光纖陀螺光纖環(huán)Shupe誤差的多參數(shù)影響仿真

目前彈載慣性測(cè)量組合測(cè)試標(biāo)定精度受外界干擾影響較大,特別是光纖陀螺溫度穩(wěn)定性低,易受環(huán)境溫度影響參數(shù)變化,導(dǎo)致誤差補(bǔ)償效果不好。針對(duì)該問(wèn)題,提出設(shè)計(jì)一種光纖陀螺旋轉(zhuǎn)慣性測(cè)量組合。在慣性測(cè)量組合外加旋轉(zhuǎn)軸,在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中使慣性測(cè)量組合繞旋轉(zhuǎn)軸連續(xù)旋轉(zhuǎn),將射前補(bǔ)償不完全誤差調(diào)制為周期項(xiàng),從而達(dá)到誤差自補(bǔ)償?shù)男Ч?。理論分析和仿真結(jié)果表明,通過(guò)旋轉(zhuǎn)不僅能自動(dòng)補(bǔ)償與轉(zhuǎn)軸垂直方向慣性儀表的常值誤差和部分安裝誤差,而且能補(bǔ)償加速度計(jì)部分一次項(xiàng)誤差、二次項(xiàng)誤差和部分交叉軸耦合項(xiàng)誤差,選擇合適的旋轉(zhuǎn)方案還可以完全消除旋轉(zhuǎn)速度與陀螺儀標(biāo)度因數(shù)誤差、安轉(zhuǎn)誤差的耦合誤差。

為提高光纖耦合器性能穩(wěn)定性,減少其對(duì)光纖陀螺輸出的影響,首先建立了耦合器分光比與各參數(shù)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,分析了環(huán)境變化對(duì)單模耦合器分光比穩(wěn)定性的影響;其次建立了分光比穩(wěn)定性與光纖陀螺輸出誤差間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)光纖陀螺存在角加速度時(shí),光纖耦合器分光比變化率越大,光纖陀螺輸出誤差越大。當(dāng)分光比變化率△c.r>1.4e-03/s,不到1min即可使光纖陀螺輸出誤差ε>0.001(°)/h,對(duì)中高精度光纖陀螺的輸出準(zhǔn)確度將造成嚴(yán)重影響。提出了降低光纖耦合器分光比變化率的一些方法,對(duì)光纖陀螺的光路設(shè)計(jì)和耦合器的適當(dāng)選取具有較大參考價(jià)值。

介紹了光纖陀螺在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題,并從光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),總結(jié)了光子晶體光纖的獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢(shì),指出將光子晶體光纖應(yīng)用于光纖陀螺中可很好地解決溫度、磁和輻射敏感等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了實(shí)心保偏光子晶體光纖的損耗、模式特性,以及溫度、磁場(chǎng)和核輻射對(duì)此種光纖的影響。同時(shí),研究開(kāi)發(fā)了它與傳統(tǒng)保偏光纖的熔接對(duì)軸技術(shù),熔接點(diǎn)損耗和偏振串音達(dá)到0.7db和-25db。在此基礎(chǔ)上,研制出光子晶體光纖陀螺樣機(jī),陀螺零漂達(dá)到0.09(°)/h。研究和對(duì)比表明:在光纖陀螺中用光子晶體光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖,在減小溫度、輻射、磁場(chǎng)的影響和進(jìn)一步提高光纖陀螺性能方面具備很大的潛力。

為優(yōu)化雙程后向結(jié)構(gòu)的摻鉺光源,分析了光纖長(zhǎng)度、泵浦功率和溫度的變化對(duì)光源平均中心波長(zhǎng)的影響,初步確定了摻鉺光纖長(zhǎng)度的優(yōu)化范圍,并在全溫度范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選用的980nm泵浦源電流為110ma,摻鉺光纖的長(zhǎng)度為12.5m,該裝置的輸出功率為13.26mw,光源的平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性為0.6℃-1。通過(guò)建立光譜分布優(yōu)化仿真模型,實(shí)現(xiàn)輸出光譜的近高斯分布,3db帶寬達(dá)到32nm。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后得到的摻鉺光纖光源具有輸出功率高、平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、輸出光譜呈高斯分布等優(yōu)勢(shì),是高精度光纖陀螺的理想光源。

雙干涉光纖陀螺是一種新型光纖陀螺,可加倍sagnac信號(hào),具有輕小型、高信噪比的優(yōu)點(diǎn).為改善雙干涉光纖陀螺光纖環(huán)的溫度性能,針對(duì)其光路建立了光纖環(huán)溫度致非互易誤差模型,仿真分析了光纖環(huán)中90°熔點(diǎn)位置對(duì)溫度致非互易誤差的影響,提出了將90°熔點(diǎn)置于光纖環(huán)中點(diǎn)時(shí)陀螺的溫度致非互易誤差將顯著減小,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符.結(jié)果表明將90°熔點(diǎn)置于光纖環(huán)中點(diǎn)可使雙干涉光纖陀螺的溫度致非互易誤差降低為原來(lái)的1/400.

