光源偏振度对光纤陀螺零漂影响的研究

以Y波导集成光学调制器保偏型干涉式光纤陀螺作为研究对象,根据各光学元器件的参数建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,在此基础上进行了光路偏振误差的理论分析。通过推导,得到了保偏型干涉式光纤陀螺的偏振误差表达式,并首次分析了光源偏振度对光纤陀螺零漂的影响。借助光源尾纤输出的光谱,对由0%~3%之间呈线性变化的偏振度以及对经实验测试的光源偏振度的实际值引起的偏振模式耦合误差的零漂值进行了仿真计算。结果表明,当光路中其它参数不变时,由光源偏振度变化引起的零漂值为0.001°/h,满足了高精度光纤陀螺的精度要求。     

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.     

偏振串扰对光纤陀螺零漂及随机游走影响的研究

针对保偏光纤陀螺静态参数受光路偏振串扰误差的影响而使陀螺精度受到制约的问题,从实际应用的角度,研究了保偏光纤陀螺光路中由于各光学器件不理想和熔接点对轴角度误差等因素引起偏振串扰误差的机制。基于琼斯矩阵和相干矩阵,并引入随温度变化的保偏光纤双折射变量,建立了变温环境下保偏光纤陀螺的光路传输模型,对变温环境下偏振串扰误差对保偏光纤陀螺零漂和随机游走的影响进行了理论分析和估算。同时开展了变温环境下光纤环偏振串扰对其静态参数影响的相关实验。实验结果与模型分析结果基本一致,表明该模型是合理的。     

干涉式光纤陀螺光路系统的物理模型

光路系统的偏振误差极大地制约着光纤陀螺精度的提高。利用相干矩阵和琼斯矩阵对光纤陀螺中光学器件和熔接点的光学参数进行描述,建立了干涉式光纤陀螺光路系统的物理模型。与之前相关文献报道相比,该模型所表达的光路系统更加接近于工程实际。在此基础上,提出一种分析光学器件和熔接点缺陷,以及光路损耗对光纤陀螺偏振误差影响的新方法。该方法可以有效地分析光路系统缺陷对零偏和标度因数的影响,在工程上可作为评价干涉式光纤陀螺光路系统性能的一个途径。     

光纤环和Y波导调制器直接耦合偏振轴测量

提出一种保偏光纤环和Y波导调制器直接耦合偏振轴测量方法。设计并搭建了偏振轴在线检测系统,通过将检测光路插入到直接耦合工艺过程中,使空间中平行的Y波导和光纤组件端面同时清晰成像于CCD像面;通过图像处理判断两端面边缘相互平行关系获取两者偏振轴的角度偏差。实验结果表明,搭建的系统用于Y波导和保偏光纤偏振轴对准时,系统实测值与理论值能较好地吻合,且系统测量精度在1°之内,对应于偏振轴角度误差产生的尾纤输出串音优于-35 d B,证明了方法的可行性。     

单模光纤耦合器的偏振温度特性研究

理论分析并研究了温度变化对单模光纤耦合器的偏振特性的影响.推导了单模光纤耦合器输出消光比与输入消光比、模式耦合率的关系表达式.利用多个偏振特性不同的光源,进行了在快速温度变化条件下单模耦合器输出消光比随温度变化的测试实验,证明了采用低偏振的光源有利于降低单模耦合器中因温度变化引起的模式耦合效应.最后仿真计算了在光源输出消光比不同的情况下模式耦合引起的光纤陀螺输出误差的大小,为不同环境应用的光纤陀螺选取合适的光源提供了参考.     

保偏光纤干涉型陀螺的磁场误差分析与抑制方法

基于保偏光纤的琼斯矩阵,建立了保偏光纤线圈的Faraday非互易相移模型,利用该模型进行计算发现:线圈保偏光纤的慢轴与快轴的Faraday非互易相移大小近似相等,但符号相反。并进一步提出了偏振环行干涉型保偏光纤陀螺(PCPM-IFOG),它能使顺时针(CW)和逆时针(CCW)光在保偏光纤线圈中沿慢和快轴分别传输一次,因此顺时针和逆时针光总的Faraday非互易相移等于0,实现了Faraday非互易相移的完全抑制。500m保偏光纤线圈的偏振环行干涉型保偏光纤陀螺的实验结果显示其输出与地球磁场无关,而对于相同传感线圈的干涉型保偏光纤陀螺,当磁场方角发生变化时,陀螺有约±0.3°/h的Faraday零偏漂移。     

