光纤环多极对称绕法对Shupe误差抑制效果仿真分析

Shupe误差是高精度光纤陀螺(IFOG)工程化过程中的最大瓶颈问题之一。建立一个精确到匝的光纤环有限元模型,基于此模型,并在不同温度激励下分析八极、十六极和三十二极对称绕法的温度性能。仿真结果表明:相对于八极对称绕法,采用十六极对称绕法和三十二极对称绕法的光纤陀螺能够有效抑制热致陀螺漂移,且十六极对称绕法的抑制效果最好。这对高精度IFOG的光纤环绕制方法的选择提供了指导。

干涉光路装配应力对称性对Shupe误差的影响

Shupe误差是影响高精度光纤陀螺工程应用的主要技术瓶颈之一,针对高精度光纤陀螺装配封装后温度性能劣化的问题,对光纤陀螺光路进行了温度误差分析,揭示了干涉光路装配应力对Shupe误差的影响机理,并对不同状态下装配应力引入的温度误差进行了测试,选取初装全温零偏极差均为0.11(°)/h的3只光纤陀螺,并以粘接光纤环和Y波导尾纤的方式控制装配应力对称性,当尾纤粘接长度为30 cm时,2只装配应力对称性较差的光纤陀螺全温零偏极差变为0.24(°)/h和0.43(°)/h,温度性能出现明显劣化,装配应力对称性较好的光纤陀螺全温零偏极差为0.13(°)/h,温度性能未出现明显劣化。实验结果表明,干涉光路装配应力不对称会引起光纤陀螺温度性能出现明显劣化,且劣化程度与装配应力对称性直接相关,装配应力对称性越好,温度性能劣化越小。

光纤环瞬态温度梯度对Shupe误差的影响

光纤陀螺的承环结构不同,会影响光纤环的温度及温度梯度分布,进而影响陀螺的精度。对四种不同承环结构的光纤陀螺进行有限元瞬态热仿真,得到光纤环的温度分布。基于四极对称绕法绕制光纤环的截面数字离散化模型,绘制了四个光纤环沿展开光纤上的温度分布,计算了四个陀螺的轴向和径向温度梯度及其引起的Shupe误差。对比分析结果表明:承环结构形式不同,光纤环的轴向和径向温度梯度不同,轴向温度梯度对光纤环的Shupe误差影响更大。

基于局部光路温度控制的光纤陀螺温度误差抑制方法

针对光纤陀螺光路在温变环境下非互易性发生变化,影响光纤陀螺精度的问题,提出一种基于局部光路温度控制的光纤陀螺温度误差抑制方法。根据光纤环温度性能获得光纤陀螺的对称调整长度,通过光纤陀螺的局部温控装置将对称调整段光纤进行恒温控制。实验结果显示:不采用温度补偿,全温零偏稳定性0.1038°/h(100 s,1σ)的光纤陀螺,将其对称调整段光纤-27 cm进行恒温控制后,光纤陀螺全温零偏稳定性为0.0096°/h(100 s,1σ),温度性能提升了1个数量级。可见,所提出方法能够改善温变环境下光纤陀螺光路的非互易性,有效地抑制光纤陀螺的温度误差。

八极绕法对光纤陀螺温度性能的影响

通过深入研究八极绕法,实现了改善光纤陀螺温度性能的目的。在光纤陀螺Shupe误差数字离散公式的基础上,建立了采用八极绕法绕制的光纤环圈的有限元模型。对基于八极绕法的光纤环圈中的Shupe误差进行了以匝为单位的量化分析。根据建立的基于八极绕法的光纤环圈温度分布模型,分析了在相同的径向温度激励下八极绕法与四极对称绕法对陀螺性能的影响。结果表明:采用八极绕法绕制的光纤环圈与采用四级对称绕法绕制的光纤环圈相比,陀螺热致速率误差减少了80%,与实验结论相符。

光纤环的每层匝数不同对光纤陀螺温度性能影响

通过深入研究光纤环的每层匝数不同这种情况,实现了改善光纤陀螺温度性能的目的。论文对光纤陀螺的Shupe误差进行了以匝为单位的量化分析。相对于光纤环温度分布Mohr模型,建立了更为合理的基于已知边界温度条件的插值型光纤环温度分布模型。针对四极对称绕制的光纤环,根据光纤环绕制中可能存在的三种最外两层匝数不同的情况,建立了不同最外两层匝数的光纤陀螺Shupe误差量化模型。根据论文建立的光纤环温度分布模型,理论研究了径向温度激励下光纤环最外两层匝数不同对陀螺性能的影响,设计并实现了无骨架光纤环最外两层匝数不同对陀螺温度性能影响的检测系统。经试验验证,光纤环最外两层绕制一半时陀螺热致速率误差减小了50%以上,与理论研究的结果一致。

基于热电类比法的光纤陀螺环模块热分析

为分析光纤陀螺(FOG,Fiber-Optic Gyroscope)受外界环境变化温度影响导致产生Shupe误差,采用热电类比法对不同结构形式的光纤环(FOR,Fiber Optical Ring)模块进行热分析,比较对应的电路模型,提出并联的热容和串联的电阻是影响FOG温度性能的关键因素.采用有限元热仿真定性分析了并联的热容和串联的电阻对FOG温度的影响,验证了电路模型的正确性;在与热仿真相同条件下,通过温箱实验,将FOR温度变化与FOG输出性能建立关联.结果表明,通过加大FOR模块连接处的串联热阻和并联热容,可有效降低FOR的瞬时温差,尤其是较大的热容能有效减小FOR温变速率,从而减小Shupe误差,改善FOG的温度性能.

