Analysis of Shupe Effect of Fiber Optic Ring Resonator Based on Photonic Crystal Fiber

Resonator fiber optic gyroscope (RFOG) is a new kind of high precision inertial sensor based on Sagnac effect by using a shorter fiber. This paper analyzes the noise induced by Shupe effect, and the characteristics of fiber optic ring resonator (FORR) based on photonic crystal fiber are analyzed. The influence of temperature on polarization and noise induced by Shupe effect are mainly investigated, and simulation results show that FORR based on photonic crystal fiber exhibits better performance than that of conventional fiber, and simulation shows that the noise induced by Shupe effect in FORR based on photonic crystal fiber is 7 times lower than conventional fiber.

光纤陀螺光纤环Shupe效应的三维有限元模型

针对传统二维热致非互易光纤环模型的局限性,建立了光纤环柱面坐标三维计算模型,可分析光纤环径向、轴向和周向温度不均匀变化导致的热致误差速率和热致误差角度.采用有限元方法对光纤环三维物理模型进行数值仿真,定量分析由温度激励造成的热致误差速率和热致误差角度.开展了光纤环温度激励实验,对比仿真和实验结果,验证了光纤环三维物理模型的有效性.并将光纤环三维计算模型成功地应用于光纤陀螺(FOG)纤环瞬态特性检测方法所用的温度激励源设计.

光纤陀螺光纤环Shupe误差的多参数影响仿真分析

在光纤陀螺Shupe误差数学离散公式的基础上,建立四极对称法绕制光纤环的有限元模型,分析多材料组成下的光纤环在仿真时所需的综合物性参数.结合光纤陀螺工作环境的载荷和边界条件,对某型光纤环进行数值仿真,定量分析了光纤陀螺在工作温度下光纤环的Shupe误差,验证了模型建立的正确性.在此条件下,分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响.结果表明:通过增加绕制层数,提高导热系数,合理布置热源,可以明显抑制光纤环的Shupe误差,从而提高光纤陀螺的温度性能.

光纤环中的Shupe效应及其补偿方法研究

本文研究了光纤环的时变温度场 ,在此基础上对 Shupe效应进行了定量分析 ,并且提出了通过模型修正以减小 Shupe效应的补偿方法 .

干涉式光纤陀螺中Shupe效应与Sagnac效应的分离

热引入的零偏漂移即Shupe效应是提高光纤陀螺精度面临的最大难题。基于Shupe效应与光纤陀螺的Sagnac效应具有本质的不同特性,即Sagnac效应引起的相移只与几何尺寸有关,而与光传播的介质特性无关,提出了一种新型的不受温度梯度影响的光纤陀螺。利用两个偏振模式在光纤陀螺环中交替或同时传播可以将Sagnac相移与Shupe误差相移分离开来,基于两种偏振模式分时传播实验,初步验证了该理论的可行性。并且提出了一种新型的偏振交替干涉式光纤陀螺模型以改进其性能。

多维温度场对光纤环Shupe效应误差影响的理论分析

光纤环作为干涉型光纤陀螺的核心敏感元件,易受时变温度环境引起的Shupe非互易性相移的影响,进而严重降低对于惯性空间转动的测量精度.本文推导了目前广泛应用的四极绕法光纤环的温度效应误差模型,分析了沿光纤环径向、轴向与圆周方向多维温度场对于零偏漂移的影响机理并进行了仿真验证.研究结果表明,径向与轴向的瞬态温场引起的零偏误差正比于光纤环各层外内壁温变速率之差的加权和,并且随着接近光纤进出的顶层,其所占份额将线性增大.圆周方向的零偏误差则取决于光纤进出端与长度中点连线两侧温变速率空间分布的对称性,并且当不均匀的温度场分布远离进出端时,其影响将减小.以上发现可为复杂温度环境下工作的陀螺仪表与惯性导航系统的热结构设计提供理论指导与工程参考.

Shupe效应非互易相移按匝传输的精确分析与计算

为进一步提高干涉型光纤陀螺(IFOG)的Shupe效应非互易相移的计算精度,在柱坐标系中,根据热传递的原理和过程,以1匝光纤线圈为基本单位,在MATLAB平台上建立了随着轴向、径向和时间变化的IFOG的三维温度场分布模型。根据Shupe效应的原理,基于光波在光纤线圈中的实际传输过程,对热传递动态过程中的时间元素进行进一步分解,细化为每一匝传输的渡越时间,用插值法使温度场的热传递按匝进行,得到了不同时间点处每匝光纤线圈的温度分布。设计了按匝传输分析计算非互易相移的新方法。对四极对称绕法和交叉对称绕法进行了仿真数值计算,结果表明与原算法相比,新算法的Shupe效应非互易相移计算精度提高了3个量级,符合预期。

