光纤陀螺磁致误差分析及抑制方案研究

摘要

光纤陀螺以其诸多优点广泛应用在陆海空天等各种场合。就光纤捷联惯导系统来讲，系统的导航精度很大程度上取决于光纤陀螺的精度，所以我们期望在导航系统中所用的光纤陀螺精度越高越好。惯性级的光纤陀螺零偏稳定性要求在0.1(°)/h以下，而对于未加任何补偿措施的光纤陀螺，仅地磁场就可以引起高达1(°)/h量级的偏置误差，同时恶化零偏稳定性，所以有必要对光纤陀螺的磁误差机理进行深入研究，以期找到合适的抑制方案，提高光纤陀螺及其系统的精度。
　　本文首先基于磁光法拉第效应和琼斯矩阵理论研究了光纤环径向磁场导致磁误差的机理，建立了径向磁场磁误差数学模型。理论分析发现，沿保偏光纤快、慢轴传输的顺逆时针光法拉第非互易相移互为相反数。基于这一重要结论，提出了保偏光纤陀螺双45°焊接方案。该方案可以将径向磁敏感度幅值削弱为0.08(°)/h.Ga-1，并且与双0°焊接方案相比，零偏稳定性并没有变差。其次，对光纤陀螺的轴向磁场磁误差进行了详细的理论分析。导致轴向磁误差的因素可归结为两种：1.仍然是法拉第磁光效应，因为在光传播方向上存在轴向磁场的微小分量2.光纤折射率分布不对称导致光纤中quasi-TM模电场发生偏移。仿真分析表明，如果仅考虑上述第一种因素，光纤陀螺的轴向磁敏感度要比径向磁敏感度弱3个数量级。而实验发现，轴向磁敏感度与径向磁敏感度量级相当，因此第二种因素是光纤陀螺轴向磁误差的主要来源。本文对光纤陀螺磁误差的软件补偿也进行了尝试，基于HMC5883L磁场传感器的软件补偿方案可以将光纤陀螺的偏置误差补偿到相当于加了磁屏蔽罩的效果。但是，零偏稳定性达不到加磁屏蔽罩时的效果。再次，阐述了磁屏蔽原理和静磁场的有限元分析理论。基于电磁场理论，对静磁场的边值问题及其对应的变分问题进行了建模，围绕平行平面磁场边值问题的求解，展示了变分问题有限元数值解法的实施过程，为磁屏蔽的有限元分析奠定理论基础。另外，对实现有限元算法的应用软件ANSYS进行了介绍，针对本课题的研究对象，明确了ANSYS使用过程中的一些基本设置。最终，采用ANSYS仿真计算和实验验证的方法对磁屏蔽罩进行了分析设计。研究发现，材料磁导率、厚度、缝隙、孔洞和屏蔽体形状都会影响磁屏蔽罩的屏蔽效率，与厚度和磁导率相比，缝隙（磁路的连续性）和屏蔽体形状是影响屏蔽效果的主导因素。在此基础上，通过仿真计算的方法，设计出了一种磁屏蔽效果达到40dB以上的磁屏蔽体结构，结合双45°焊接方案，足以将地磁场对陀螺的影响削弱到0.002(°)/h以下。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 光纤陀螺简介

1.3 课题国内外研究现状

1.4 论文研究的主要内容及安排

第2章 光纤环径向磁敏感性及抑制

2.1 法拉第径向磁场磁偏置模型

2.2 统计学意义下的磁偏置模型

2.3 基于琼斯矩阵的磁偏置模型

2.4 径向磁场偏置的仿真和讨论

2.5 径向磁场磁误差抑制方案

2.6 本章小结

第3章 光纤环轴向磁敏感性及抑制

3.1基于法拉第效应的轴向磁误差

3.2 基于折射率不对称的轴向磁误差

3.3 磁误差的软件补偿

3.4 本章小结

第4章 磁屏蔽原理和静磁场的有限元分析

4.1 恒定磁场的屏蔽原理

4.2 封闭壳体磁屏蔽效能的计算

4.3 电磁场理论

4.4 变分原理及有限元理论

4.5 有限元分析软件ANSYS

4.6 本章小结

第5章 光纤陀螺磁屏蔽体的分析设计

5.1 磁场传感器HMC5883L

5.2 ANSYS中匀强磁场的产生

5.3 ANSYS磁屏蔽仿真的实验验证

5.4 A结构屏蔽体磁屏蔽效果研究

5.5 A结构磁屏蔽体的两种改进结构A1和A2

5.6 A2结构磁导率和厚度对磁屏蔽效能的影响

5.7 一种较优的磁屏蔽体设计A3

5.8本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果

致谢