陈桂红[1]2010年在《光纤陀螺中的Shupe误差及八极绕环技术研究》文中研究表明干涉式光纤陀螺是惯性元件家族中最具优势、最有发展前景的角速度传感器之一。国外研制的光纤陀螺已经在各个领域得到应用,但是国内光纤陀螺的研制现状还远远落后于世界先进水平。国内光纤陀螺存在的主要问题是高精度光纤陀螺受温度变化或温度梯度影响,陀螺温漂非常显着,极大地限制了高精度光纤陀螺的工程应用。本文首先对光纤环引入的各种非互易性误差进行机理研究,光纤环引入的非互易误差包括:光学克尔效应、瑞利背向散射、磁光法拉第效应、偏振噪声、Shupe温度效应等,这些光学效应引起的非互易性都将使光纤环传输的光信息发生变化,引起陀螺噪声。在光纤环产生的所有非互易性误差中,保偏光纤环的Shupe温度效应是产生光纤陀螺零偏随温度或温度梯度变化的关键原因。在详细研究由温度变化引起的Shupe非互易性误差机理的理论基础上,指出使用特殊的环圈绕制方式可以抑制陀螺的温漂问题。普通光纤环绕制方式包括柱形绕法、单极绕法、两极绕法和四极绕法,通过理论推导,四极对称绕法对抑制Shupe误差最有效。但是由于绕制过程中存在一些非理想因素,并不能完全消除光纤环圈中温度梯度的影响,而且随着光纤长度的增加,这种的残余效应会越来越明显,限制了光纤陀螺精度的进一步提高。鉴于四极对称方式绕制的环圈仍然存在残余的温度误差,必须提出新的绕制方式进一步降低Shupe误差的影响。通过对几种新绕制方法的对比,包括绕制难度和可操作性等,首次采取八极对称方式绕制光纤环圈,在确定并解决绕制工艺难点的前提下,利用现有绕线机成功绕制一支八极绕法环圈。本文中搭建了光纤环圈温度性能测试系统,通过该系统的测试和陀螺的最终测试结果对八极环圈与四极环圈温度性能进行了对比,进一步验证了八极绕法对抑制Shupe误差的有效应和优越性,为下一步光纤陀螺温度性能的提升打下了重要基础。
李永范[2]2004年在《光纤陀螺热致非互易性分析及光纤环温度分布传感》文中研究表明光纤陀螺是重要的惯性传感仪器，在国防武器装备和民用交通运输工具上都有广泛的应用。温度漂移是制约光纤陀螺精度的主要因素之一。虽然理想情况下，光纤环的四极性绕法能明显抑制光纤环中的热致非互易相移，但各种非理想因素严重限制了四极性绕法的优势。 本文分析了中点偏差、光纤直径尺寸对四极性绕法中相向传输光对称性的破坏，推导给出了包括中点偏差和光纤直径尺寸影响的四极性绕法热致非互易相移的计算公式，该公式相对于只考虑理想情况的计算公式，不仅能计算不同中点偏差和光纤直径情况下的热致非互易相移，而且揭示了存在非理想因素时，光纤环结构对热致非互易性的影响。通过对特定外界温度环境下温漂的数值计算，说明中点偏差和光纤直径大小引起的温漂严重制约光纤陀螺的性能，得到了一系列有指导意义的结论。 光纤环温度分布传感是光纤环温度补偿的前提。本文针对光纤环的结构特点，设计了两种使用光纤光栅的温度分布传感方案，对其可行性进行了分析，其中附加光纤光栅方案具有可实时精确测量、可多点复用、不影响陀螺正常工作的优点。论文还设计了采用保偏光纤的光纤光栅波长解调方案，通过巧妙地引入萨格纳克环结构，克服了保偏光纤输出的偏振相关性问题。论文搭建了温度传感实验装置，测量了一增敏光纤光栅的温度灵敏度系数，进行了使用长周期光纤光栅的传感波长解调实验。 本论文的理论和实验工作可望为光纤陀螺温度漂移和补偿打下较好基础。
韩书新[3]2009年在《光纤陀螺用保偏光纤及光纤环测试方法研究》文中提出光纤陀螺是一种惯性仪表,它是通过检测光纤环中顺、逆时针方向传输的两束光的光程差来测量载体速度的。其原理是基于Sagnac效应。光纤陀螺与传统陀螺相比,具有可靠性高、寿命长、动态范围大等优点,如今已成为惯性导航领域主流仪器。目前,我国的光纤陀螺精度与国外相比还比较低,其中对光纤陀螺性能影响最重要的一点,就出在光纤陀螺的重要部件光纤环上,光纤质量的好坏将直接影响光纤陀螺的检测精度。本文首先详细阐述了保偏光纤的结构与基本原理,通过分析光纤陀螺用保偏光纤光纤环绕制过程,得出保偏光纤在绕环过程,容易受到的弯曲和扭转应力作用而产生的形变,形变又会产生形变感生双折射。理论分析得出,形变感生双折射的对保偏光纤固有双折射会产生影响。并使用OptiFiber软件对保偏光纤的两种形变感生双折射进行了仿真。为了进一步研究熊猫型保偏光纤的双折射特性,运用有限元法及ANSYS软件,对熊猫型保偏光纤进行了热力学仿真。仿真结果清晰地表现出了熊猫型保偏光纤的保偏机理。通过对仿真结果的分析,得出了当保偏光纤温度提升时,会在光纤陀螺的检测端衍生出大量的交叉耦合,这中现象会对光纤陀螺检测精度造成严重的影响。通过对保偏光纤绕环方法及固胶的研究,得出了固胶前后光纤环内部典型结构光纤的热应力及双折射变化情况。固胶后的光纤环热致感生双折射较固胶前改善了许多。通过光纤陀螺使用环境的分析,仿真了保偏光纤环在使用过程中的温度场变化过程。持续加温会使光纤环内部产生温差,其大小与升温时间有关,这个温差会导致光纤陀螺性能的不稳定性。最后,针对光纤环温度性能测试进行研究,设计出一套用于光纤陀螺用光纤环的光功率检测方案。通过对不同光纤环的测试,并比较测试结果发现,光纤绕环时的不对称,会导致光纤陀螺的温度稳定性大大降低,对光纤陀螺的信号检测造成不利影响,为今后光纤陀螺用光纤环的检测提供了理论依据。
杨汉瑞[4]2013年在《光子晶体光纤陀螺温度效应的机理与抑制》文中研究表明同所有的干涉仪一样，光纤陀螺对温度敏感，由于其基本的互易结构，即使对较低程度温度，也比大部分干涉仪敏感。在光纤陀螺中，沿光纤敏感环温度的不均匀变化会在输出信号中引入一个漂移，被误认为旋转速率的变化。尽管很多工程方法用来抑制Shupe效应，例如特殊的绕环方案等，但并没有构成一个完美的解决方法，而且还增加了复杂性和成本。这一效应仍然是目前引起光纤陀螺漂移的主要因素，并且其极大地阻碍了光纤陀螺在导航上的应用。因此，我们需要对这一问题做进一步深入分析，从另外的研究方向寻找解决该问题的突破点，并且迫切需要提出一种新的方法来抑制温度效应对光纤陀螺的影响。光子晶体光纤的发展，特别是保偏光子晶体光纤的发展与研究为光纤陀螺解决环境适应性问题提供了全新的思想。对比传统光纤，光子晶体光纤具有灵活的设计自由度、低温度和压力敏感性以及低弯曲损耗等特性。光子晶体光纤的发展和应用为光纤陀螺的研究提供了广阔前景，令其在减小光学噪声、进一步缩小陀螺体积、提高陀螺温度稳定性和精度等方面，具备传统光纤陀螺所无法比拟的优越性。论文以光纤陀螺的温度漂移特性问题为切入点，从抑制光纤陀螺温度效应研究课题体系出发，在基础研究层面上，开展光纤陀螺温度效应机理与抑制新方法的研究。主要包括以下几个方面：（1）鉴于光子晶体光纤众多优点，论文提出采用光子晶体光纤制作光纤陀螺敏感环用以改善光纤陀螺温度效应的新思想。从温度效应产生机理出发，深入、细致的分析了光纤中的Shupe效应。理论推导了光场在光子晶体光纤中的传输模型，分析了温度场对实芯光子晶体光纤的影响。并对光纤敏感环温度分布模型和光纤陀螺温度噪声进行了深入分析与研究。（2）针对光纤陀螺发展中遇到的问题，论文分析并给出了光纤陀螺对保偏光纤的性能要求。通过对保偏光子晶体光纤的各类性能的细致分析，充分验证了保偏光子晶体光纤在解决光纤陀螺环境适应性问题上的优势。鉴于光纤陀螺对光纤性能的不同需求，论文提出光子晶体光纤模场、非线性、有效折射率和双折射等性能的优化设计方法，并对这些方法进行了分析与论证。（3）光纤敏感环是光纤陀螺最重要的光学器件之一，也是受温度效应影响最大的器件，因此，论文深入剖析了温度梯度、压力、电磁干扰等对光纤敏感环性能的影响，探讨了光子晶体光纤敏感环缠绕方式，分析并给出了非理想绕制过程中引起的相位误差。之后，提出了保偏光子晶体光纤陀螺的整体结构，利用琼斯矩阵建立了各光学器件的理论模型及保偏光子晶体光纤陀螺的理论模型。分析并给出了保偏光子晶体光纤陀螺的相位调制及闭环处理方案。给出了保偏光子晶体光纤与传统保偏光纤的熔接技术和保偏光纤定轴技术。（4）论文对保偏光子晶体光纤敏感环和传统光纤敏感环进行了温度对比实验，并对光子晶体光纤陀螺进行了常温和变温情况下的温度实验，实验验证了保偏光子晶体光纤具有较强的温度稳定性，以及保偏光子晶体光纤陀螺在抑制陀螺温度效应、提高陀螺稳定性及提高陀螺精度方面的潜在优势。为进一步抑制保偏光子晶体光纤陀螺中的温度效应，论文提出温度补偿和陀螺结构优化等方法，不仅设计出模场匹配性好的新型保偏光子晶体光纤结构，还设计出光纤敏感环拆卸装置。
吕辰刚, 张瑞峰, 武星, 葛春风[5]2009年在《光纤环的热致非互易性噪声理论与实验研究》文中研究表明研究了光纤环非稳态传热过程中的非互易相位噪声特性。根据光纤陀螺在实际应用中环境温度的干扰,通过有限差分法,建立了光纤环时变温度场分布模型,对光纤环在非稳态传热过程中的温度场进行了模拟分析。在此基础上,针对不同绕制结构的光纤环,对其温度漂移进行了数值模拟和比较。实验表明,交叉子绕线方案能更好地抑制光纤环热致非互易噪声的影响,从而能提高干涉型光纤陀螺的长期漂移精度。
李茂春[6]2008年在《FOG光纤环温度瞬态特性检测理论及方法》文中研究指明光纤环是光纤陀螺(Fiber Optic Gyro, FOG)的传感核心,它的缠绕质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前,传统的光纤环检测方法(例如凭借消光比来评判保偏光纤环的优劣)不能完全反映出光纤环的缠绕质量,具有局限性。本文针对光纤环传统检测手段的局限性,提出了一套FOG光纤环温度瞬态特性检测理论、评价方法与指标,此检测方法无需将光纤环置于最终陀螺成品阶段就能够全面表征光纤环的缠绕质量。本文的主要研究内容如下:1.建立了叁维光纤环温度瞬态响应数学模型,此模型能够全面分析由径向、轴向和周向温度梯度造成的热致非互易效应,为光纤环温度瞬态特性检测方法的验证奠定了理论基础。并满足叁维光纤环温度瞬态响应数学模型的需求,开发了光纤环绕法叁维数字化专用软件。2.采用有限元技术,建立了叁维光纤环有限元模型来仿真温度激励作用下的光纤环温度场分布,借助此温度场信息实现了光纤环叁维温度瞬态响应的定量理论分析能力。通过对比仿真计算结果和实验结果,成功验证了叁维模型的有效性。并基于此叁维光纤环模型,在理论上有效地论证了光纤环温度瞬态特性检测方法的可行性。3.建立了光纤环温度瞬态特性检测系统,其中包括光纤环温度瞬态特性检测平台、光纤环本征频率快速精确测量、陀螺系统的标定和温度激励源的设计。4.借助光纤环温度瞬态特性检测系统开展了光纤环改变其对称性的温度瞬态特性检测实验,在实验上成功地验证了光纤环温度瞬态特性检测方法用于检测光纤环全面缠绕质量的有效性。并提出了光纤环径向、轴向等效不对称度的概念来量化的表征光纤环缠绕的等效对称性。5.针对基于恒温温度激励的检测方法的不足,提出了基于周期温度激励的光纤环温度瞬态特性检测方法,并在理论和实验中都成功地验证了此新检测方法的可行性。实验重复精度表明基于周期温度激励的检测方法的检测精度优于基于恒温温度激励的检测方法,并且提高了检测效率。
刘思科[7]2007年在《光纤陀螺建模及误差特性研究》文中认为光纤陀螺目前已成为惯性技术领域的新型主流仪表，其原理、工艺及关键技术与传统的机电式仪表有很大的差别，具有高可靠、长寿命、快速启动、大动态范围等一系列优点。国外已经进入实用化阶段，而国内仍处于工程化、实用化研究阶段。本文针对光纤陀螺工程化应用中面临的突出问题进行了一系列的研究。其中，对光纤陀螺系统进行建模是一项基础而又重要的工作，它在光纤陀螺的仿真研究、性能评价和性能预测中起着重要的作用，对系统的结构改进和故障排除具有重要意义。本文在分析了光纤陀螺实际结构特点的基础上，建立了接近实际情况的非线性动态模型和随机模型。 在工程应用中，减小或消除各种误差因素的影响，是提高光纤陀螺性能的重要工作。本文在对光纤陀螺误差源进行系统分析的基础上，重点对环境误差因素中的温度和振动影响进行了研究。虽然与其它形式的陀螺相比，光纤陀螺具有天生的抗振优势，但使用中也暴露出振动环境对陀螺精度的不良影响，本文分别从机械振动理论和光路的振动调制理论对光纤陀螺振动误差的机理进行了研究，并且提出了抑制措施。 温度漂移误差是制约光纤陀螺性能进一步提高的重要因素。本文通过实验研究了组成光纤陀螺的各主要光学元器件受温度影响的差异，并且针对温度变化影响下的光纤环热致非互易噪声进行了理论研究，建立了光纤环温度误差模型，分析了光纤环在不同绕制方法下的温度相位噪声。 最后，本文采用浮动零点差动补偿技术对光纤陀螺的光路部分进行了改进，设计了用于光路改进信号处理的光电转换-电子运算电路，它利用陀螺功能材料和器件的对称性有效地克服了温度对光源和光电探测器的影响，避免了一味追求光源稳定性或寻找随机游走模型的实际困难，具有简单易行，经济实用的特点，并且这种差动补偿技术对抑制光纤陀螺的振动误差也有一定作用。本文还提出了基于误差模型和浮动零点光路改进的软硬件相结合的光纤陀螺总体补偿方案。
王玥泽[8]2012年在《光纤陀螺温度误差及其抑制方法研究》文中研究说明陀螺仪是惯性技术领域指示方位角的重要传感器，在导航、制导、卫星定位、大地测量等军用和民用的诸多领域起着至关重要的作用。基于Sagnac效应的光纤陀螺由于具有质量轻、尺寸小、精度高、寿命长、无运动部件的优点，已经成为现今国际上工业应用的重要陀螺仪之一。国外研制的光纤陀螺及其系统已经得到了广泛的应用，而国内光纤陀螺的研发状况远远落后于国际先进水平。制约国内光纤陀螺研发及其工化应用的主要问题在于：光纤陀螺在应用环境中易受温度变化与温度梯度的影响，导致陀螺输出存在较大漂移。而光纤环圈作为光纤陀螺中最重要的敏感核心，它对温度的敏感程度直接影响陀螺的温度性能。本文主要研究内容如下：（1）首先阐述了光纤陀螺基本原理及其国内外发展现状，以及引起光纤陀螺中敏感核心—光纤环圈发生温度漂移的机理。（2）分析了热应力引起的温度误差机理，提出带有缓冲层的新型光纤环圈模式，建立光纤环圈的温度有限元模型，通过有限元分析及实验验证，证明带有缓冲层的新型光纤环圈在降低热应力引起的误差方面较传统光纤环圈有明显的优势。（3）在详细研究由温度梯度引起的Shupe非互异性误差的机理后，指出使用特殊的光纤环圈绕制方法可以有效的抑制陀螺由于温度梯度而引起的漂移问题。通过理论推导，证明采用现阶段最为常用的四极对称方法制作而成的光纤环圈仍然存在残余的Shupe误差。经过提出光纤环圈的十六极绕法。通过理论分析和对比实验证明，采用十六极绕法绕制的光纤环圈可以更为有效的抑制Shupe误差的影响。（4）提出加入补偿匝的方法，对光纤环圈及Y波导的尾纤的相对长度进行适当调整，实验证明该方法可以对光纤环圈制作过程中的非理想因素引入的Shupe误差进行抑制。
张伟[9]2011年在《基于开环光纤陀螺控制的无人作战平台稳定技术研究》文中指出惯性稳定运动平台是无人作战系统的核心,对运动平台的姿态进行惯性稳定控制是发展各种类型无人作战系统的基础,因此,研究无人作战平台惯性稳定技术具有重要的意义。本文围绕无人作战平台惯性稳定控制的共性关键技术,开展基于开环光纤陀螺的无人作战平台惯性稳定技术的研究。论文在综合分析国外无人作战平台技术发展的基础上,根据实际应用需求,进行了平台总体方案的设计、系统建模和理论分析,为具体方案的实施提供了理论依据;根据无人作战平台姿态控制的综合性能指标要求,选择开环光纤陀螺作为核心惯性测量元件,设计了基于开环光纤陀螺的高性能角位移反馈控制传感器;进行了开环光纤陀螺性能改进,通过热力学结构优化设计改善了陀螺温度特性;针对实际系统存在的变参量和非线性的特点,采用自抗扰控制技术实现了系统的稳定控制;在综合考虑平台抗后坐力冲击能力、电机驱动能力以及系统可控性等多种因素后,进行了平台结构的优化设计,并完成了系统的研制;实验测试结果表明系统性能达到了预定指标要求,这些工作为无人作战平台的进一步发展奠定了基础。本论文的主要成果和创新性如下:1.设计了基于开环光纤陀螺的角位移反馈控制传感器,实验证明该新型传感器可以同时实现角位移测量和电机反馈控制。2.将自抗扰控制技术成功运用于无人作战平台的稳定控制,通过仿真分析与实验在线调试相结合的办法解决了自抗扰控制器控制参数整定的问题。3.采用有限元分析方法对无人作战平台的机械结构进行了强度和刚度校核,在保证平台结构强度和刚度的条件下对平台结构进行了轻量化设计。4.成功设计和制作了国内首台用于无人作战系统的自动武器站工程样机,实验测试结果显示平台方位轴稳定瞄准精度为22.86角秒,俯仰轴稳定瞄准精度为28.98角秒,稳定瞄准精度达到国外同类型自动武器站的指标要求。
