单光纤光纤陀螺的原理及应用前景

单光纤光纤陀螺是全光纤光纤陀螺的一种,它具有低成本、高可靠性、易于工程化的优点。它是应用在线制作技术,在一根光纤上制作光器件,形成无焊接点的光路。在线技术包括光纤环缠绕技术、耦合器制作技术、偏振器制作技术、发光模块制作和光接收模块制作技术等。详细地介绍了其原理、关键技术及生产工艺,并提出了提高其性能的措施。在分析不同型号单光纤光纤陀螺性能的基础上展望了其应用前景。随着单光纤光纤陀螺生产工艺的改进和信号处理技术的提高,将会进一步提高其性能、降低成本,促进光纤陀螺的普及和应用。     

集成光学光纤陀螺的噪声分析

集成光学光纤陀螺以其体积小、重量轻、以及高的调制频率与消光比引起了国际上的广泛重视。深入研究光纤陀螺的噪声特性,对于降低零漂是极为重要的。通过广泛调研,从光源、光纤环与集成光学芯片、电路、以及外界环境的角度,详细的论述了各噪声源产生的机理、特征和一些抑制噪声的办法。简要的提出了一种利用负反馈补偿零漂的方法     

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。     

光纤陀螺中的多功能集成光学芯片

介绍了多功能集成光学芯片在光纤陀螺中的应用。在光纤陀螺中采用了多功能集成光学芯片后 ,可以大大简化光纤陀螺系统的结构 ,缩小光纤陀螺的体积。光纤陀螺中的一些器件如相位调制器和光学开关、消光器甚至光波导谐振腔都可以集成在一个多功能集成光学芯片上。这样可以提高光纤陀螺的性能 ,增加其稳定性和可靠性 ,在某些特殊的设计中还可以对陀螺系统的误差进行补偿。     

光纤弯曲对干涉式光纤陀螺性能的影响

为研究光纤弯曲对干涉式光纤陀螺性能的影响,选取常用的单模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤及保偏光子晶体光纤为研究对象,建立了光纤弯曲与光纤陀螺性能的相关理论模型。以高精度光纤陀螺应用为背景,选取掺铒超荧光光纤光源,改变光纤弯曲半径,测出了经过光纤样品后的光功率、平均波长、光谱宽度的变化和平均波长波动,在此基础上分析了弯曲半径对光纤陀螺标度因数和随机游走系数的影响。理论分析和实验结果表明,采用光子晶体光纤时,光纤弯曲对光纤陀螺性能几乎没有影响,采用其他光纤时,需要严格控制光路中的光纤弯曲半径。     

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。     

光纤陀螺技术发展及军需分析

介绍光纤陀螺技术的发展和应用情况,分析武器系统对光纤陀螺的需求。     

谐振式光纤陀螺多激光器系统相对频率噪声抑制

设计了用于谐振式光纤陀螺系统中两个半导体激光器相对频率噪声抑制的全光纤光路外差式光学锁相环,建立并分析了陀螺精度需求和外差式光学锁相环关键参数的关系,同时对外差式光学锁相环全数字反馈控制环路进行了设计和仿真.通过实验对设计的系统进行性能验证.结果表明两个主从激光器的中心频率实现了参考频率源频率的锁定,且拍频激光中心频率相对于光纤环形谐振腔谐振频率偏离幅值减小了15dB.     

光纤陀螺零偏误差特性及噪声分析方法研究

光纤陀螺为典型的光纤干涉仪,非互易误差主要是由各类寄生干涉引起,零偏误差具有明显的周期性特征。结合Allan方差分析方法,发现由寄生干涉引入的正弦噪声为其零偏误差的主要来源。通过加入正弦噪声进行仿真计算和分析,发现光纤陀螺Allan方差曲线中"速率斜坡和速率随机游走"部分实际是由正弦噪声引起。基于小波分析和傅里叶变换实现了陀螺中正弦噪声的辨识,并在此基础上,提出了结合小波分析法和Allan方差法计算零偏不稳定性、随机游走和量化噪声的方法,并进行了实际计算验证。     

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。     

干涉式光纤陀螺中的Rayleigh散射研究

从光的干涉原理出发分析了Rayleigh背向散射对干涉式光纤陀螺性能的影响,得出了散射光强与光纤位置之间的关系式,绘制了散射光强与光纤中位置之间的关系曲线,得到了距离光纤的两个端点越远Rayleigh背向散射对光纤陀螺的性能影响越小的结论。研究结果对分析光纤陀螺的光路误差有一定的参考价值。     

