干涉型集成光学加速度计信号处理及SOPC设计

　　1　引　　言

　　加速度计广泛应用于导弹制导、飞机导航、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领域[1],它正朝着小型化、集成化方向发展[2]。文中所研究的加速度计是波导型数字化传感器,不仅具有频带宽、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特点[3],而且具有成本低、体积　　小、集成度高、性能稳定和可重置性等优点,它的这些特性能够进一步把微加速度计推向应用[4]。传感器综合交流相位跟踪零差补偿技术(PTAC)和合成外差信号解调(SHSD)技术,采用高集成、并行处理SOPC技术,解决了实用型混合集成光学加速度计系统的实时信号处理问题。

　　2　系统概述

　　加速度计传感系统由集成光学芯片、光纤质量块简谐振子、接口电路和信号处理SOPC芯片组成,如图1所示。集成光学芯片主要由铌酸锂LiNbO3基底(5)上单片集成的钛扩散铌酸锂Ti∶LiNbO3、双Y分支波导(6)、波导偏振器(4,8,9)和波导相位调制器(7)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干涉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,经A/D采样送至SOPC进行数字信号处理,采用SHSD技术解调出一个与外部加速度信号成线性比例的信号,并可通过网络远程上传数据,也可经D/A转化成电压信号输出供分析仪器使用。同时采用PTAC[5,6]技术,数字信号处理系统通过另一路D/A产生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,对光载波的相位进行调制和补偿。

3　待测信号调制与解调

　　3.1　待测信号光相位调制

　　图2是感受加速度信号的敏感组件简谐振子结构图。当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时,光纤的长度L产生变化±ΔL(应变效应)、光纤芯的直径d产生变化±Δd(泊松效应)、纤芯折射率n产生变化±Δn(光弹效应),这些变化将导致光纤中光波的相位变化。泊松效应相对应变效应和光弹效应造成的相位变化非常小,可以忽略[7]不计。根据应变效应和光弹效应,对简谐振子分析可得到所引起的光波相位调制为

　　从式(1)可以看出,它载有有用加速度信号a,待测信号变化转变成为光相位变化。另一方面,根据迈克尔逊干涉原理,干涉仪输出的光强[7]为:

3.2　PTAC补偿和SHSD解调

　　根据式(2)、(5),干涉仪输出的光强又表示为: