光纤陀螺标度因数温度特性的研究

发布时间：2020-04-12 17:04

【摘要】：光纤陀螺因其具有精度范围广、无运动部件、体积小、质量轻、寿命长等优点被广泛应用在航空、航天、航海及兵器等重要领域。随着光纤陀螺工程化技术的提高,特别是高精度光纤陀螺的不断发展,温度成为影响光纤陀螺精度的主要问题之一。由于构成光纤陀螺的主要器件对温度较为敏感,所以在变化的温度作用下导致的标度因数误差直接影响光纤陀螺的精度。本文针对现有光纤陀螺标度因数误差模型只从整体考虑,没有分别对光纤陀螺内部器件温度特性分析的问题,以干涉式光纤陀螺为研究对象,研究了其工作原理和主要性能指标。通过分析光纤陀螺中各个器件的温度特性,发现光纤陀螺中影响标度因数的主要器件有光源、光纤环、晶振。然后分析标度因数的误差来源及产生机理,得到造成光纤陀螺标度因数误差的主要因素,重点分析光纤陀螺在工作范围内光源的平均波长、绕制光纤环的光纤粗细、晶振的频率在不同温度点对标度因数的影响。主要研究内容如下:首先,基于ANSYS有限元仿真和传热学原理,建立由不同粗细的光纤绕制的光纤环传热模型,并结合不同尺寸的光纤环以及对光纤环局部施加温度激励的情况,探究光纤环在全温范围内受温度影响后造成的标度因数误差模型。研究表明,较细光纤和涂覆层较薄的光纤能够提高标度因数的稳定性,并且标度因数变化量与各个面的温度呈线性关系。另外,针对目前全温范围内晶振频率对标度因数误差的影响模型不确定的问题,通过分析数字闭环光纤陀螺的基本原理,结合温度对晶振频率的影响以及角增量测试标度因数的方法,建立了晶振频率与温度和标度因数与晶振频率的函数模型,并通过实验验证了其正确性。为提高标度因数的稳定性,选取另外一款温补晶振与普通晶振做对比实验。研究发现,温补晶振具有更好的温度稳定性,可以减小晶振频率带来的标度因数误差,提高标度因数的稳定性。其次,基于光源性能的评价指标和光源对标度因数影响的理论分析,结合光源平均波长对标度因数的影响模型,发现闭环光纤陀螺的标度因数误差正比于光源平均波长的相对变化量,光源中平均波长是影响标度因数稳定性的主要因素。对比测试了全温范围内SLD光源和掺铒光纤光源平均波长以及光功率的变化,并计算出两种光源的平均波长在全温范围内带来的标度因数误差。得出SLD光源适合应用在中低精度光纤陀螺中,而掺铒光纤光源适合应用在高精度光纤陀螺中的结论。最后,通过搭建实验环境测试了光纤陀螺在全温范围内的标度因数变化量,验证了由光纤环、晶振、光源引起的标度因数误差模型的正确性。并建立了标度因数温度误差的补偿模型,通过将建立的补偿模型重新写入到同一个光纤陀螺系统中进行复测,验证了该模型的正确性和有效性。
【图文】：

光纤陀螺仪,实验装置图

究现状Shupe 发现光纤环温度在时域的变化会使光纤陀螺产生漂移陀螺测量产生巨大的影响，并推导出了由于温度对光纤环的影射率的关系[18]。1981 年，，世界第一只高灵敏度、高精度的闭敏度为 0.1°/h，是由 Davis 和 Ezekiel 共同研制成功的[20]。法 Bettini 等人在同一时期利用 Y 波导研制出了标度因数误差小度数字闭环电路[21]。Chao-Xiang Shj 和 H.Kajioka 提出了一种如图 1.1 所示的改进优点是能够利用全部的光功率，缺点是该光纤陀螺的输出所需的要求比较高[22]。光源中对标度因数影响较大的因素是光波程度上依赖于光源平均波长的稳定性。1997 年，J.Patrick 等人对光源中心波长要求的，并且使得掺铒光纤光源的温度稳定性法利用的是长周期光栅[23]。2003 年，E.Dzhashitov 发现影响标相移随着转速的增大而增大，随光源平均波长的增大而减小因数的稳定性[24]。

连接图,连接图,温度传感器,标度因数

图 1.2 温度传感器和 FPGA 的连接图1.2.2 国内研究现状哈尔滨工程大学的李绪友教授采用“四态方波调制”技术对 Y 波导的相位漂移以及光纤陀螺的稳定性进行了研究分析，如图 1.3 所示。能够实时补偿相位调制器的相位漂移，提高标度因数的稳定性。但是从仿真数据来看，光纤陀螺标度因数随着温度升高有减小的趋势，如果对此现象深究，将进一步提高标度因数的稳定性[33-36]。张勇刚等人建立了数字闭环光纤陀螺的物理模型和基于四态方波调制的第二闭环反馈模型，如图 1.4所示，并利用 Labview 仿真分析证实了第二闭环反馈补偿光纤陀螺标度因数的效果[37]。b jb s I I'ckfk图 1.3 带第二反馈回路的闭环控制图程建华等人研究了光纤陀螺的温控系统并取得了较好的研究成果[38,39]。除此之外，北京航空航天大学的金靖等人通过分析引起数字闭环光纤陀螺标度因数温度误差的原
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH824.3

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