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。     

数字闭环光纤陀螺温度误差分析

分析了数字闭环光纤陀螺温度误差的来源,指出温度误差主要包括温度噪声、标度因数漂移、偏置漂移.提出一种基于离散小波变换的分离陀螺温度噪声和温度漂移的方法,利用该方法对测试数据进行了分析,证实了在零偏稳定性大于0.3(°)/h的光纤陀螺中,温度漂移是主要温度误差.将简化的光纤陀螺等效相位模型与温度敏感参数模型结合得到光纤陀螺温度漂移误差分布模型,利用该模型分析了影响温度漂移误差的各因素,并对主要因素进行了测试和分析.最后总结了抑制温度漂移误差的几点措施.     

结构谐振对闭环光纤陀螺振动性能的影响

振动性能是体现光纤陀螺环境适应性的一项重要指标。结构谐振是引起光纤陀螺振动误差的主要因素之一。在描述了光纤传感环圈骨架谐振对陀螺振动性能影响的试验现象的基础上,通过环圈骨架的有限元分析,以及光纤陀螺振动误差模型的推导,得出了环圈骨架谐振频率与陀螺振动输出零位漂移最大点的频率相吻合的结论。针对环圈骨架的薄弱环节进行改进设计及实验验证,结果表明消除结构谐振后的陀螺在0～2000Hz之间振动,输出不再发生明显漂移,振动过程中陀螺的零偏变化不超过0.2(o)/h。     

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。     

光纤陀螺测试系统研究及应用

利用实验手段来建立光纤陀螺的误差模型并对光纤陀螺进行误差补偿是提高光纤陀螺的一种有效手段。根据光纤陀螺的特点,设计了光纤陀螺数据采集系统,并做了静态测试和动态测试,分析了光纤陀螺性能,为光纤陀螺进行误差补偿奠定了基础。     

双偏振光纤陀螺光源特性研究

偏振非互易误差是光纤陀螺中的主要误差来源之一。双偏振光纤陀螺中两正交偏振态所含偏振非互易误差存在反号特性,因此可利用光域补偿抑制偏振非互易误差。基于双偏振光纤陀螺理论和模型,研究光源特性对双偏振光纤陀螺性能的影响,发现相干长度小且偏振度(DOP)低的光源有利于补偿偏振非互易误差,从而改善双偏振光纤陀螺的长时间稳定性性能。实验表明,双偏振光纤陀螺中采用超荧光光纤光源或消偏的超辐射发光二极管,可实现偏振非互易误差的有效补偿。     

陆用光纤陀螺寻北仪误差特性研究

针对陆用武器对高精度寻北定向的要求,本文以高精度光纤陀螺寻北仪为研究对象,基于光纤陀螺寻北仪误差模型和光纤陀螺的误差特性,从理论上对光纤陀螺寻北仪寻北误差进行了分析,提出寻北仪主要包括系统误差和器件误差两个方面的误差源,并分别对不同误差源引起的寻北误差进行推导,得到光纤陀螺寻北仪寻北精度主要受陀螺零偏漂移、安装误差和转台测角精度决定的结论。对光纤陀螺寻北仪各误差源引起的寻北误差进行仿真试验,试验证明了理论分析的正确性。     

光纤陀螺光纤环分布偏振耦合误差预估

分析了由光相干域偏振计测得的光纤陀螺保偏光纤环(PMFC)分布偏振耦合测试数据,建立了测量点偏振耦合幅度模型。结果表明,测试数据是实际偏振幅度耦合被宽谱光源相干函数调制的结果,且存在伪偏振耦合测试数据。在此基础上,提出并实现了分布偏振耦合数据处理算法。绕制PMFC,进行了不同温度条件下分布偏振耦合测试,并提取了真耦合位置和强度信息。通过建立PMFC二次偏振耦合误差预估模型,对不同温度下光纤环分布偏振耦合引起的光纤陀螺零漂误差进行了计算预估。利用高精度保偏光纤环分析测试仪对该环进行了对应温度的光纤陀螺零漂测试,零漂预估值与实测结果一致。     

