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光纤陀螺的实用化进展
阎永志
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】1994(16)1
【摘要】扼要论述了各种光纤陀螺的开发与实用化现状。
其中，干涉型光纤陀螺已基本实用化；谐振型光纤陀螺虽处于基础研究阶段，但却是小型化和高性能化陀螺的重要发展方向之一；光纤环形激光陀螺正在作为一种新型陀螺加以研究开发。
【总页数】3页(P21-23)
【关键词】光纤陀螺;激光陀螺
【作者】阎永志
【作者单位】四川压电与声光技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN253
【相关文献】
1.再入式光纤陀螺实用化技术研究 [J], 毛献辉;田芊;孙利群;滕云鹤;章燕申
2.光纤陀螺仪应用的进展Ⅱ——侧重于消偏陀螺仪理论 [J], 朱玲
3.船用陀螺罗经技术的突破性进展——光纤陀螺罗经问世 [J], 徐友方
4.船用陀螺罗经技术的突破性进展——光纤陀螺罗经问世 [J], 徐友方
5.光纤陀螺小型化技术研究进展 [J], 傅军;常扬;宁治文
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光纤陀螺导航系统精度分析与性能优化随着现代科技的发展，航空、航海、无人机等领域的高精度导航需求不断增加。
传统的机电陀螺导航系统已经无法满足高精度导航的需求，而光纤陀螺导航系统因其精度较高、体积小、重量轻、稳定可靠等优点被广泛应用。
本文将就光纤陀螺导航系统的精度分析和性能优化进行探讨。
一、光纤陀螺导航系统的原理光纤陀螺导航系统是利用光学陀螺的原理进行方向感测，这种陀螺结构由两个相交的光纤环形通道组成。
当环子被旋转时，光由管子中传送并检测出自转角速度，从而得出导航信息。
要确保这种陀螺的精度是，必须执行系统校准。
二、光纤陀螺导航系统精度分析方法目前，光纤陀螺导航系统的精度分析方法主要有传统红外干涉法和自校准反射法两种。
1. 传统红外干涉法传统红外干涉法就是将激光束分成两束，经过两个光学非定向器后，光线就会相交，并通过干涉来得出角偏差。
与机械陀螺相比，这种方法不仅精度高，而且稳定性也非常好。
但是，这种方法要求技术与设备非常高超，不易操作。
2. 自校准反射法自校准反射法是利用反光棱镜反射光束，从而根据干涉可测量角速率的方法，采用电子数字积分技术计算出所有幅值相位的差异。
这种技术优化了传统干涉法的速度和精度，但是在低频振动下仍然存在灵敏度问题。
三、光纤陀螺导航系统性能优化要想使光纤陀螺导航系统在高精度导航方面表现得更加优异，需要进行系统优化。
下面将从以下几个方面进行探讨。
1. 光纤陀螺信号采集与处理技术为了获得光纤陀螺导航系统的高精度导航输出，需要对光纤陀螺信号进行采集和处理。
传统的光纤陀螺导航系统主要采用模拟处理方式，即将采集到的光纤陀螺信号经模拟处理后再输出，这种方式的缺点是处理速度过慢，无法满足高精度导航的要求。
因此，目前光纤陀螺导航系统采用数字信号处理技术，如数字滤波、微处理等，提高了信号处理的速度和精度。
2. 光纤陀螺信号传输技术由于光纤陀螺导航系统采用光学检测措施，所以对光纤陀螺信号传输也提出了要求，即要求传输信号的高准确度、高速度、高精度等。
高精度数字闭环光纤陀螺控制器设计的中期报告1. 引言1.1 课题背景及意义光纤陀螺仪作为一种惯性导航仪表，具有抗干扰能力强、精度高、可靠性好等优势，被广泛应用于航空航天、军事、地质勘探等领域。
随着科技的发展，对光纤陀螺的精度要求越来越高。
数字闭环控制技术是提高光纤陀螺精度的有效手段，因此研究高精度数字闭环光纤陀螺控制器具有重要的理论意义和实用价值。