张春梅[10]2017年在《光纤陀螺温度特性分析与补偿》文中研究表明随着航空航天航海方面对导航精度的要求越来越高,光纤陀螺因具有其独特的优势一马当先的成为了导航系统的不二选择。对于工程上实用化的光纤陀螺来说,较宽的工作温度范围是其必不可少的条件,但实际上由于其结构器件温度特性的限制,光纤陀螺对周围时刻变化的温度环境很敏感,光纤陀螺在变化的温度作用下产生的零偏漂移会对导航精度造成一定影响。所以本文主要针对光纤陀螺由温度效应产生的零偏漂移进行深入的理论分析与实验研究,分析光纤陀螺的温度特性以及产生温度漂移的机理,并探究光纤陀螺光纤环的不同绕法对温度误差的补偿和抑制效果。首先,本文阐述了光纤陀螺的基本概况和光纤陀螺温度特性国内外研究与发展的基本动态,并阐明光纤陀螺的关键技术应用和发展前景,以及光纤陀螺温度特性的研究目的、意义和本文的主要研究内容。其次,本文以干涉式光纤陀螺为研究对象,掌握了解它的工作原理和主要性能指标,重点分析光纤陀螺各光学器件的温度特性机理,找出使光纤陀螺产生温度误差的关键因素。然后针对光纤线圈中的Shupe误差和由热效应导致的热应力误差进行理论分析建模,并通过光纤环的绕制方式来补偿这些温度误差对光纤陀螺的输出漂移造成的影响。再次,通过ANSYS仿真软件建立光纤环不同绕法的有限元传热模型,并结合所建立的以匝为单位的光纤环热致误差离散化数学模型分析光纤环的不同绕法在全温范围内对Shupe误差的抑制效果,再通过对光纤环径向和轴向分别施加温度激励的形式,深入分析光纤环的各绕法对径向和轴向热源的补偿效果。仿真分析研究发现十六极对称绕法光纤环无论是对径向还是轴向温度激励都有较优越的抑制效果。之后,同样结合光纤环的有限元传热模型和以匝为单位的光纤环热应力误差离散化模型仿真分析光纤环的各绕法对热应力误差的抑制效果,研究发现十六极对称绕法对热应力误差也具有较好的补偿抵消效果,同时通过对Shupe误差和热应力误差的比较可知热应力误差对光纤陀螺输出精度的影响也是不容忽视的。最后,以四极对称绕法光纤陀螺为实验对象,对全温范围和光纤环径向、轴向局部受热情况下的光纤陀螺进行了实验研究,验证了仿真中所建立的光纤环绕法的传热模型和离散化的误差模型的正确性,并类比推理出光纤环各绕法对温度误差的补偿效果。
参考文献：
[1]. 光纤陀螺中的Shupe误差及八极绕环技术研究[D]. 陈桂红. 天津大学. 2010
[2]. 光纤陀螺热致非互易性分析及光纤环温度分布传感[D]. 李永范. 长春理工大学. 2004
[3]. 光纤陀螺用保偏光纤及光纤环测试方法研究[D]. 韩书新. 哈尔滨工程大学. 2009
[4]. 光子晶体光纤陀螺温度效应的机理与抑制[D]. 杨汉瑞. 哈尔滨工程大学. 2013
[5]. 光纤环的热致非互易性噪声理论与实验研究[J]. 吕辰刚, 张瑞峰, 武星, 葛春风. 传感技术学报. 2009
[6]. FOG光纤环温度瞬态特性检测理论及方法[D]. 李茂春. 天津大学. 2008
[7]. 光纤陀螺建模及误差特性研究[D]. 刘思科. 西北工业大学. 2007
[8]. 光纤陀螺温度误差及其抑制方法研究[D]. 王玥泽. 天津大学. 2012
[9]. 基于开环光纤陀螺控制的无人作战平台稳定技术研究[D]. 张伟. 国防科学技术大学. 2011
[10]. 光纤陀螺温度特性分析与补偿[D]. 张春梅. 哈尔滨工程大学. 2017
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