双光程光纤陀螺偏振误差模型与仿真

光路系统的偏振误差极大地制约着双光程光纤陀螺精度的提高。为了提高新型双光程光纤陀螺的精度,利用相干矩阵和琼斯矩阵对光路中光学器件和熔接点的光学参数进行描述,通过分析顺时针光波与逆时针光波中耦合次波列与主波列间的相干叠加机理,建立了相应的偏振误差模型。利用Matlab以接近于工程实际的参数设置,对光路系统中熔接点、各光学器件缺陷对偏振误差的影响进行了仿真分析,并在此基础上提出了一种可有效抑制双光程光纤陀螺偏振误差的尾纤匹配法。仿真结果表明,通过适当的尾纤长度匹配,双光程光纤陀螺的偏振误差由0.145°/h减小为0.017°/h,其随温度变化的峰谷值也由0.25°/h减小至3×10-4°/h,双光程光纤陀螺的偏振误差得到有效抑制。     

熊猫光纤背向衍射图样的图像互相关定轴方法

针对基于背向衍射图像的熊猫光纤定轴法需要建立标准图样库的难题,进行了熊猫光纤在不同方位角所产生的背向衍射图样相关性分析的实验研究.实验显示：快轴方向的背向衍射图样与慢轴方向的背向衍射图样之间具有差异性;在快轴或慢轴方向附近的背向衍射图样之间具有相似性;快轴或慢轴方向的背向衍射图样自身具有对称性.根据差异性、相似性和对称性这三个特性,建立了一种基于熊猫光纤背向衍射图样的图像互相关定轴方法,用于确定熊猫光纤快轴或慢轴这些特殊方位角.此方法不用建立标准图库就可以实现熊猫光纤特殊方位角的定轴.     

外应力对Y波导器件尾纤消光比的影响

本文研究了外应力对Y波导器件尾纤消光比及其温度稳定性的影响机理.在对保偏光纤固定部分进行应力分析的基础上,研究了外应力的大小、方向对于光纤应力双折射及尾纤消光比的影响,并分析了消光比的全温稳定性.结果表明,外应力是影响消光比常温性能及全温稳定性的主要因素.当外应力的方向与光纤固有应力双折射的主轴不重合时,尾纤最大消光比会低于保偏光纤的固有消光比,并且耦合后波导芯片与光纤慢轴之间对轴失准.当温度变化时,外应力的变化将导致消光比随温度的波动.当外应力沿着保偏光纤固有双折射主轴方向时,能够确保尾纤在耦合过程中实现最大的消光比,并保证波导芯片偏振方向与光纤慢轴的严格对准,此时尾纤消光比具有最佳的温度稳定性.对V型槽和U型槽光纤固定块进行了尾纤消光比性能及其温度稳定性的比较分析,试验验证表明,V型槽方案相对于难以保证外应力方向与光纤慢轴重合的U型槽固定块设计方案而言,可以有效改善消光比性能及其全温温度稳定性.     

Bias error caused by broad-spectrum source and birefringence effect in fiber optical gyroscope

To analyze the bias error in the optical path of closed-loop polarization-maintaining (PM) fiber optical gyroscope (FOG), the interference signal term carrying only Sagnac phase shift in phase is divided into two types: one generated by interference between main wave-trains in the clock-wise (CW) direction and counter clock-wise (CCW) direction, and the other one generated by interference between secondary wave-trains in the CW and CCW direction. The residual term is discovered in the second kind, which is caused by synthetic effect of broad-spectrum source and birefringence effect in a FOG with the existence of crossovers. The main influencing factors and the effect on FOG performance of the bias error generated by the residual term is analyzed, and its suppression measures are promoted. Simulation result demonstrates that the bias error can be suppressed from about 0.02°/h to less than 2×10⁻⁴°/h at room temperature and its peak to peak value of variation with temperature can be suppressed to less than 4×10⁻⁴°/h, through matching birefringent fiber length and increasing the delay between modes of light source, which is small enough to meet the requirement of FOG with high performance.     

高准确度光纤陀螺中相位调制的控制研究

在相位调制器基础上，提出了围绕干涉型光纤陀螺的闭环控制方案.对高准确度光纤陀螺中Y波导集成光学器件的调制特性及系统测试方法进行了研究，对其应用及光路各环节配合的技术进行了探讨，对该器件在光纤陀螺系统中的特性和测试系统进行讨论.在高准确度光纤陀螺中取得明显效果.目前，工程样机的零偏稳定性已达到0.02°/h.     