三轴光纤陀螺光路系统的设计与研究

针对实际捷联系统中三轴干涉式光纤陀螺仪各轴之间的精度及稳定性不对称问题,提出将Loyt消偏器引入到三轴陀螺光路系统中,新光路结构使每轴陀螺均输入相同的极低偏振度自然光,保证了各轴陀螺的对称性.利用琼斯矩阵与干涉矩阵建立了该结构光纤陀螺的系统模型,并应用此模型对该陀螺的输出及零点偏移情况进行了仿真分析.结果表明,该光路在保持各轴光路高度对称的同时还提高了陀螺系统的精度与稳定性,并在一定程度上降低了对光源偏振度的要求.     

调制电压幅值及噪声对谐振式光纤陀螺零偏稳定性的影响研究

谐振环路背向散射噪声是谐振式光纤陀螺(resonator fiber optic gyroscope, RFOG)系统中的主要光学噪声之一。本文基于谐振环中背向散射噪声对陀螺输出误差影响的理论分析,对比不同调制波形和载波抑制路数的影响,得到最佳方案为三角波双路调制。基于该方案,建立陀螺零偏及零偏稳定性(bias stability, BS)误差与调制电压幅值及噪声关系的理论模型,结合直径0.1 m,光纤总长10 m,精细度24的陀螺参数,得到背向散射噪声导致的陀螺BS对调制电压变化范围与噪声幅值量化指标的需求,为特定精度的陀螺设计奠定误差分配和控制参数设计基础。     

柱面非均匀弱磁场对光纤陀螺磁敏感性的影响

以光纤陀螺(FOG)某电路板为例,扫描分析了其磁场分布规律,并利用矩阵光学和光传输理论,建立了柱面非均匀磁场中Faraday非互易相位差理论模型,进而仿真分析了实际电路板的辐射磁场对光纤陀螺的影响.分析结果表明:1)柱面非均匀磁场与光纤环距离越小,FOG磁敏感相位误差越大;2)柱面非均匀磁场对FOG所产生的磁敏感误差与角度之间呈倾斜正弦曲线,且倾斜度随磁场与光纤环间距减小而加剧;3)当R＜5r(磁场源位于光纤环外部,r为光纤环半径,R为磁场源与光纤环左侧边缘的距离)或R＜0.5r(磁场源位于光纤环内部)时,非均匀磁场均大于同量级均匀磁场对FOG的影响;4)非均匀场的存在影响FOG偏离固有磁轴方向;5)对于距离FOG较近的一些辐射强度非常小的普通电路板,也会导致FOG输出的不稳定和方向相关性.上述结果对于理解和分析实际磁场对FOG的影响,具有实际指导意义.     

光功率稳定性对光纤陀螺性能的影响研究

首先通过对数字闭环光纤陀螺的原理分析,推导出了光纤陀螺输入输出的关系式,结合随机游走系数的表达式,指出光功率稳定性的两种影响方式,一是引入白噪声,二是改变控制参数.然后建立了光纤陀螺控制模型,研究了光功率衰减与波动对系统调节时间和控制噪声的影响,同时针对光功率衰减对随机游走系数的影响,提出了动态调整最佳调制深度的优化方法.研究结果和优化控制方案对于高精度光纤陀螺的精度保持具有重要的实际意义.     

