干涉式光子晶体光纤陀螺关键技术研究

摘要

光子晶体光纤陀螺（Photonic crystal fiber optic gyroscope，PFC-FOG），即用光子晶体光纤取代单模和保偏光纤是一个非常有潜力的方案，正逐渐成为当前及未来解决光纤陀螺的温度稳定性、磁敏感性和噪声等问题的研究热点和有效方法。 论文以光纤陀螺的环境误差（温度、振动、磁场等）漂移误差问题为切入点，围绕提高干涉式光子晶体光纤陀螺（PFC-FOG）的性能和环境适应性展开相关技术研究，论文主要包含以下方面： （1）论文首先介绍了Sagnac效应，并阐述了光纤陀螺的工作原理，提出PCF-FOG整体结构设计与理论模型建立，最后在对光纤陀螺各个模块分别建模的基础上对整个光纤陀螺系统进行了数字建模，为后续PCF-FOG误差分析做好铺垫； （2）根据光源共享的三轴PCF-FOG方案，提出了保偏光子晶体光纤陀螺的整体结构，对零偏环境误差进行分析，分别建立温度、振动及法拉利漂移模型，采用时域有限差分(FDTD)法对温度场、振动变化环境下引起光纤环的非互易相移进行理论推导，为进一步提高PFC-FOG性能提供理论依据和方向； （3）通过建立光子晶体光纤环温度场模型，并采用时域有限差分法得到温度场变化引起的PCF-FOG温变非互易性相移，其中包括光纤折射率的温度改变引起的非互易相移和光纤涂覆层材料的热膨胀引起的非互易相移；然后通过实际光纤排列及振动受力分析，得到振动会引起光纤环折射率的变化，折射率的变化会直接引起相位变化的结论，最后建立了光纤陀螺的法拉第漂移单轴简易数学模型，同时对陀螺在磁场环境下的三个轴的输出进行了建模，得出了光纤陀螺磁场灵敏度矩阵； （4）通过光纤环绕制参数优化及多元回归模型温度补偿减小了光纤陀螺启动时间，不同光子晶体光纤（n值不同）的漂移大小呈近似线性关系，而且只有折射率改变导致的光纤陀螺速率误差受影响很大，光纤涂覆层膨胀导致的光纤陀螺速率误差相同，证明了光子晶体光纤陀螺在抑制温度误差方面的明显优势，为进一步优化光子晶体光纤提高陀螺精度提供了方向；仿真验证了由振动所导致的PFC-FOG由振动所导致的输出漂移主要取决于沿该敏感轴轴向的振动，在光纤环尾纤的不对称长度相同情况下，不同光子晶体光纤类型（n值不同）的漂移大小呈近似线性关系，证明了光子晶体光纤陀螺在抑制振动误差方面的明显优势；给出单级干涉条纹调制情况下实现大量程的方法，最后给出磁场误差模型的仿真，法拉第相移的影响因素进行分析和总结，其中线双折射、光纤扭转率、光纤长度等都能影响法拉第漂移的大小同时还能影响两束反向光波干涉时的干涉对比度； （5）为实现保偏PCF-FOG实验样机，开展PCF-FOG设计与实现，完成高速大带宽数字检测电路设计，在信号处理方面，为了消除光源功率波动及光路损耗进行了归一化算法设计，将陀螺的探测器输入加入直流耦合通道，同时在解调算法中加入归一化算法，并在此设置下，优化了环路控制参数，实现了光路增益无关的信号检测和控制，并通过人为改变光路损耗，进行了对比研究，改进后的全数字检测系统能很好抑制光路损耗变化的影响；光路优化方面，设计了新型保偏六角芯型光子晶体光纤（PM-PCF）和光子晶体光纤耦合器，并进行PCF性能优化与设计，保偏PCF与传统保偏光纤的熔接与定轴关键技术，通过需要调整不同熔接时段的电流以及基于模场变化仿真及基于放电的模场微调技术研究，实现保偏PCF低损耗、低串音熔接，为设计制作保偏PCF-FOG实验样机提供了良好的基础条件；温度补偿方面，针对现有方法中的不足，将贝叶斯框架构建的相关向量机（RVM）应用于光纤陀螺温度的补偿，与基于二次多项式回归、神经网络以及SVM的温度补偿方法相比，该方法能够更精确地描述光纤陀螺的温度特性，试验结果表明在全温度范围内陀螺的零偏稳定性提升效果非常明显； （6）论文最后对PCF-FOG磁场、振动及高低温环境下的性能进行测试，为进一步验证PCF-FOG性能，论文提出PCF-FOG五级海况与双轴旋转式导航系统试验验证方法，采用新双轴旋转方案后定位误差明显减小，进而证明了新方案的有效性，反过来，再与传统光纤陀螺组成的双轴旋转方案相比，PCF-FOG设计精度满足试验精度要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的目的和意义

1.2光纤陀螺温度补偿研究现状

1.3 光纤陀螺磁场问题研究现状

1.4 光纤陀螺振动问题研究现状

1.5 PCF-FOG研究现状

1.6 论文主要研究内容

第2章 光纤陀螺基本原理与建模

2.1 Sagnac效应

2.2 干涉式光纤陀螺的工作原理

2.3 PCF-FOG整体结构设计与建模

2.4 本章小结

第3章 PCF-FOG环境误差分析

3.1 PCF-FOG温度漂移误差分析

3.2 PCF-FOG振动漂移误差分析

3.3 PCF-FOG法拉第漂移误差分析

3.4本章小结

第4章 提高PCF-FOG环境适应性方法研究

4.1减小光纤陀螺启动时间及零偏稳定性

4.2 提高光纤陀螺抗冲击振动能力

4.3提高光纤陀螺抗磁场能力

4.4 本章小结

第5章 PCF-FOG设计与实现

5.1三轴光纤陀螺检测电路设计

5.2 PCF-FOG信号处理技术

5.3 PCF设计、熔接及耦合技术

5.4 基于RVW的PCF-FOG温度补偿技术

5.5 本章小结

第6章 PCF-FOG性能测试及实验分析

6.1 PCF-FOG环境性能测试

6.2 PCF-FOG环境误差补偿系统试验验证

6.3 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