1.2 研究目标与内容本研究旨在设计一种高精度的数字闭环光纤陀螺控制器，通过对光纤陀螺的基本原理、数字闭环控制原理及其设计要求进行研究，提出一种高精度光纤陀螺控制器设计方案，并进行仿真与分析，最后通过实验与测试验证其性能。
研究内容主要包括：1.分析光纤陀螺基本原理，探讨数字闭环控制技术在光纤陀螺中的应用；2.设计高精度光纤陀螺控制器，包括系统架构设计、关键模块设计等；3.建立仿真模型，对设计方案进行仿真与分析；4.搭建实验平台，进行实验与测试，优化与改进控制器性能。
1.3 报告结构本报告共分为六个章节，具体结构如下：1.引言：介绍课题背景及意义、研究目标与内容、报告结构；2.光纤陀螺控制器设计原理：分析光纤陀螺基本原理、数字闭环控制原理及设计要求；3.高精度光纤陀螺控制器设计方案：阐述系统架构设计、关键模块设计等；4.高精度数字闭环光纤陀螺控制器仿真与分析：建立仿真模型，分析仿真结果，评估性能；5.实验与测试：搭建实验平台，进行实验与测试，优化与改进性能；6.结论与展望：总结研究成果，指出不足与改进方向，展望未来研究方向。
2. 光纤陀螺控制器设计原理2.1 光纤陀螺基本原理光纤陀螺（Fiber Optic Gyroscope, FOG）是一种利用萨格奈克效应（Sagnac effect）来测量旋转角速度的传感器。
它主要由光纤线圈、光源、光探测器以及相应的信号处理电路组成。
当光纤线圈随着载体旋转时，两束相反方向传播的光在光纤中形成的闭合光路中，由于旋转引起的相对速度不同，导致两束光的光程差发生变化。
光纤陀螺罗经的研制与应用研究进展摘要本文描述了SFIM研制的单轴光纤陀螺和惯性测量装置。
描述了光纤陀螺罗经的应用领域和它在各种领域中被广泛应用的理由。
光纤陀螺仪的应用程序实现了从机械陀螺仪向集成混合导航系统的转变更新。
经过不断发展和攻关努力，现正专注小型化多轴的陀螺仪的研究。
最有希望的子系统是将旋转速率传感器与光纤陀螺仪巧妙的结合在一起的惯性测量组合。
1、引言单轴光纤陀螺仪的基本设计已经被完成。
而在研制领域中仍然需要在实际设计和现有的生产条件下提高限制和分析误差的性能，光纤陀螺仪不断更新发展的主要驱动力是降低成本的需要。
已知的设计有很多共同的特点，但也有不同的解决方案，以应对不同的应用领域中的具体问题。
单轴陀螺仪的销售机会是直截了当的替换在此之前的单轴机械陀螺仪；使用在极端特殊的二维导航任务中，作为无人飞行器的导向罗经；作为经典惯性传感器组件中的传感器由三个单独的陀螺仪和三个加速计组成；应对古典式陀螺仪在灵活性和环境条件都完成不了的极端特殊的测量工作。
新设计的驱动程序的多轴陀螺仪仍属于高功耗光纤陀螺仪，相比纯机械陀螺，其仍存在相当大的尺寸，而且造价又一次成为考虑的因素。
所有这些都是多轴光纤陀螺仪朝着解决信号处理的多路复用和光学组件的普遍应用的方向发展的原因。
2、单轴光纤陀螺仪2.1 设计和基本配置众所周知，在实际的FOG 中，光学部分是最小的配置。
电子信号的读取和处理高度的集成在一起，以联合的模拟和数字ASIC实现。
为了完成，简单的总结和重复设计的主要特点，如下所示：1、低成本的多模激光二极管作为光源，波长820nm，多达15mw的光功率射入单模光纤尾纤。
它安装在热电冷却器、唯独传感器和显示器二极管半蝴蝶包中。
2、多功能集成光学模块包括一个含有偏光片的辫状射出或输入通道、Y型分叉管和一对与钛非漫射波导安装在Z切理铌酸盐底片上的调相器。
3、保偏光纤用来做尾纤和纤维线圈，其长度为100m，一个Sagnac相移大约为1μrad，输入速率为1 ° / h。
光纤陀螺仪技术的发展与研究一、引言光纤陀螺仪是一种通过利用光（或电磁波）的干涉效应，测定角速度的高精度陀螺仪，广泛应用于惯性导航、航天、测绘和制导等领域。
随着光纤技术和信息技术的迅猛发展，光纤陀螺仪已经成为高科技领域不可或缺的重要工具之一。
本文将主要探讨光纤陀螺仪技术的发展和研究，通过分类介绍，详细阐述其原理、特点和应用。