光纤陀螺光纤敏感线圈三维温度瞬态响应模型

针对光纤敏感线圈的热致非互易相移问题,通过传热分析建立了光纤敏感线圈的三维温度瞬态响应模型。利用该温度瞬态响应模型全面分析了三维坐标下的温度梯度造成的热致非互易效应;结合光纤陀螺实际的工作环境,利用仿真对四极对称绕法的光纤环进行了分析,获取了温度激励造成的热致速率误差。通过温度模型计算的热致误差速率与温箱中光纤陀螺稳测数据的极差为0.48(°)/h,计算结果验证了光纤敏感线圈三维温度瞬态响应模型的有效性。利用该模型可有效指导光纤环热结构参数的设计,从而抑制光纤环的Shupe误差,提高光纤陀螺的温度性能。

光纤陀螺零偏漂移的温度特性与补偿

光纤陀螺的主要器件(如光纤环圈、宽带光源)易受周围温度变化的影响,导致陀螺输出产生较大漂移,严重影响测量精度。因此,需要采取措施降低光纤陀螺随温度零偏漂移。首先,根据光纤陀螺的工作原理,对光纤陀螺零偏漂移产生的机理和温度特性进行了分析,阐述了光纤零偏漂移的温度特性。其次,设计完成了在-40～+60℃范围内的光纤陀螺静态零偏测试试验。试验数据表明,不同温度和温度变化率会对陀螺的零偏造成影响。再次,采用回归分析法建立了光线陀螺零偏漂移的温度模型,并利用该模型对光纤陀螺零偏进行补偿。该模型是考虑温度和温度变化率的二阶多项式模型。最后,对光纤陀螺零偏漂移的补偿效果进行了试验验证,证明补偿后零偏漂移稳定性提高了69%左右。该补偿方法与BP神经网络、受控马尔科夫链模型、模糊逻辑等方法相比,具有计算量小、利于工程化应用的优点。

光纤环温度性能分析软件设计

介绍了影响光纤陀螺温度性能的主要因素—Shupe效应,论述了基于LabVIEW软件设计开发的光纤环温度性能分析软件的程序组成和功能,并利用光纤环温度性能分析软件开展了内外热源两种工作条件下,光纤陀螺温度性能的仿真分析及与光纤陀螺测试结果的对比评价。结果表明,仿真分析结果与光纤陀螺测试结果一致,光纤环温度性能仿真分析软件能够将光纤环有限元分析结果与光纤陀螺输出有机结合。

空芯光子带隙光纤在光纤陀螺中的应用前景

光纤是光纤陀螺的核心器件之一。光纤的性能参数直接决定光纤陀螺的性能。常规硅芯光纤制造工艺比较成熟,但受限于物理条件,"克尔效应"、"瑞利背向散射效应"、"法拉第效应"和"舒珀效应"影响比较大。近年来,基于光子带隙效应的导光机制与传输特性制成的在空气中传输光线的空芯光子带隙光纤逐渐应用在光纤陀螺制造中。介绍空芯光子带隙光纤的性能特点,尤其是相比常规硅芯光纤的优势;空芯光子带隙光纤的技术发展潜力;展望其在光纤陀螺中的应用前景。

光子晶体光纤在陀螺上的应用

从光子晶体光纤的原理出发,对其在光纤陀螺领域的研究现状与应用现状进行介绍。光子晶体光纤是一种新型微结构光纤,可以使用单一材料制造,通过设计微结构对光纤的折射率进行调节和匹配,以获得不同的光学传播特性,通过形状双折射来获得保偏性能的光子晶体光纤可以提供比传统光纤优异的偏振特性,改善光纤陀螺的偏振误差。此外,光子晶体光纤还具有弯曲损耗小、磁敏感度低、抗辐射等特点,能有效降低环境因素引起的陀螺误差,提高光纤陀螺的环境适应性,被认为是下一代光纤陀螺的理想选择。

光纤环温度性能仿真分析

光纤环是光纤陀螺的核心器件,其稳定性和抗干扰能力直接影响光纤陀螺的整机性能。以光纤环的温度特性为研究对象,通过有限元分析确定光纤环中各单元点的温度梯度,以其为数据输入;以Shupe效应理论为数学模型,设计了光纤环温度特性分析软件,实现了有限元分析结果与陀螺输出(即正反两束光的相位差)两者的有机结合。根据不同的热辐射方式、有无缓冲层、不同的绕环方法以及光纤环不对称性等情况,对光纤环的温度性能进行了具体分析。

采用小波降噪和神经网络的FOG温度漂移补偿方法

光纤陀螺(FOG)输出易受环境温度的影响,发生漂移导致光纤陀螺测量精度降低。采用传统的BP神经网络容易陷入局部极小值,导致网络训练失败。为了优化BP神经网络,本文提出了一种粒子群(PSO)优化BP神经网络与小波降噪相结合的光纤陀螺温度漂移补偿方法。首先分析了光纤陀螺温度漂移产生的原因;然后在不同温度下对光纤陀螺进行测试,最后采用该方法建立了光纤陀螺温度漂移模型并根据模型对光纤陀螺进行补偿,结果表明采用该方法补偿后光纤陀螺在不同温度下的输出标准差降低了60.19%,与传统的BP神经网络相比补偿效果显著提高。