单光纤光纤陀螺误差分析

单光纤光纤陀螺采用的是单光纤在线制作技术。由于这种方法是把所有的光器件都放在一根光纤上制作,因此各光器件的连接处没有融接点,并且光器件的性能可在线控制。在分析其结构的基础上建立了开环FOG的光学模型,并进行了误差分析。指出了单光纤光纤陀螺方案是低成本、高可靠性、易于工程化的一种方案。     

Analysis of bias thermal stability of interferometer fiber-optic gyroscope using a solid-core polarization-maintaining photonic crystal fiber

Bias thermal stability of a fiber-optic gyroscope using polarization-maintaining photonic crystal (PM-PCF) was studied. The thermal sensitivity of birefringence in PM-PCF and polarization cross talking in fiber coil was measured. Using an OCDP method, the polarization cross talking causing phase error of the fiber-optic gyroscope (FOG) was analyzed. The contrast experiment result of the FOGs with the PM-PCF coil and PMF coil showed that using PM-PCF instead of PMF can improve the FOG’s bias thermal stability by about 50 %.     

光纤陀螺在转台测试中的应用

光纤陀螺是一种速率陀螺,其适合用来对转台作低速测试.根据转台所用编码器的参数,分析了转台不同角速率下光纤陀螺所需的数据刷新率及陀螺零偏稳定性对测量结果的影响.用光纤陀螺测量了转台以1°/s角速率转动时的角速率波动,对陀螺输出数据作了功率谱分析,并与示波器直接测量的结果进行了对比,结果表明光纤陀螺的测量结果是正确的;应用光纤陀螺对转台以(0.05°/s,1°/s)范围内固定角速率转动时的角速率波动进行了测量,通过对测量结果的分析表明:光纤陀螺可以用于转台的测试,它能测量出转台低速转动时的角速率波动;最后给出了光纤陀螺对转台角速率测试的下限.     

光纤陀螺温度场仿真分析与陀螺外罩结构优化设计

通过对Shupe误差数学模型进行分析,确定了引起Shupe误差、导致陀螺零偏误差大的原因之一是闭环光纤陀螺光纤环温度场时空分布不均。利用Ansys Workbench与Icepark软件建立了闭环光纤陀螺敏感单元有限元热模型,并对该模型进行了瞬态与稳态温度场的仿真分析,得出通过改进陀螺外罩设计可以使光纤环温度场分布更加均匀,有助于减小Shupe误差引入的零偏误差。结合仿真结果,进一步对陀螺外罩的几种热设计方案进行了热仿真分析与定量化设计,确定了陀螺外罩的最优设计方案:当内层采用厚度为0.8 mm的软磁合金材料作为隔热层,外层采用厚度为1.5 mm硬铝材料作为均热层时,光纤环的温度时空变化率最小。通过对优化方案进行实验验证,使光纤环在降温过程中温度变化减小了1.8 ℃,使其最高最低点温度差减小了0.68 ℃。     

电光相位调制器谐波响应对光纤陀螺的影响

从电光相位调制器的谐波响应出发,对干涉型光纤陀螺信号零偏、零漂的产生来源进行了探讨.用干涉理论和正弦波调制解调分析从原理上指出调制器的振幅与相位两种谐波可产生陀螺信号的零偏和零漂.根据调制器典型数据所做的模拟与人为加入温漂时所得的试验结果相当吻合.从而证实调制器谐波响应是产生陀螺信号偏移和漂移的主要原因,为减小光纤陀螺零偏和零漂提供了一条新思路.     

Phenomena of optic-bound effect on fibre optic gyro

The optic-bound effect on fibre optic gyro (FOG) precision is analysed theoretically, and formulas describing the change of FOG light power under the action of optic-bound effect are given. It is confirmed that optic-bound effect is a main instantaneous non-reciprocity effect of FOG in addition to the Sagnac effect and can lead to a dynamic error of FOG in practical environments. An approach to suppressing or eliminating the error due to the optic-bound effect is presented and verified experimentally. The result shows that the approach is valid and the precision of FOG is improved observably.     

反射式光学电压互感器光路建模及偏振误差分析

光路系统的偏振误差极大地制约着准互易反射式光学电压互感器的准确度.借助琼斯矩阵,建立了分立光学器件及光纤熔接点的传输模型,推导出完整的电压互感器光路系统的数学模型.以此模型为基础,对电压互感器中的偏振误差进行了仿真分析.结果表明：光源偏振度、起偏器消光比及起偏器与相位调制器的对轴角度主要影响系统的检测灵敏度|法拉第准直旋光器的旋光角度、法拉第准直旋光器与BGO晶体的对轴角度误差是主要的偏振误差源,影响系统的测量准确度及稳定性|根据电子式电压互感器IEC60044-7 0.2S级标准,法拉第旋光角度误差应该小于1.6°,旋光器与BGO晶体对轴角度误差小于1.85°.该研究对准互易反射式光学电压互感器光路设计和误差抑制具有一定的参考价值和指导意义.