光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究

摘要

光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一,经过上世纪末至今的不断研制,已经在惯性技术领域确立了“优先选择”的地位。光纤陀螺研制过程中,一项关键技术就是光路偏振误差的抑制,而这与光器件的双折射特性是紧密相关的。尤其在温度等环境因素变化的影响下,光路中的偏振误差变得更为严重和复杂。因此,必须对光纤陀螺光路的偏振特性及温度性能进行深入研究,并改进设计,以达到抑制偏振误差的目的。课题针对光纤陀螺光路的偏振特性和双折射效应,以及光纤线圈受到的环境温度影响进行了研究,主要工作如下:
　　 1、研究了光纤陀螺光路的互易性检测原理。利用光场的统计特性分析了关联感生的陀螺输出光谱变化,由此得出干涉仪对光源和光路偏振稳定性的严格依赖。采用邦加球法分析了光路中双折射与偏振耦合的关系,推导了陀螺的强度型和振幅型偏振误差。分析了克尔效应、法拉第磁光效应、背向反射和瑞利散射等寄生误差效应对偏振态的影响和受偏振的制约关系。
　　 2、根据矩阵光学原理,建立了光纤陀螺光路的偏振传输模型和干涉输出模型,以该模型为基础,详细分析了光源偏振度、线圈中的偏振耦合与陀螺偏振误差的关系。以输入低偏振度消偏光思想为指导,提出将Lyot消偏器引入到陀螺光路中,改进了现有的单轴SLD光源光纤陀螺的光路结构,通过实验测试验证了新结构的先进性。
　　 3、建立了基于有限元算法的熊猫型保偏光纤平面应力模型,模拟计算了保偏光纤固化成型过程中产生的变形、应力以及双折射的分布情况,分析了纤芯双折射受温度的影响;利用复变函数法得到的准解析解对模型进行了数值验证,证明了该模型算法是可靠的。
　　 4、建立了光纤线圈的局部截面模型,通过有限元瞬态热分析方法研究了固胶处理对光纤线圈的影响。结果显示,固胶处理后的光纤线圈存在着一个与胶粘剂参数有关的温度区域,在此区域内光纤线圈对温度变化的敏感性降至最低。通过实验方法验证了该模型的正确性。
　　 5、提出了通过检测光纤线圈中偏振态滤波特征值来测试线圈的温度性能,建立了基于温度激励响应机理的光纤线圈温度性能测评系统,制定了详细的测试指标。通过实际测试验证了方案的有效性。
　　 6、建立了光纤线圈的整体截面模型,利用有限元法模拟计算了温度微扰情况下的光纤线圈的温度场和应力干扰双折射的变化。提出了基于聚氨酯泡沫材料的线圈隔热处理方案和基于LY12硬铝合金材料的线圈导热处理方案。实验结果表明,改进方案使光纤陀螺在温度扰动时的稳定性得到了显著提高。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 光纤陀螺的分类

1.3 光纤陀螺的发展

1.3.1 光纤陀螺的发展历程

1.3.2 光纤陀螺的前景及应用

1.4 课题研究的主要内容

第2章 IFOG光路的基本理论与光学误差

2.1 IFOG的光路互易性结构

2.2 光路中光波的相干性

2.2.1 光波相干性的一般描述

2.2.2 交叉谱密度函数

2.2.3 由谱关联感生的光谱变化

2.3 光波的偏振与偏振耦合

2.3.1 光波的偏振及偏振态

2.3.2 波导中的双折射与偏振耦合

2.4 IFOG的光路误差

2.4.1 IFOG中的偏振误差

2.4.2 光纤中的克尔效应

2.4.3 磁光法拉第效应

2.4.4 背向反射和瑞利散射

2.5 本章小结

第3章 IFOG光路的偏振建模与结构设计

3.1 光路的偏振建模

3.1.1 光路器件的琼斯矩阵建模

3.1.2 光源的部分偏振光表示

3.1.3 光纤陀螺的相干输出模型

3.1.4 光纤陀螺的振幅型偏振误差

3.2 IFOG光路系统的偏振误差分析

3.2.1 光源偏振度与偏振误差

3.2.2 线圈中的偏振耦合与偏振误差

3.3 部分偏振光光源陀螺光路结构设计

3.3.1 Lyot光纤消偏器原理

3.3.2 光路方案的改进

3.3.3 测试结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 IFOG用保偏光纤双折射特性有限元分析

4.1 应力诱导型保偏光纤中的双折射

4.2 有限元法的基本思想和实现过程

4.3 计算光纤结构热应力的有限元算法

4.3.1 有限元法计算光纤温度场

4.3.2 有限元法计算保偏光纤双折射

4.4 保偏光纤双折射性能仿真计算

4.4.1 保偏光纤结构模型

4.4.2 保偏光纤结构双折射特性分析

4.4.3 利用准解析解的数值验证

4.5 本章小结

第5章 保偏光纤线圈受热应力影响研究

5.1 光纤线圈的应力干扰双折射

5.1.1 正交方向的压应力产生的双折射

5.1.2 绕线时弯曲产生的应力干扰双折射

5.1.3 绕线时扭转产生的应力干扰双折射

5.1.4 线圈固胶产生的应力干扰双折射

5.2 固胶对光纤线圈温度性能影响分析

5.2.1 排线引起的光纤挤压应力双折射分析

5.2.2 固胶对线圈应力干扰双折射的模拟计算

5.2.3 实验测试

5.3 光纤线圈温度性能测评系统

5.3.1 测试方案的设想及讨论

5.3.2 光纤线圈温度性能测试

5.3.3 测试结果与分析

5.3.4 测试指标设计

5.4 光纤线圈温度微扰分析

5.4.1 支架内的光纤线圈受热模拟

5.4.2 光纤线圈的隔热处理法

5.4.3 光纤线圈的导热处理法

5.4.4 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