考虑诱发因素影响滞后性的库岸滑坡位移预测

针对诱发因素对于滑坡位移变形的滞后影响,采用平均影响值法(MIV)对不同滞后期诱发因素进行筛选,然后结合广义回归神经网络(GRNN)建立了MIV-GRNN滑坡位移混合预测模型。以三峡库区具有代表性的树坪滑坡为例,将滑坡位移时间序列分解为趋势项和周期项,运用多项式和MIV-GRNN模型分别预测趋势项和周期项位移。分析结果表明:MIV-GRNN模型可以较好地反映诱发因素对滑坡位移滞后性的影响,与传统预测模型相比最大相对误差减少了11.2%。

光纤陀螺脱骨架光纤环温度性能研究

通过有限元仿真分析了光纤陀螺内部热源和外部热源激励下的温升和轴向、径向、周向的温度梯度,分析表明轴向温度梯度最大.基于光纤陀螺Shupe效应,使用ANSYS有限元分析软件建立温度模型对光纤陀螺脱骨架光纤环进行了仿真分析,分析了光纤环内部热源、外部热源导致的温度漂移误差,分析表明只有内部热源的情况下主要影响光纤陀螺启动性能,随时间变化的外部热源是光纤环温度误差主要来源,主要影响光纤陀螺的全温度范围零偏极差.分析了非均匀热场施加到光纤环圆周上距光纤环中点不同位置的温度误差,以及光纤环外部介质不同热导率和不同隔热层厚度对光纤环温度性能的影响,分析表明热源越靠近光纤环中心、脱骨架光纤环外部介质材料热导率越低、缓冲层越厚,光纤环的温度误差越小.采用热场基于光纤环中心对称设计、采用低热导率介质材料和较厚隔热层可以显著降低脱骨架光纤环温度误差.结果对于优化光纤陀螺结构设计,改善内部热场分布,提高光纤陀螺精度和环境适应性具有重要意义.

树坪滑坡切坡抗滑增稳优化治理数值模拟研究

为了探究堆积层边坡切坡卸载过程中的稳定性规律,并为切坡工程提供合理的治理方案,本文分析了下滑动力和边坡变形响应特点,以及切坡卸载过程中的抗滑效应与稳定性增加规律,该规律为堆积层边坡优化治理方案的确定与数值模拟分析提供了理论基础。以三峡库区树坪滑坡A-A剖面为例,分析该滑坡的应急治理工程效果,提出4种计算工况并提出优化治理方案,用MIDAS GTS NX有限元分析软件对4种计算工况下的优化治理方案进行数值模拟,总结该滑坡在切坡卸载过程中的受力、变形及稳定性变化规律。结果表明:相较于应急治理工程,本文提出的优化治理方案稳定性系数高且满足要求,切方量下降8%。该结果验证了切坡抗滑增稳效应,可为边坡的切坡卸载提供理论参考。

三峡库区树坪滑坡应急治理效果评价

采用专业监测数据与模糊数学法综合评价三峡库区树坪滑坡应急治理工程的实施效果,由2003-2017年树坪滑坡各个监测点的位移得到位移随年份变化的曲线,可知树坪滑坡应急治理后位移变化趋缓;采用模糊数学评价方法确定指标体系、评价等级及评价因素的权重向量,建立模糊关系矩阵,评价结果表明工程治理效果为第2级,治理效果良好。结合两种方法的评价结果可知,经过治理后树坪滑坡发生重大滑移的可能性降低。但是该项治理工程并不能完全消除地灾隐患,后期还需要对其进行持续专业监测。

光纤陀螺热致漂移分析及算法补偿技术研究

通过对光纤陀螺温度漂移的剖析推导,分析了温度扰动引起陀螺漂移误差的深层次原因,并结合过程相关性理论,对各个温度项影响因子与光纤陀螺实际输出相关性进行验证分析,提出一种同时考虑温度、温变速率、温度梯度以及三者乘积耦合项的算法补偿模型。对该模型的补偿效果进行离线补偿验证,结果表明,采用该算法补偿模型能明显抑制光纤陀螺的变温零漂。为了进一步验证该模型的有效性,把离线获得的补偿参数载入陀螺存储器,经过多样本实验测试,补偿后可有效提高光纤陀螺的全变温零偏稳定性,验证了该补偿算法在工程上的可实施性和推广价值。

随钻测斜仪中光纤陀螺光纤环Shupe效应仿真

针对井下近钻头处随钻测斜仪内径受限、井下环境温度梯度大等特殊恶劣环境,设计了一种用于测量石油井眼轨迹惯性的椭圆柱形光纤陀螺。由于光纤环存在热致非互易相移问题,以光纤环的Shupe误差为基础,采用4极对称绕法,建立了椭圆柱形光纤环的三维温度瞬态响应数学模型。结合光纤陀螺实际的工作环境,利用有限元法对椭圆柱形光纤环进行了数值仿真,定量分析其工作温度梯度下光纤环的Shupe误差,实验验证了模型的正确性。在光纤长度、光纤环层数和光纤环半径一定的条件下分别对圆柱形光纤环和椭圆柱形光纤环施加相同的温度激励,比较两种光纤环的热致误差速率。结果表明:椭圆柱形光纤环热致误差速率比圆柱形光纤环小35%~39%,在满足井下测量仪器体积受限的同时,可提高井眼轨迹惯性测量的精度。