光纤陀螺仪调制相位的畸变误差特性分析

干涉型数字闭环光纤陀螺中,多功能集成光学芯片(IOC)是非常关键的器件,其主要作用之一是相位调制,用于产生π/2相位偏置及产生补偿外部Sagnac相移的相位.由于IOC接收到的电场调制信号频率较高,存在多次谐波并且易受外部辐射干扰,从而导致调制相位畸变,对光纤陀螺的零偏和漂移有很大的影响.为了减小IOC调制相位畸变特性对光纤陀螺性能的影响,从理论上探讨引起调制相位畸变的因素,针对不同的误差因素而采取相应的措施来抑制并隔离误差;通过采取各种措施改善方波、阶梯波的信号质量,使IOC输出的相位畸变程度达到最小.测试结果表明,光纤陀螺中优化之后的相位调制系统满足高精度数字闭环光纤陀螺的指标要求.

Abstract：

Multi-function integrated optical chip (IOC) is an important component in the close-loop interference fiber optic gyroscope(IFOG)system. One of the main functions of IOC is the modulation of phase which includes the bias of phase in creating π/2 square waves and Sagnac phase biased by ladder waves in IFOG. Because the modulation signal of the electric field sent to integral optical chip has the characteristic of high frequency, there exists multiple harmonic waves and it is easily disturbed by external eradiation which induces modulation phase distortion and has great effect on drift and zero-bias. In order to reduce the effect of phase distortion of the integrated optical chip on the performance of FOG, focusing on the factors causing different phase errors in IOC, corresponding measures are taken to suppress and isolate the errors, adopting all means to improve the signal quality of square waves and ladder waves, reducing the modulation phase distortion to the lowest extent. The experimental results show that the optimized phase modulation system can meet the requirements of high precision IFOG.     

干涉型光纤陀螺中磁光Faraday效应的研究

基于Jones矩阵法,采用以分段保偏光纤(PMF)级联模拟普通单模光纤(SMF)的模型得出的光纤环传输矩阵,对Faraday效应在干涉型光纤陀螺(IFOG)中的影响做了系统的分析,得出可定量分析IFOG由Faraday效应所引起的相位漂移的一般公式.利用此公式,以采用PMF的IFOG为例进行了仿真分析,结果表明,Faraday效应致相位漂移受光纤偏振主轴偏转影响显著.在一定偏转范围内,相位漂移随偏转呈指数增长关系.由此得出,在采用PMF制作IFOG时光纤环与IFOG芯片的熔接过程中对光纤旋转机构的精度要求.     

PSoC在光纤陀螺脉冲输出采集中的应用

针对光纤陀螺脉冲输出采集范围小、精度低、外围电路复杂等问题,提出了一种基于PSoC芯片的脉冲采集系统。与传统的单片机相比,PSoC芯片最大程度地实现了系统单片化的目标,在保证以更简便方式实现更多更灵活功能和具备较高性能的前提下,达到了极高性价比。系统以PSoC芯片CY29666-24PVXI为核心器件,以改进的无缝计数法为理论基础,实现了光纤陀螺脉冲输出的高精度采集。实验结果表明,该系统的测试范围能够达到0.1 Hz~1MHz,误差小于1.0×10-4,满足了实际脉冲采集的要求。     

用高低温循环加速试验评估光源模块长期贮存寿命的研究

Light source modules are the most crucial and fragile devices that affect the life and reliability of the interferometric fiber optic gyroscope （IFOG）. While the light emitting chips were stable in most cases, the module packaging proved to be less satisfactory. In long-term storage or the working environment, the ambient temperature changes constantly and thus the packaging and coupling performance of light source modules are more likely to degrade slowly due to different materials with different coefficients of thermal expansion in the bonding interface. A constant temperature accelerated life test cannot evaluate the impact of temperature variation on the performance of a module package, so the temperature cycling accelerated life test was studied. The main failure mechanism affecting light source modules is package failure due to solder fatigue failure including a fiber coupling shift, loss of cooling efficiency and thermal resistor degradation, so the Norris-Landzberg model was used to model solder fatigue life and determine the activation energy related to solder fatigue failure mechanism. By analyzing the test data, activation energy was determined and then the mean life of light source modules in different storage environments with a continuously changing temperature was simulated, which has provided direct reference data for the storage life prediction of IFOG.