双光程光纤陀螺的温度致非互易性研究(英文)

为了提高陀螺的精度,提出了一种新型双光程光纤陀螺.在光纤环两端各连接一个偏振分束器,使得偏振光依次沿保偏光纤的快轴、慢轴传输两圈,其有效光程加倍,进而实现陀螺的Sagnac效应加倍.针对该光纤陀螺在温度场扰动下的非互易问题,分析了其特殊结构带来的温度致非互易误差,利用有限元分析法建立了相应的Shupe误差模型,并对光纤环90°熔点位置、光纤环折射率温度系数改变对Shupe误差影响进行了相应的理论计算与仿真分析,结果表明90°熔点置于光纤环中点或者选用折射率温度系数满足特定条件的光纤环可减小其Shupe误差.

高精度光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性研究

光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性表征陀螺1/f噪声或环境引起的其他低频漂移,并影响陀螺在系统中的应用性能。因此,分析Allan方差零偏不稳定性就具有重要意义,对Allan方差零偏不稳定性进行理论分析和试验验证,在理论分析的基础上采用了提高Allan方差零偏不稳定性的技术措施,测试结果表明,技术措施明显提高了高精度光纤陀螺Allan方差零偏不稳定性。

基于交叉绕法的光纤环圈瞬态传热模型

通过深入研究光纤环圈瞬态传热特性,在光纤环圈瞬态SHUPE误差数学模型的基础上,结合ANSYS有限元分析软件建立了基于交叉绕法精确到各匝光纤的环圈有限元模型。根据建立的光纤环圈温度分布模型,比较了交叉绕法与四极对称绕法环圈瞬态传热性能。结果表明:在相同的温度激励条件下,采用交叉绕法光纤环圈的SHUPE残余误差较四极对称绕法降低约90%,与实际测试结果基本相符。

光纤环混合四极对称绕制方法

针对变温环境下光纤环互易性发生变化,造成光纤陀螺零偏发生漂移,从而影响工程应用精度的问题,提出了一种利用光纤环内部不同四极间温度误差相互抵消,以此提升其温度性能的混合四极对称绕制方法。首先,对光纤环进行以匝为单位的离散量化分析,获得了正负四极对称绕制的温度误差特征。其次,对几种不同绕法进行了实验测试,通过光纤环温度输出曲线与温度变化率的相关性对比分析,验证了在所提绕法中存在一种或几种最优绕法,利用该方法绕制的光纤环温度误差显著减小。最后,以仿真分析、实验修正获得的两种绕法和十六极对称绕法各绕制5只光纤环,并分别进行温度性能测试,结果显示采用混合四极对称绕制的光纤环温度性能明显较好,与十六极对称绕法相比经实验修正后的混合四极对称绕法能使光纤环温度性能提升41%。实验结果表明:所提光纤环绕法能有效提升光纤环温度性能,对工程应用具有重要的指导意义。

光纤环非互易性结构仿真及设计优化

主要针对光纤环在变化的温度场中产生的热致非互易性旋转速率误差(shupe误差)进行了仿真分析,并且提出了一种新的光纤环绕制方法以减小shupe误差。首先建立了3种对称绕法下带骨架光纤环的有限元模型并对它们施加相同的随时间变化的均匀温度场载荷,经分析计算得到了光纤环中各匝的温度变化率数据。再利用精确到匝的光纤环热致旋转速率误差数学模型进行计算,最后得出3种绕法下光纤环的shupe误差。仿真分析的结果表明采用新提出的反交叉对称绕法的光纤环对shupe误差的抑制效果最好。

光纤陀螺温度误差模型研究

对由Shupe效应引起的误差进行了理论分析,光纤环径向温阶会产生光纤陀螺零偏漂移。设计和完成了测量环境温度对光纤温度的影响试验,环境温度变化率与Shupe效应误差存在线性关系。在此基础上,设计和完成了在测量环境温度变化时光纤陀螺输出的试验,分别使用环境温度变化率的一阶、二阶和三阶项对陀螺输出的变化趋势进行建模,对模型的有效性进行了验证。结果表明:一阶模型与二阶、三阶模型相比,模型更简单、稳定性更高,能够准确地反映由Shupe效应引起的误差值,补偿效果好,与理论分析结果相符。

基于等效不对称长度的光纤环温度性能评价方法

将光纤环接入光纤陀螺系统,用全温零偏极差评价其温度性能是光纤环常用的评价方法。针对全温零偏极差因仅能判断光纤环温度性能而对后期应用指导作用不明显的问题,提出光纤环等效不对称长度的概念和基于此判据的光纤环温度性能评价方法。通过量化分析,明确了等效不对称长度的测试方法,验证了等效不对称长度用于评价光纤环温度性能的可行性以及该参数对应用的指导效果。实验结果显示,光纤环等效不对称长度与全温零偏极差近似线性相关,根据该参数对称性调整3只光纤陀螺,在温度变化率为1℃/min和2℃/min下测试时,其温度性能均得到明显改善。由此表明等效不对称长度不仅能准确评估光纤环温度性能,同时对光纤环应用具有较强的指导意义。