二、光纤陀螺仪分类1. 常规光纤陀螺仪常规光纤陀螺仪具有独特的双波长光源、光学路径、检波器和信号处理方法。
其原理基于旋转对光波传播速度产生的不同效应，通过不同的光学干涉方法，最终实现对角速度的精准测量。
常规光纤陀螺仪具有精度高、抗干扰能力强、稳定性好等特点。
广泛应用于惯性导航、飞行器姿态控制、地震测量等领域。
但其灵敏度和稳定性也受到机械和光电元器件的影响，因此需要优化技术和材料、加强可靠性等方面的研究工作。
2. 纤维光栅陀螺仪纤维光栅陀螺仪是利用光纤光栅的干涉效应实现的陀螺仪。
其原理基于声学波的激发和布拉格反射，通过声学-光学相互转换，实现对角速度的高精度测量。
相对于常规光纤陀螺仪，纤维光栅陀螺仪具有灵敏度高、体积小、重量轻、功耗低等优点，可应用于重量限制的场合。
然而其对温度和振动等环境干扰的敏感性也较高，需要进行相应的技术研究和优化。
3. 拉曼光纤陀螺仪拉曼光纤陀螺仪是利用拉曼散射效应实现的陀螺仪。
其原理是通过光场的拉曼反散射，实现光波的频移和相移，从而测量系统的角速度。
相对于常规光纤陀螺仪和纤维光栅陀螺仪，拉曼光纤陀螺仪具有灵敏度高、免受磁场干扰等优点，因此在航天器的导航、高精度地震测量、地下勘探等领域有着广泛的应用。
但其可测量范围较窄，信噪比偏低等问题也需要进一步改进。
三、光纤陀螺仪技术发展光纤陀螺仪技术的发展是基于光纤制造、光学设计、信号处理等多个领域的紧密结合。
近年来，其研究方向主要包括以下三个方面：1. 新型传感器和器件新型光纤传感器和器件的出现，极大地推进了光纤陀螺仪技术的发展。
光纤陀螺仪导航精度提高方案讨论导航系统在现代社会的生活中发挥着重要作用，越来越多的人依赖于导航系统进行准确的位置定位和导航引导。
光纤陀螺仪是一种基于光学原理的惯性传感器，可以感知旋转运动，并利用这些信息来确定位置和姿态。
为了提高光纤陀螺仪的导航精度，我们需要考虑以下几个方面的改进方案。
首先，提高光纤陀螺仪的稳定性和精确性是提高导航精度的关键。
为了实现这一目标，可以采取一些措施来减小测量误差和传感器漂移。
一种方法是优化光纤陀螺仪的硬件设计，例如通过改进光纤光圈的结构和材料，以提高光纤陀螺仪的灵敏度和响应速度。
此外，还可以采用温度补偿和振动隔离技术来降低外界环境因素对光纤陀螺仪测量结果的影响。
其次，使用多传感器融合技术可以进一步提高光纤陀螺仪的导航精度。
多传感器融合技术是指将不同类型的传感器数据融合在一起，以获得更准确和可靠的导航信息。
在光纤陀螺仪的导航系统中，可以与其他惯性传感器（如加速度计）、全球定位系统（GPS）和地磁传感器等结合使用。
通过综合多种传感器的测量结果，可以降低各种传感器的不确定性，提高导航系统的鲁棒性和精度。
此外，使用先进的信号处理算法也是提高光纤陀螺仪导航精度的重要方法。
传感器数据处理中的滤波和数据融合技术能够减小噪声干扰和漂移误差，并提取出导航所需的有用信息。
光纤陀螺仪的信号处理算法应该结合陀螺仪的特点，对数据进行滤波和校正，以减小系统误差和提高导航精度。
同时，还可以应用自适应滤波、卡尔曼滤波和粒子滤波等高级算法来进一步优化导航性能。
最后，光纤陀螺仪导航精度提高方案还需要考虑导航系统的校准和定期维护。
校准是指对光纤陀螺仪的测量误差进行调整和修正，以保证测量结果的准确性。
校准应该定期进行，并根据工作环境的变化和光纤陀螺仪的使用情况进行调整。
此外，还应该对光纤陀螺仪进行定期的检验和维护，以确保仪器正常工作和准确测量。
总结起来，为了提高光纤陀螺仪的导航精度，需要采取一系列的方案，包括优化光纤陀螺仪硬件设计、使用多传感器融合技术、应用先进的信号处理算法以及定期校准和维护导航系统。