光纤陀螺惯导系统航位推算误差补偿方法研究

 针对惯导系统定位误差随时间积累而增大的缺点,提出利用航位推算方法进行误差补偿。在航位推算中根据引起误差的主要因素推导出位置误差方程,以此方程为依据,建立相应的卡尔曼滤波器。将惯导系统速度与航位推算速度之差作为滤波器的输入,估计系统的姿态、速度、位置及里程计刻度系数误差值,并通过闭环反馈进行实时误差补偿修正。任选2条非闭合路径进行跑车实验,第一条路径定位误差补偿修正前是3.49‰,补偿修正后定位误差是2.3‰,第二条路径补偿修正前定位误差是2.4‰,补偿修正后定位误差是2‰。实验结果表明：采用航位推算误差补偿方法可以有效降低系统定位误差。     

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.     

光纤陀螺演示仪

介绍了光纤陀螺仪的工作原理及设计要求,根据教学实际,设计了光纤陀螺演示仪。     

Study of reflection error in closed-loop polarization-maintained interferometric fiber optic gyroscope

To analyze quantitatively and systematically the reflection error in optical path of closed-loop polarization-maintained (PM) fiber optical gyroscope (FOG), the optical model is established and analyzed. Based on the optical model and the principle of the coherence detection in signal processing, the source of the reflection error is disclosed from the point of wave trains, and its effect on FOG performance is analyzed in detail, including variation as the step wave on modulator and as the environment temperature. In addition, the measures are promoted to suppress the reflection error, and the simulation result demonstrates that the peak-to-peak value of the reflection error can be suppressed from about 0.8°/h to less than 6×10⁻³°/h through matching the length of birefringent pigtails, which is small enough to meet the requirement of FOG with high performance.     

Effect of radiation-induced color centers absorption in optical fibers on fiber optic gyroscope for space application

The effects of color centers' absorption on fibers and interferometric fiber optical gyroscopes(IFOGs) are studied in the paper. The irradiation induced attenuation(RIA) spectra of three types of polarization-maintaining fibers(PMFs), i.e.,P-doped, Ge-doped, and pure silica, irradiated at 100 Gy and 1000 Gy are measured in a wavelength range from 1100 nm to1600 nm and decomposed according to the Gaussian model. The relationship of the color centers absorption intensity with radiation dose is investigated based on a power model. Furthermore, the effects of all color centers' absorption on RIA and mean wavelength shifts(MWS) at 1300 nm and 1550 nm are discussed respectively. Finally, the random walk coefficient(RWC) degradation induced from RIA and the scale factor error induced by MWS of the IFOG are simulated and tested at a wavelength of 1300 nm. This research will contribute to the applications of the fibers in radiation environments.     

光纤陀螺用掺铒超荧光光纤光源输出特性研究

介绍了掺铒超荧光光纤光源(SFS)的基本原理和SFS各种基本结构的特点。结合实际应用选择了单程后向(SPB) SFS作为光纤陀螺用光源。理论分析了影响单程后向掺铒超荧光光纤光源输出特性的各种因素。通过实验分析了铒纤长度对单程后向掺铒光纤光源泵浦效率和输出光谱的影响,特别是对中心波长稳定性的影响,对于单程后向结构掺铒光纤光源来说,铒纤长度有一个最佳值。演示了铒纤在选择最佳长度的情况下,泵浦功率对输出谱型的影响。通过实验分析了-40℃～60℃之间光源输出光谱和输出光功率的温度稳定性。最终得到了适用于惯导级光纤陀螺的光源。     

光纤激光陀螺系统的优化设计

分析研究了光纤激光陀螺系统的工作原理和基本构成,根据系统中各器件的性能指标对光纤激光陀螺的基本结构、性能参数进行了计算机模拟优化设计。采用双向激射双向输出结构保证光路的互易性。利用光纤环形器、掺铒光纤和光纤Bragg光栅实现滤模、选模和压缩线宽功能。针对其输出信号特点,提出利用偏振分束的方式判断陀螺工作转动方向,并最终计算陀螺转动角速度的信号处理方案。     

Single-mode fiber gyroscope with three depolarizers

In this letter we present a single-mode fiber gyroscope (FOG) with low long-term drift. Only single-mode fiber components except for three fiber depolarizers were used. A simplified mathematic model has been proposed to explain the bias stability of the gyro. Several open-loop and closed-loop FOGs with 0.1–0.5°/h drift have been demonstrated.