光纤陀螺保偏光纤环几何轴向磁敏感性理论研究

在光纤陀螺中,磁场会造成法拉第相位误差。实验结果表明,轴向磁敏感性较径向更为明显。在轴向磁场作用下,在保编光纤中传播的正反两束光会产生一个与磁场有关的非互易相位差。研究了由光纤在光纤环上螺旋缠绕引起的几何轴向磁敏感性,利用耦合模方程和有限元分析法,从理论上推导出了保偏光纤陀螺在轴向磁场作用下,产生的几何法拉第非互易相位差的具体表达式,并对理论结果进行了仿真分析。研究表明,光纤环中光纤几何扭转引起的圆双折射是产生几何法拉第相位误差的主要原因。另外,轴向磁敏感性会随着半径的减小而增大。     

光纤陀螺光纤环轴向磁敏感性研究

磁敏感性是光纤陀螺(FOG)的主要误差源之一,而光纤环是主要的敏感源。在外界磁场作用下,光纤陀螺中会产生一个非互易相位差,影响陀螺的精度。相关实验表明保偏(PM)光纤环中轴向磁敏感性比径向磁敏感性更显著。主要从三个方面研究了轴向磁场对光纤陀螺的影响机理,包括轴向磁场平行分量引起的光纤随机扭转法拉第磁场漂移、光纤几何扭转引起的法拉第非互易相位差以及轴向磁场垂直分量引起的非法拉第非互易相位差。对理论结果进行了仿真分析和实验验证,结果表明:由垂直分量磁场引起的非互易相位差是光纤陀螺轴向磁敏感性的主要原因,其大小与光纤环骨架半径密切相关;骨架半径越小的光纤环,轴向磁敏感性越强。     

光子晶体光纤陀螺热相位噪声研究

光子晶体光纤陀螺使用光子晶体光纤替代普通光纤绕制光纤环,是光纤陀螺的发展方向。光纤种类不同,其热相位噪声特性与传统陀螺存在差异。对光子晶体光纤陀螺光纤热相位噪声展开研究,利用有限元方法建立光纤模型及噪声模型,并搭建光源强度噪声抑制光路对热相位噪声进行测量,通过实验结果与仿真的对比,验证了模型的正确性。     

提高高精度光纤陀螺磁场适应性的方法研究

光纤环在磁场中产生磁致非互异性误差,成为制约高精度干涉型光纤陀螺（以下简称高精度光纤陀螺）应用的主要因素之一,而误差与磁场强度、光纤扭转率有关。由于光纤扭转导致的光纤环磁场灵敏度达到10 (°)·h?1·Gs?1以上,即使采用坡莫合金对磁场屏蔽,屏蔽效能仅能达到30 dB左右,难以满足高精度光纤陀螺的应用需求。文中通过等效电路模型和有限元仿真分析了屏蔽材料连接缝隙对屏蔽效能的影响,通过公式计算了扭转率对磁场灵敏度的影响。根据分析,提出了将屏蔽材料由螺钉连接改为激光焊接并对光纤进行退扭的改进方法。通过光纤退扭,光纤环磁场灵敏度降低了89.3%;通过对连接缝隙激光焊接,屏蔽效能由 31 dB 提高到 64 dB以上,磁场灵敏度由 0.026 5 (°)·h?1·Gs?1 降低到了 0.000 4 (°)·h?1·Gs?1以下,且变温环境下陀螺零偏稳定性提高了7.5%以上。改进措施能够提高光纤环在磁场和温度环境下的精度,满足高精度光纤陀螺性能要求。     

光纤陀螺在直流及交变磁场中的磁敏感性研究

介绍了光纤陀螺的磁敏感性机理并进行了实验研究。利用亥姆霍兹线圈装置和光纤陀螺测试平台,研究了光纤陀螺在直流磁场中的磁敏感性,得到光纤陀螺数据输出与磁感应强度基本呈线性关系,以及轴向磁场和径向磁场影响系数的大小和光纤陀螺磁敏感轴的方向。主要针对50Hz的交流磁场研究交流磁场对光纤陀螺零偏和零漂的影响及其交流磁敏感性,得到交流磁场对零偏的影响可以忽略,但磁感应强度与陀螺零漂值的大小基本呈线性关系。研究了不同频率交流磁场对光纤陀螺输出的影响,说明了光纤陀螺数据输出主要与瞬态的磁感应强度成正比,不同频率交流磁场对光纤陀螺零漂值的影响不同,存在一个频率(或频率范围)对光纤陀螺零漂的影响较大,其频率范围与光纤陀螺输出带宽有关。     