(10)申请公布号 CN 102538776 A(43)申请公布日 2012.07.04C N 102538776 A*CN102538776A*(21)申请号 201110449108.5(22)申请日 2011.12.20G01C 19/72(2006.01)(71)申请人中国科学院国家授时中心地址710600 陕西省西安市临潼区书院东路3号(72)发明人董瑞芳 刘涛 张首刚(74)专利代理机构西安永生专利代理有限责任公司 61201代理人申忠才(54)发明名称基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪(57)摘要一种基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，在安装板上设置有检测器、光源、耦合器、光纤环，耦合器通过光纤与探测器、光源、光纤环相连，其特征在于：所述的光源为量子光源；所述的耦合器为：在安装板水平光轴光束传播方向上设置有第一50/50分束器，经第一50/50分束器垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器、第一50/50分束器的光出射方向设置有第二光纤耦合器；所述的检测器为：在安装板上第一50/50分束器垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。
本发明具有设计合理、测量误差小、灵敏度高等优点，可作为高灵敏度干涉型光纤陀螺仪应用于地球自转测量等领域。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书6页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 1 页1/1页1.一种基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，在安装板(17)上设置有检测器、光源、耦合器、光纤环，耦合器通过光纤与探测器、光源、光纤环相连，其特征在于：所述的光源为量子光源；所述的耦合器为：在安装板(17)水平光轴光束传播方向上设置有第一50/50分束器，经第一50/50分束器垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器(6)、第一50/50分束器的光出射方向设置有第二光纤耦合器(10)；所述的检测器为：在安装板(17)上第一50/50分束器垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。
干涉式光纤陀螺仪引言自从1963年制造出第一个基于Sagnac效应的环形激光陀螺仪（RLG）以来，大量光学陀螺仪得到发展，同时其性能也得到验证，其中包括光纤陀螺仪（FOG）[1]。
从20世纪60年代末，位于华盛顿的美国海军实验室就开始研究光纤陀螺技术，目的是研制出比氦氖环形激光陀螺仪成本更低、制造流程更简单、精度更高的光纤角速率传感器。
经过近几十年各国学者开展的大量研究工作，光纤陀螺仪在航海、军事、空间和民用方面都有较大的应用价值。
本报告简单介绍了干涉式光纤陀螺仪原理，类型以及应用等方面。
一、S agnac效应所有的光学陀螺仪的工作原理均基于Sagnac效应，即利用绕垂直于环面的轴旋转的环形干涉仪中两束相反传播的光信号间相移∆φ，或利用在光腔绕垂直于自身的轴旋转时，两个分别沿顺时针（CW）和逆时针（CCW）方向传播的谐振模式间的频移来实现陀螺仪的测量作用。
[1]为简便分析，首先考虑环形干涉仪内为真空的情况。
在光路中一点放置分光器，当光从该点进入干涉仪后，被分为沿顺时针和逆时针两个方向传播的信号。
当干涉仪相对于惯性坐标系静止时，沿相反方向传播的两束光光程相等，且传播速度均等于c（c为真空中光速）。
经过时间τr，两束光同时回到分光器位置，可求得传播时间τr为：τr =2πRc式中：R为环形干涉仪半径若环形干涉仪以角速度Ω顺时针旋转，则分光器在时间τr内的位移∆l=ΩRτr。
