船用光纤陀螺物理场分析及耦合特性研究

摘要

光纤陀螺是第三代惯性测量组合的核心部件，是一种基于Sagnac效应的角速度传感器。因其具有全固态、高动态、低成本、质量轻，长寿命、动态范围大等诸多优点，已被广泛应用于船舶、潜艇等各种船用载体上。经过多年的发展，中国光纤陀螺技术的已日趋成熟，特别是光纤环绕制等关键技术的突破，使高精度光纤陀螺进一步发展成为可能。为满足船用光纤陀螺导航设备高精度、长航时的需求，往往会选择大直径、长距离的光纤环，随着光纤长度的增加，光纤环绕制难度不断提升，其对温度和应力等环境物理场的敏感程度也会显著增加。因此，针对复杂物理场情况下的环境适应性研究是船用光纤陀螺工程应用研究的重要组成部分。在此背景下，本文深入研究光纤陀螺温度-应力交联耦合效应对光纤传输特性的影响，建立考虑温度场、应力场等因素条件下的光纤陀螺漂移误差模型，揭示陀螺漂移与物理场及光纤环各参数之间的关系，寻找抑制漂移误差的手段，具体研究工作主要包括以下几个方面:
　　首先，分析温度场和应力场对光纤折射率和长度的影响，以此为依据推导光纤环非互易性相位差的表达式。进一步在非互易性相位差表达式和Sagnac效应的基础上，将光纤环等效半径、光纤长度变化、尾纤不对称和跨层跃迁等以往分析中忽略的因素添加到误差模型中，分别定义光纤环权重矩阵和四个物理场矩阵，然后根据矩阵空间的内积定理，将原有累加求和形式的陀螺漂移误差推导成为四对矩阵内积的形式，不仅使误差模型更加简明易懂，还可提高运算效率。最后，推导标准四极对称光纤环权重矩阵的计算公式，完成温度场、应力场和多因素条件下内积形式的光纤陀螺漂移误差模型的建立。
　　其次，通过对光纤陀螺有限元模型的仿真分析，确定光纤环的边界条件，并以此建立包含光纤芯层、涂覆层、固胶、垫纸等多种材料的光纤环三维物理模型，详细分析耦合作用下光纤环内部温度和应力分布(X方向应力、Y方向应力、Z方向应力）情况，结合光纤陀螺漂移误差模型，完成温度场与应力场耦合作用下陀螺漂移误差的计算，分析光纤环内物理场分布的对称性对于抑制陀螺漂移误差的重要性。最后，使用应力分析仪和高低温温箱，分别对定温情况下光纤环内部应力分布和变温环境下的陀螺输出进行测量，验证本文提出的基于温度场、应力场和多误差因素的陀螺漂移误差模型和考虑多种材料参数的光纤环物理模型的正确性。
　　进一步，基于本文提出的光纤陀螺漂移误差模型与光纤环物理模型，定量分析光纤环层数、匝数、内径、截面比等尺寸参数，光纤直径和涂覆层材料，固胶材料与均匀性等参数对陀螺漂移误差的影响情况，为光纤环尺寸参数设计、光纤和固胶材料选取提供指导原则，有助于进一步改善光纤陀螺环境适应性，提高陀螺精度。
　　最后，针对标准四极对称绕法光纤环存在的缺陷，从降低光纤环物理场变化率和提高光纤环绕制质量两个方面出发，使用增加缓冲层、逐层跃迁和消除对垫纸依赖等方法，提出一种改进的四极对称绕法。并建立改进四极对称绕法光纤环的数学模型和物理模型，完成光纤环内部物理场分布的数值计算，通过仿真证明改进光纤环与标准光纤环相比，有利于减小陀螺漂移误差，提高环境适应性。最后通过实验验证改进四极对称绕法光纤环对于抑制陀螺漂移误差的良好效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 光纤陀螺工作原理以及发展现状

1．2．1 光纤陀螺的工作原理

1．2．2 光纤陀螺的发展现状

1．3 国内外光纤陀螺物理场特性研究现状

1．3．1 国外光纤陀螺发展现状

1．3．2 国内光纤陀螺物理场特性研究现状

1．4 课题主要研究内容

第2章 光纤陀螺物理场误差机理分析与建模

2．1 物理场耦合作用下光纤环误差机理

2．1．1 温度场对保偏光纤性能的影响

2．1．2 应力场对保偏光纤性能的影响

2．1．3 物理场耦合作用下的光纤环非互易性相位差

2．2 多种因素对光纤陀螺误差特性的影响

2．2．1 光纤环等效半径

2．2．2 光纤环尾纤不对称

2．2．3 光纤环跨层跃迁

2．3 内积形式的光纤陀螺漂移误差模型

2．3．1 误差模型的内积形式

2．3．2 标准四极对称光纤环权重矩阵计算

2．4 本章小结

第3章 光纤陀螺物理场误差数学模型求解与实验验证

3．1 光纤环温度场和应力场求解方法

3．1．1 光纤环温度场问题描述

3．1．2 光纤环应力场问题描述

3．1．3 温度场和应力场数值求解方法

3．2 光纤环温度-应力耦合物理场数值求解

3．2．1 光纤环边界条件及模型建立

3．2．2 光纤环稳态应力场求解

3．2．3 光纤环瞬态温度场-应力场耦合求解

3．3 光纤陀螺漂移误差计算与分析

3．3．1 光纤陀螺漂移误差计算

3．3．2 光纤陀螺漂移误差分析

3．4 光纤陀螺物理场实验验证

3．3．1 光纤环内部应力分布实验

3．3．2 光纤陀螺高低温实验

3．5 本章小结

第4章 光纤环参数对光纤陀螺误差特性影响定量分析

4．1 光纤环尺寸参数对光纤陀螺误差特性的影响

4．1．1 光纤环长度对陀螺性能影响的定量分析

4．1．2 光纤环截面比例对陀螺性能影响的定量分析

4．2 光纤参数对光纤陀螺误差特性的影响

4．2．1 光纤直径对陀螺性能影响的定量分析

4．2．2 光纤涂覆层材料对陀螺性能影响的定量分析

4．3 固胶参数对光纤陀螺误差特性的影响

4．3．1 固胶材料对陀螺性能影响的定量分析

4．3．2 固胶均匀性对陀螺性能影响的定量分析

4．4 光纤环参数设计指导准则

4．5 本章小结

第5章 一种改进的四极对称光纤环性能分析与研究

5．1 标准四极对称光纤环改进要求

5．2 改进四极对称光纤环设计方案

5．2．1 改进四极对称光纤环设计思路

5．2．2 改进四极对称光纤环权重矩阵计算

5．3 改进四极对称光纤环性能分析

5．3．1 改进四极对称光纤环瞬态温度场-应力场仿真

5．3．2 改进四极对称光纤环漂移误差计算

5．4 改进四极对称光纤的绕制与实验验证

5．4．1 光纤环绕制

5．4．2 高低温实验验证

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录