光纤陀螺正交磁漂移研究

提出了与陀螺敏感环平面垂直的正交磁场作用下保偏光纤(PMF)陀螺产生非互易相位差(NPD)的理论,建立了相应的数学模型,并对该模型进行仿真分析和实验验证。正交磁致非互易相位差源于光纤的弯曲,与光纤环的直径、光纤直径、光纤长度及正交磁场大小等参数密切相关。理论、仿真和实验结果表明,光纤环尾纤与集成光学元件(IOC)尾纤0°熔接的保偏光纤陀螺的正交磁漂移在一定范围内随机分布,而45°熔接的保偏光纤陀螺的正交磁漂移比较稳定,其正交磁漂移与正交磁场大小呈线性关系。     

温度对光纤频率传输系统稳定性的影响及其补偿

为抑制温度对基于光纤的频率传输系统稳定性的影响,建立了相应的物理模型.并进行了定量分析.结果表明.温度的缓慢变化不会影响频标信号的短期稳定性.但会使其长期稳定性变差.因此,在高稳定光纤频率传输系统中.必须通过相位补偿来有效地抑制温度引入的相位噪声.在此基础上进行了仿真研究和实验检测.仿真结果表明,通过该补偿技术可以在环...     

光纤陀螺环热扩散延迟响应模型及补偿技术研究

基于热扩散机理,研究了光纤陀螺中光纤环热扩散非互易相位误差导致的零漂的延迟响应特性,发现了延迟时间的温度相关性,获得了光纤环零漂延迟补偿模型。搭建高精度光纤陀螺实验系统,在不同温度段,采用近似"方波"形台阶温变激励,验证了热致非互易性相位误差的延迟特性,并获得了实验光纤环的模型参数。进行了光纤陀螺全温变零偏测试,实验结果表明采用改进模型可获得更好的零偏补偿效果,验证了新建模型的正确性和有效性。     

FOG光纤环三维温度瞬态模型

提出了光纤陀螺光纤环三维温度瞬态模型解析式,用于求解先纤环径向、轴向和周向温度瞬态效应所致的非互易性相位、速率和角度误差.相比传统的二维光纤环模型只能分析均匀径向温度瞬态效应,此三维模型改善了求解能力,提高了准确性.采用有限元方法数值求解三维温度瞬态模型解析式,得到了不同温度激励下的热致速率和角度误差.最后进行了光纤环温度激励的相应实验,实验结果与光纤环三维温度瞬态模型数值计算结果一致,验证了光纤环三维模型的准确性.     

光子晶体光纤陀螺标度因数特性研究

光子晶体光纤陀螺原理上具有磁敏感性低、温度稳定性好及抗辐照等特点,是光纤陀螺一个新的重要发展方向。很多学者研究了其零偏特性,但未见对其标度因数的研究报道。研究了光子晶体光纤陀螺标度因数的误差构成,并试验测量了光子晶体光纤环引入的误差。研究结果表明,光子晶体光纤陀螺标度因数具有更稳定的温度和辐照特性,在-40~+70℃的温度范围内,标度因数重复性为242.310-6(未补偿时),约为普通光纤陀螺的1/2。在经历总剂量为50 krad(Si)的辐照后,光纤陀螺标度因数变化10910-6,重复性和非线性没有明显变化,比普通光纤陀螺稳定1 倍以上。     

相位调制非线性对开环光纤陀螺工作点测量与信号解调的影响

在全光纤开环光纤陀螺中，利用压电陶瓷调制器可以为光纤陀螺提供互易性正弦相位偏置，但相位调制中的寄生非线性会对陀螺测量产生影响。从理论上给出了二倍频非线性相位调制情况下开环光纤陀螺输出信号的一、二、四次谐波表达式，分析了相位调制非线性对陀螺工作点测量与信号解调的影响，实验验证了相关结果。实验结果与理论分析表明在陀螺应用中必须采取措施抑制非线性相位调制的幅度。     

光纤陀螺温度补偿的实验研究

本文在理论分析光纤敏感环热致非互易特性的基础上,针对采用以ＱＵＡ方法 绕制的光纤敏感环的光纤陀螺,对于由外界环境温度变化而导致的光纤陀螺输出噪声进行数值模拟,并给出实施温度补偿的实验方案与相应结果。     