当光在干涉仪中完成一次往返运动时，由于干涉仪转动了一个小角度，环形干涉仪在顺时针方向光束（与Ω方向相同）的光程将略微大于2πR，而逆时针方向光束的光程就将稍小于2πR，顺时针光程L CW与逆时针光程L CCW间的光程差为∆L=L CW−L CCW=2∆l=2ΩRτr=4πΩR2c由于两束光的传播速度相同，均等于真空中的光速c，所以沿逆时针方向的光波先到达分光器处，两束光到达分光器处的时间差等于∆t=∆Lc=4πΩR2c2由干涉仪转动引起的两束光相移∆φ可表示为∆φ=∆t 2πcλ=8π2R2cλΩ式中：λ为光的波长当在有效折射率n eff >1的真实光纤中时，不能直接将c m =cn eff 代入上式。
光学陀螺的发展与应用摘要：通过对光学陀螺仪的基础介绍，光学陀螺具有可观的精度潜力，以其为核心构件的惯性导航系统成为惯性系统技术的重要发展方向。
根据光纤陀螺仪的工作原理和特点，光纤陀螺仪利用光路替代了传统陀螺的机械转子，陀螺无旋转和运动部件，具有传统机械陀螺不可比拟的优势。
陀螺性能稳定，可靠性好；能够承受强烈的速度和振动冲击，寿命长，动态范围广；不存在马达的启动和稳定问题，启动迅速，具有很高的标度因子稳定性；输出信息数字化，方便计算机处理；相对于同精度的机械陀螺，成本低；动态测量范围大，可直接固联于载体，便于构成捷联惯性系统。
光学陀螺的发展历程介绍了国外光纤陀螺仪的现状，预测了近期和长远的发展趋势，旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。
回顾光纤陀螺仪的发展历程，从长远看，随着光纤通信技术、集成光学技术和光纤传感技术的发展，更多先进的成果将应用在光纤陀螺中，使得光纤陀螺的性能得以整体提高，应用范围更加广泛，干涉型光纤陀螺的应用领域将集中在惯性级上，有望取代静电悬浮陀螺。
光纤陀螺发展的方向：一是向更高精度、更高可靠性的方向发展，为航天、航空、航海提供高精度的惯性元件；二是向体积小、高度集成、价格便宜、结构更牢固的超小型化方向发展，为战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器；三是朝多轴化方向发展。
关键词：光学陀螺仪；萨格纳效应；干涉型；谐振式；布里渊式一、光学陀螺的基础介绍惯性技术是惯性导航与惯性制导、惯性仪表、惯性测量以及相关测试设备和装置技术的总称。
它是一种利用惯性原理或其他有关原理，自主地测量和控制运载体角运动及线运动参数的工程技术。
惯性技术是完全自主式的测量方法，它不依赖光线、电磁波、声音、磁场等外部信息来测量运载体的线运动和角运动参数。
因此惯性技术被广泛应用于国防高科技、航天科技、飞机、船舶与海洋科技领域。
随着惯性技术的不断发展，它的应用领域延伸到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。
现代导航测试实验报告光纤陀螺静态性能测试Allan方差分析姓名学号学校南京航空航天大学学院自动化学院专业自动化专业班级2014年11月一、 实验目的：1. 了解光学陀螺静态测试的过程。
2. 通过实验测试得到的数据，利用Allan 方差法分析其随机误差特性其随机噪声特性。
二、 实验原理：1. 光纤陀螺仪静态测试1) 静态测试方法：测试转台工作于静止状态，启动陀螺仪稳定工作状态后，以一定的频率采集陀螺仪的输出。
伺服控制测试设备原理图如下图：环境温度图表 1 伺服控制测试设备原理图2) 考虑地球自转带来的静态角速率被陀螺仪敏感的情况，需在输出角速率中去除地球自转角速率在实验所在地（南京：北纬32°03′）的分量：s L n iez /0032.0sin =Ω=ω其中地球自转角速率s rad /10292.75-⨯=Ω。
