多芯光纤环30和第二光纤扇入扇出器31；其中，第一光纤扇入扇出器29的用于将所述第五端口、第六端口的输入光束扇入所述多芯光纤环30，以及将多芯光纤环30内的干涉信号输出至所述第五端口、第六端口；第二光纤扇入扇出器31的用于将所述第七端口、第八端口的输入光束扇入所述多芯光纤环30，以及将多芯光纤环30内的干涉信号输出至所述第七端口、第八端口。
[0023]
可选的，所述传感模块包括第二保偏光纤环35和第三保偏光纤环36；其中，第二保偏光纤环35的一端与所述第五端口连接、另一端与第六端口连接；第三保偏光纤环36的一端与所述第七端口连接、另一端与第八端口连接。
[0024]
本发明的优点如下：
[0025]
双偏振光纤sagnac干涉仪对旋转运动的测量具有极高的灵敏度，且其对温度、磁场等环境因素变化不敏感，具有很好的环境适应性。本发明通过研究发现，基于双偏振光纤sagnac干涉仪通过正交通道信号逼近微分算法可以实现角加速度的测量，这为角加速度的测量提供了新的解决思路和途径。本发明的实施将为新型高性能角加速度传感器研制提供理论依据和技术支撑，进一步拓展其在更多领域的应用，产生巨大的社会应用价值和经济效益。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本发明的装置总体结构原理图。
[0028]
图2为光源模块原理图；
[0029]
(a)光源模块一结构图，(b)光源模块二结构图。
[0030]
图3为传感模块原理图；
[0031]
(a)传感模块一结构图，(b)传感模块二结构图，(c)传感模块三结构图，(d)传感模块四结构图。
[0032]
图4为数字信号采集处理单元原理图。
[0033]
附图标号：1-光源模块，2-第一光电探测器，3-第一数字信号处理器，4-第二数字信号处理器，5-第二光电探测器，6-环形器，7-第一光学调制器，8-第三光电探测器，9-第三数字信号处理器，10-第四数字信号处理器，11-第四光电探测器，12-第二光学调制器，13-传感模块；14-第一光源，15-第一起偏器，16-第一光纤耦合器，17-光纤延迟环，18-第二光纤耦合器，19-第三光纤耦合器，20-第二光源，21-第二起偏器，22-第四光纤耦合器，23-第三光源，24-第三起偏器，25-第五光纤耦合器；26-第一光纤分束合束器，27-第一保偏光纤环，28-第二光纤分束合束器，29-第一光纤扇入扇出器，30-多芯光纤环，31-第二光纤扇入扇出器，32-第一多模光纤分束合束器，33-多模光纤环，34-第二多模光纤分束合束器，35-第二保偏光纤环，36-第三保偏光纤环；37-第一arm处理器，38-第二arm处理器，39-第三arm处理器。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0035]
本发明涉及一种基于光纤sagnac干涉仪的角加速度测量装置。该装置如图1所示，由电路部分和光路部分组成，其中电路部分用于信号解调，光路部分是一个基于光纤
sagnac干涉仪的调制解调光路，包括光源模块、光电探测器、数字信号采集处理(dsp)、光学调制器(mioc)、环形器、传感模块。整个光路系统均采用保偏光纤设计，具体的工作原理如下：光源模块发出的光其中一路进入光电探测器直接进行信号采集，另一路进入光纤环形器中然后进入到两个mioc中。经过两个光波导调制器后的光分成两路进入到传感模块。传感模块会在外界角速度下对传导的光信号产生调制(光纤环放置在旋转的待测物体上或者其内部)，从而携带旋转信号，然后光信号再次返回两个mioc并进入到光纤环形器中。由于光纤环形器的方向性，返回的信号会进入两个光电探测器。光电探测器可以将光信号转换为电信号，然后经放大器放大再进行数字信号采集处理，通过公式(2)可求出角速度值。传感系统可以同时实现两路角速度输出，通过对一路延时δτ再进行时域微分就可以求出角加速度值。角加速度可表示为：
[0036][0037]
其中，b为角加速度，ω,t分别为角速度输出值和时间。光源模块如图2所示，包括多种可选结构，光源模块一结构如图2(a)所示，其中第一光源系统发出的光经第一起偏器起偏变成线偏振光，然后进入第一光纤耦合器分成两路，其中一路经延时环进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器将光分成两路进入光源输出模块1)和2)。第一光纤耦合器的另一路输出光进入第三光纤耦合器分成两路分别进入到光源输出模块3)和4)。
[0038]
特别的，光源模块也可以采用图2(b)所示的光源模块二，使用双光源模式工作。第二光源经第二起偏器后进入第四光纤耦合器，然后分成两路进入光源输出端口1)和2)。第三光源经第三起偏器后进入第五光纤耦合器，然后分成两路进入光源输出端口3)和4)。
[0039]
传感模块如图3所示，包括传感模块一～四等多种可选结构；其中，图3(a)所示的传感模块一包含光纤分束合束器和光纤环，从端口5)和端口6)进入的光经第一合束分束器合束后进入到保偏光纤环，然后再经第二光纤分束合束器分束到端口7)和端口8)。光在传感模块的光纤环中发生干涉，当外界产生旋转运动时会在sagnac效应下产生相移，从而实现对旋转角速度的检测。
[0040]
图3(b)所示的传感模块二包含光纤扇入扇出器和多芯光纤环，从端口5)和端口6)进入的光经第一光纤扇入扇出器后进入到多芯光纤环，然后再经第二光纤扇入扇出器分到端口7)和端口8)。
[0041]
图3(c)所示的传感模块三包含光纤多模分束合束器和多模光纤环，从端口5)和端口6)进入的光经第一光纤多模分束合束器后进入到多模光纤环，然后再经第二光纤多模分束合束器分到端口7)和端口8)。
[0042]
图3(d)所示的传感模块四包含两个保偏光纤环，从端口5)进入的光经第一保偏光纤环进入端口7)，从端口6)进入的光经第一保偏光纤环进入端口8)。
[0043]
数字信号采集处理单元如图4所示，第一数字信号处理器3、第二数字信号处理器4的检测信号经第一arm处理器37进行处理后输入第三arm处理器39；第三数字信号处理器9、第四数字信号处理器10的检测信号经第二arm处理器38处理后输入第三arm处理器39；最终，第三arm处理器39根据输入信息计算得到角加速度。
[0044]
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范
围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。