光纤陀螺“四位置”误差机理研究

光纤陀螺惯导系统在位置标定实验时,光纤陀螺绕输入基准轴的不同位置零偏不一致,称为“四位置”误差。结合光纤惯性组合标定时出现的“四位置”误差问题,通过对光纤陀螺法拉第效应误差模型和对实验数据的分析,研究了“四位置”误差与光纤陀螺磁敏感性和输入轴失准角之间的关系。得出光纤陀螺“四位置”误差主要是由地磁场影响造成。对光纤陀螺采用磁屏蔽措施,可以显著减少“四位置”误差。     

环圈对光纤陀螺信号尖峰的影响

采用环圈用胶的应力松弛原理解释了光纤陀螺信号中出现尖峰。在微小时间延迟内,由于胶对其所附着的小段光纤施加了不同大小的作用力,光纤环中相向传输的两束光波产生了不同的相位延迟,造成了非互易相位误差,从而导致了陀螺信号中出现尖峰。实验证明了,改变环圈用胶的交联程度可以避免光纤陀螺信号出现尖峰。     

光纤环应力分布测试对光纤陀螺性能的影响

通过对光纤环进行应力分布测试和筛选,实现了改善光纤陀螺性能的目的。分析研究了由应力作用产生的光纤环非互易性对陀螺输出特性的影响,采用光纤应力分析仪对光纤环进行应力测试和筛选。并将经过光纤环在线测试和热应力测试筛选后的光纤环组装成陀螺进行零偏实验。实验结果表明:采用应力分析仪能够有效对光纤环进行应力测试和筛选,经过筛选后组装的光纤陀螺精度有了明显改善,全温范围内零偏稳定性可达0.08 ()/h。对后续高精度光纤陀螺研制有一定的借鉴意义。     

基于布里渊散射的保偏光纤环应力分布特性研究

保偏光纤环是光纤陀螺的核心部件,其性能受温度的影响较大,主要表现为热致互易相移,影响光纤陀螺的精度。针对该问题,提出采用应力分布法测量光纤环的温度非互易相移。通过对不同温度点的光纤环应力分布数据进行分析,建立光程对中数学模型,基于该模型对光纤环的尾纤进行适当调整,改进其光学对称性,降低由温度变化引起的非互易相移。通过陀螺整机实验表明:该方法能大幅提高光纤陀螺的精度,过程简单方便,对成品光纤环具有一定的修复作用,提高了成品率,实用性较好。     

光纤陀螺温度漂移建模与补偿

分析了光纤陀螺温度漂移产生的基本原理及其主要的影响因素.在对某型光纤陀螺进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种零偏温度补偿模型.采用最小二乘逼近的方法,确定了模型参数,实现了对该陀螺零偏的补偿.通过对未参加建模的试验数据进行补偿,进一步验证了模型的正确性和通用性.实验结果表明,光纤陀螺经模型补偿后零偏基本可以减小2个数量级,零偏稳定性可以改善近80%,完全满足实时补偿的要求,具有较强的工程实用价值.     

改进支持向量机的光纤陀螺温度漂移补偿方法

温度漂移是影响光纤陀螺精度的主要因素之一,温度漂移建模和补偿是消除和减小温度漂移的有效方法。首先分析了影响光纤陀螺温度漂移的关键因素,同时进行了光纤陀螺温度漂移测试实验。然后采用泛化能力较神经网络更好的支持向量机对光纤陀螺温度漂移进行回归、建模,其中支持向量机的核函数采用了具有更好数据集适应性的径向基核函数。为了提高支持向量机的建模精度,引入人工鱼群算法对支持向量机的核心参数C（惩罚系数）和核函数的参数进行寻优。最后,使用实际的光纤陀螺温度漂移数据对提出的补偿方法进行实验验证,结果表明采用该方法补偿后的剩余光纤陀螺误差较采用线性回归方法减小了四五个数量级。     

空芯光子晶体光纤磁敏感性研究

空芯光子晶体光纤是一种新型的陀螺用光纤,较传统光纤具有良好的抗磁性,光纤的磁敏感性是由光纤的Verdet 常数来表征的。为研究空芯光子晶体光纤的磁敏感性,利用Comsol 软件对HC-1550-2 空芯光子晶体光纤的Verdet 常数进行仿真计算,选用含有法拉第旋转反射镜(FRM)的反射式双光路测量方案对空芯光子晶体光纤的Verdet 常数进行实验测量。双光路测量系统中的FRM 可以消除被测光纤中线性双折射对测量的影响。仿真与测量结果相吻合,且由结果可知空芯光子晶体光纤的Verdet 常数约为传统光纤的1/100 倍,验证了空芯光子晶体光纤在陀螺降低磁敏感性方面的优势。     

影响谐振式光纤陀螺精细度的因素分析

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声,能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101,谐振深度由0.503 3提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.026 7%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。