2. Allan 方差定义与计算Allan 方差法是在时域上对频域特性进行分析的一种方法，为评价光纤陀螺仪的各类误差(包括角度随机游走、零偏不稳定性、角速率随机游走、量化噪声和速率斜坡)特性提供了一种简便的手段．采用该方法，通过对陀螺输出数据构成的一个样本空间进行处理，就可以辨识出陀螺各项误差的系数。
计算Allan 方差的步骤如下所示：1)获取数据。
以固定的采样周期Ts ，采集光纤陀螺的输出角速率，共采样N 个点，得到长度为N 的样本空间。
2)动态分组，分成的每组数据个数是动态变化的。
将样本空间中每m(m=1，2，…，M ，M<N ／2)个数据分成一组，得到k 个独立的数组, 令k=[N ／m]且K=[N ／M]。
3)平均数据。
针对每组数据个数为m 的情况，对每组数据取平均值，即求群平均。
得到元素为群平均的随机变量集合，每一组的平均值为k j mm miim j j ,,2,1其中,1)(1)1( ==∑=+-ωωNm N m N m m m m +-+-++1ωωωωωωωωω,,,,,,,212212)(1ω))m图表 2 Allan 方差计算中的数组平均过程示意图4)计算特定相关时间的Allan 方差。
导航级干涉型光纤陀螺仪的性能进展 摘 要 过去Litto n公司报导过温度范围在-55～74℃的动态环境中,曾达到0.0027(°)/ h的角随机游走,0.0092(°)/h的偏值不稳定性,9.2ppm的标度因数误差和0.381/s的输入角对准误差。
这些仪器中,陀螺仪环圈外径小于7.62cm,高不到2.54cm。
本文报告了Lit ton公司导航级干涉型光纤陀螺仪(I FO G)的技术新进展。
叙述了利用低双折射网和保偏网的I FO G光学结构,讨论了I FO G因热感应和磁感应造成误差的主要来源,并提供了导航级IFO G的最新数据。
主题词 干涉型光纤陀螺仪(IFO G) 导航级光纤陀螺仪 误差 热偏值 角随机游走(A RW) 磁偏值误差 *偏振非互易性(PN R)1 概述 20多年来,干涉型光纤陀螺仪已从实验室中的新产品发展成为可以投产、可靠且低成本的仪器,成为旋转传感市场上许多不同应用中的机械式和环形激光陀螺仪(RLG)的有力竞争产品。
战术级干涉型光纤陀螺仪已投产若干年了。
三年前报导过Litto n公司的IFOG首次达到了导航级性能。
在这些报导中,我们的IFO G偏值性能达到0.01(°)/h,动态温度环境扩大到-55～71℃,温度变化率为0.5℃/min,直接从陀螺仪的传感环圈中测得。
我们还第一次报导了标度因数性能优于 1.0ppm和输入轴对准性能优于0.51s(在同样温度范围内)。
在动态温度环境中,达到这样先进的偏值、标度因数和输入轴对准性能,是因为采用了有1km长光纤的传感环圈的仪表,它装在直径小于7.62cm的组合内。
因此,与导航级应用中的机械式和环形激光陀螺仪相比,它在尺寸上很有竞争优势。
本文中,我们将报导导航级IFOG取得的进展。
将首先分析IFO G在动态温度环境中性能的误差源。
第二部分讨论在环圈中,随时间变化的温度扰动造成的偏值误差和“Shupe”偏值误差。
第三部分讨论偏振非互易误差(PN R)。
第四部分简单地讨论一下降低偏值磁灵敏度的问题。
第五部分叙述导航级IFOG这种光学结构的仪器以两个网络为基础,第一个网络由低双折射光纤和低双折射器件构成;第二个网络只由保偏光纤和保偏器件构成。
第六部分给出了这种仪表测得的最新数据。
第七部分是结论。
2 由于随时间变化的温度扰动而造成的偏值误差2.1 背景 自从Shupe发表论文讲述了由于传感环圈内因温度分布变化不对称而造成旋转角误差以后,许多工作人员都想方设法减少不对称性。
Shupe建议采用折射指数温度系数低的玻璃纤维,他还建议采用一种环圈缠绕方法,即让光纤与相邻的环圈中点保持同样的距离。
Frigo 讨论了几种偏值补偿技术,包括:保护环圈不受温度变化的影响(假设用绝缘方法),选择热膨胀和折射指数温度系数低的玻璃,在环圈中放入导热率高的材料,通过改变、温度“减短”环圈的方法减少热梯度。
