混合集成光学加速度计的信号处理和总体灵敏度

　　0　引言

　　加速度计广泛地应用于导弹的制导、飞机的导航、人造卫星的姿态控制、刹车控制系统、大型电器设备的振动遥测以及石油的地震勘探等多个领域[1],正朝着小型化、集成化方向发展[2,3].本文研究的混合集成光学加速度计属于波导型传感器,具有频带宽、失真度小、灵敏度高、不受电磁干扰、无火花、能在易燃和温差较大的环境中使用等优点[4].本文以交流相位跟踪零差补偿技术为基础讨论了实用型混合集成光学加速度计系统的信号处理过程[5],给出了对系统的总体灵敏度的计算方法,并对总体灵敏度的影响因素和实际测量结果进行了分析.

　　1　概述

　　混合集成光学加速度计由集成光学芯片和光纤质量块简谐振子和处理电路组成,如图1所示.该集成光学芯片是由铌酸锂LiNbO3基底上单片集成的钛扩散铌酸锂Ti∶LiNbO3双Y分支波导、波导偏振器和波导相位调制器所构成,并与LD、PIN混合集成.当外部施加振动时,简谐振子把加速度变化转化为光纤中光信号的相位变化,经迈克尔逊干涉仪将相位变化转化为光的强度变化,并由PIN接收将光强度信号转化为电信号送至处理电路解调出一个与外部加速度信号成线性比例的电压信号.由于采用交流相位零差跟踪补偿技术(PTAC)[4,5],处理电路同时还要将高频调制信号和补偿信号送到设置于干涉仪参考臂的波导相位调制器上,对光110载波的相位进行调制.

　　2　信号处理

　　2.1　信号调制

　　混合集成光学加速度计的信号调制即对光载波的相位的调制,主要由简谐振子[8](如图2所示)振动时引起的光纤振动和波导相位调制器两部分产生.

　　2.1.1　简谐振子引起的相位调制

　　简谐振子引起的相位调制载是有加速度信息的有用信号.光纤振动的时候引起的光载波相位调制的效应可分为由应变效应、光弹效应和泊松效应.经计算分析表明泊松效应引起的相位变化远小于前两种效应,因此我们只考虑应变效应和光弹效应引起的相位调制[9].

　　应变效应是由于振动时光纤的长度变化引起的,利用牛顿第二定律对简谐振子分析可得应变效应引起的光波相位调制

　　式中E、A和n分别为光纤的杨氏模量、横截面积和光纤芯层折射率,K为横向限振片的总刚度系数,L、ΔL和m分别为简谐振子内传感光纤的长度和长度变化和简谐振子质量块质量,β、λ0分别为光纤中的光传播常数和光波长,a为外部加速度速度.

　　在光纤振动的时候,光纤芯层的折射率也将发生变化,即光弹效应,其引起光波相位的调制为