他证明了环圈半径上的温度为线性时,与“简单”缠绕(光纤一头位于内半径,一头位于外半径)相比,对称缠绕和四极缠绕减少偏值误差的效果好。
我们定义简单缠绕的Shupe偏值与改进缠绕的偏值的比为改进比(IR)。
Ruffin考虑了高频效应或温度变化·51·飞航导弹 1998年第1期的不确定部分。
他们测试了两种光纤的消光比和环圈消光比和噪声。
他们还简单分析了应力效应是如何加剧因折射率和长度方向上的温度变化造成的偏值误差。
我们在上一次的论文中简单地给出了Shupe偏值误差的总的表达式。
通过展开泰勒级数,在所有光纤部分中,光路长度随时间而改变,证明了由于Shupe偏值积分中平滑时间导数下降,改变了对相移的影响。
Ruffin试验了两种不同的200m光纤长的环圈,一种为简单缠绕,一种为四极缠绕。
简单缠绕的Shupe偏值为25(°)/h(℃/min),四极缠绕的测不出来。
结论是四极缠绕法显然先进得多,但简单缠绕适用于许多低精度的应用。
Lofts分析并且实验了四种200m光纤长的横截面基本相同的环圈,其中两个为简单缠绕,另两个为四极缠绕。
温度瞬变由轴套中的加热带引入。
两个四极缠绕的IR约为50。
他们记录了熊猫(Panda)型和椭圆芯型(E-Co re)光纤的环圈。
M ohr研制出温度相对于半径和环圈内时间的“等效电路”模型,精确地叙述了外半径处测得的温度,沿半径向内和向外传递的温度造成Shupe偏值不同的现象也记录下来,并与理论值相符。
他们对1000m和100m环圈进行了实验。
四极缠绕的1000m环圈(56层)的IR为480,100m环圈(12层)的IR为50。
研究环圈形状时,Moh r证明,径向热流下,48层的扁平环圈的IR为800,而沿半径温度降低相同的同样长度的12层环圈的IR只有50。
但是,随着层数的增多,径向的温度将会变大,从而减少48层环圈的优势。
2.2 简单的不对称准则 如上所述,Frig o讨论了几种减少IFO G环圈热不对称性的实用方法,定义和分析了三种可能的缠绕方法:简单缠绕,对称缠绕(环圈交变层从光纤的交变端开始缠绕),四极缠绕(环圈的交变双层从光纤的交变端开始缠绕)。
计算了对称缠绕和四极缠绕方式在径向温度变化下的IR值并发现IR值与层数M有关,对称缠绕与层数M有关,四极缠绕与层数M2有关。
由于光纤直径在165～250μm之间,所以达100层(约20mm环圈半径)是可行的,这时对称缠绕的IR值为102,四极缠绕的IR值为104。
一般情况下,四极缠绕的IR值不会大于这个数。
有两个原因,第一个原因是IR值在温度分布随环圈半径线性变化时达到最大值,当温度沿径向以多项式形式分布,或实际上更高时,IR值不可能这么大。
第二个原因是实际环圈缠绕会有偏差,要想达到最大IR值,必须减少位置偏差。
设计IFO G环圈时,用一条简单的右手规则,把Shupe惯性误差角与环圈中光纤的对称性相联系是很重要的。
如果温度变化分布比较一致,有效系数的平均值应为1/2。
这时的平均Shupe误差角为: θE(t)≈n c ΔX m(t)2〈r〉(1)…………………………………………………因为n c/2约为1,Shupe总误差角约等于光纤中点因热现象造成的绕环圈轴的转动角。
式(1)中的右手定则在评估不同的环圈设计达到的绝对称中很有用。
假定工作时刻t时的Shupe误差角为1°(π/180°),n c为1.47,〈r〉为0.03m,那么可以通过解式(1)估计出光纤中点位移ΔX m: ΔX m(t)≈2〈r〉θE(t)n c=2(0.03)(c/180)147=0.0007m(2)……………………或0.7mm。
如果在L=1000m的环圈中得到这个结果,那么绝对不对称性为ΔX/L= 0.7ppm。
如果工作中温度变化为100℃,d n c/d T=10-5/℃(如在熔融石英中),那么光长变化的总的小数部分约为1000ppm,而且,中点位移小数部分与总的热扰动(或与“热不对称性”相关的不对称)为:·52·飞航导弹 1998年第1期 ΔXΔL r≈0.7ppm1000ppm=700ppm(3)……………………………………… 导航级精度需要标准角误差在1h的工作时间内优于0.01°。
对上述环圈来说,需要达到小于7ppm的热不对称性。
我们现在的环圈设计已能把热不对称性降到这个水平以下。
3 非互易偏振造成的偏值误差 众所周知,由于IFO G中Sagnac相移非常小。
因不同的寄生效应产生的假相移比Sag nce 相移本身大许多个数量级。
用倒数有助于消除许多这种假相移或偏值误差。
实际上,只要在探测器处,干涉的反向传输波在传感环圈中,经过同样的光路,许多这种相移就会消失。
单模(低双折射)光纤,实际上支持两种正交偏振形式。
虽然可以只把光送入一个本征模,但小的双折射扰动(横向力、扭曲等)会把功率耦合到正交偏振形式中。
因此,不能保证反向传输的波将经过同样的光路,因为每个波都有一部分以一种偏振传输,然后交叉耦合到正交偏振。
非互易偏振(PN R)偏值误差,因为“缺少互易”而出现。
Ulrich指出,在采用标准反向配置的IFOG公共输入/输出端插入高质量的偏振滤波器(偏振器)就可以完全消除PN R偏值误差。
但Kintner指出,偏振器并不完美,PN R偏值与它的消光比方根成正比。
Kinter称这是对I-FOG的严重限制,因为1km IFOG需要130dB的消光比以达到导航级性能。
这样的偏振器是不可能的或加工成本很高。
实际上Kintner误差只是PN R偏值误差的一种。
PN R误差振幅与偏振器消光比平方根成正比,而PN R偏值误差密度与消光比成正比。
把保偏(PM)光纤与宽带或低相干性光源结合使用大大降低了对偏振器消光比的要求。
保偏光纤的设计使入射光的偏振态可以保持很长一段光纤(1km以上),不受外部双折射扰动的影响。
此外,保偏光纤中,两种偏振模的速度差足够大,两个以正交偏振形式传输的波会相互抵消,它们干涉产生的偏值误差可以忽略不计。
图1 寄生PN R偏值误差 我们在上一篇论文中,提过一种大大降低因寄生干涉造成的PN R偏值误差的方法。
方法是选择任意两个寄生波之间或寄生波与主波之间的光长差,使其大于光源的相干长度。
图1给出了寄生干涉和使相应的PN R偏值误差可以忽略不计的例子。
现已编出计算IFOG中最重要的寄生波光路的计算机软件。
通过仔细设计IFOG,有可能使许多此类干涉忽略不计。
·53·飞航导弹 1998年第1期在图1中,如果Δn AB L AB-Δn BC L BC L C时,由寄生波1和寄生波2干涉产生的PN R/偏值误差可以忽略不计。
式中:Δn为双折射段,L为分段长度,L C为光源相干长度。
4 减少偏值磁灵敏度 在纵向磁场中,椭圆偏振光的Faraday(法拉第)相移是个非互易效应,会增加IFOG偏值误差。
这种对磁场的灵敏度可由两个条件改善,一个是光纤中的光是线偏振,另一个是如果回路中心没有电流通过时,根据安培法则,绕光纤回路的磁场的线积分应为零。
用保偏光纤有助于保持线偏振。
但由于光纤的扭曲,偏振模略带椭圆并有空间变化,致使出现残余法拉第相位偏值误差: H F=V D ef f L B……………………………………………………c2N c W(4)式中,D ef f是环圈等效直径;L B是光纤差频长度;N是光纤匝数;W是对应于环圈周长的环境频率下光纤扭曲的P SD;V是Verdet常数1随1/λ2而变化)。
在1.5μm光的光纤环圈里,磁灵敏度的数量级为1～10μrad/gauss/km。
在导航级应用中,必须用磁屏蔽,以衰减周围磁场。
磁屏蔽设计已经很成熟。
许多对简单几何形状屏蔽的标准分析最近已被用于更复杂实际情况的有限元分析(FEA),现在已有用于工作站和台式PC平台的系统的二维和三维有限元分析软件。