針對(duì)干涉型光纖陀螺,研究了一種新的收發(fā)一體模塊,從對(duì)sld光源建模入手,根據(jù)該模型,設(shè)計(jì)了小型化的光學(xué)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,通過(guò)對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行擴(kuò)束并準(zhǔn)直來(lái)提高耦合效率,最后,用zemax軟件進(jìn)行了仿真,分別對(duì)光線傳播的軌跡及其能量進(jìn)行了計(jì)算,仿真的結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。這種收發(fā)模塊采用與偏振無(wú)關(guān)技術(shù),體積小、可靠性高。與應(yīng)用較為廣泛的混偏技術(shù)相比,可以有效改善溫度變化、振動(dòng)等因素對(duì)光纖陀螺系統(tǒng)精度的影響,從而提高光纖陀螺的整體性能。

光源良好的平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性是保證光纖陀螺標(biāo)度因子穩(wěn)定性的重要條件。而光纖光源平均波長(zhǎng)的變化主要源于環(huán)境溫度的變化。為了使光源獲得更好的輸出特性,需要對(duì)光源泵浦溫度進(jìn)行精密控制。文中闡述了一種基于fpga和max1968芯片設(shè)計(jì)的光纖陀螺用光纖光源泵浦溫度自動(dòng)控制(atc)技術(shù)。控制過(guò)程中提出了一種新的控制算法--遞進(jìn)式pid。與傳統(tǒng)pid算法相比,遞進(jìn)式pid算法的最大特點(diǎn)是其各個(gè)參數(shù)可以隨外界環(huán)境而變化。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定,泵浦的溫度穩(wěn)定性能夠穩(wěn)定在±0.03℃以內(nèi),因而泵浦具有很好的平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性。

光纖是光纖陀螺的核心器件之一。光纖的性能參數(shù)直接決定光纖陀螺的性能。常規(guī)硅芯光纖制造工藝比較成熟,但受限于物理?xiàng)l件,"克爾效應(yīng)"、"瑞利背向散射效應(yīng)"、"法拉第效應(yīng)"和"舒珀效應(yīng)"影響比較大。近年來(lái),基于光子帶隙效應(yīng)的導(dǎo)光機(jī)制與傳輸特性制成的在空氣中傳輸光線的空芯光子帶隙光纖逐漸應(yīng)用在光纖陀螺制造中。介紹空芯光子帶隙光纖的性能特點(diǎn),尤其是相比常規(guī)硅芯光纖的優(yōu)勢(shì);空芯光子帶隙光纖的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?展望其在光纖陀螺中的應(yīng)用前景。

針對(duì)全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺,分析階梯波復(fù)位不理想時(shí)對(duì)陀螺標(biāo)度因數(shù)和零偏穩(wěn)定性的影響。在陀螺閉環(huán)系統(tǒng)中加入第二反饋回路,可實(shí)現(xiàn)調(diào)制通道增益自動(dòng)調(diào)整。研究了復(fù)位誤差的解調(diào)原理,在采用積分控制規(guī)律的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)回路的傳遞函數(shù),并分析系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加入第二反饋回路可以在不干擾主回路工作情況下,消除復(fù)位誤差,改善陀螺性能。

系統(tǒng)研究和分析了國(guó)產(chǎn)超輻射發(fā)光二極管(sld)光源的熱敏電阻器的全溫溫度特性。試驗(yàn)和分析結(jié)果表明:不同sld光源內(nèi)的熱敏電阻器特性存在不一致性,而不同廠家的光源之間的這種不一致性更為顯著;部分廠家的sld光源的監(jiān)測(cè)熱敏電阻器與控制熱敏電阻器差異較大,已失去監(jiān)測(cè)價(jià)值;熱敏電阻器與溫度的關(guān)系更接近steinhart-hart方程,而非普遍使用的指數(shù)形式;在中精度光纖陀螺的溫控范圍內(nèi),熱敏電阻器的溫度系數(shù)為435±10ω/℃,而不是普遍認(rèn)為的500ω/℃。該結(jié)果一方面為設(shè)計(jì)數(shù)字化溫度控制方案提供了更為嚴(yán)格的熱敏電阻器的溫度模型,另一方面,細(xì)化了光源溫控精度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可進(jìn)一步提高溫控效果。

基于干涉型光纖陀螺的小型化和工程化設(shè)計(jì)要求,研究了一種新穎的收發(fā)一體模塊,從對(duì)sld光源進(jìn)行建模入手,設(shè)計(jì)了小型化的光學(xué)系統(tǒng)。并用zemax軟件進(jìn)行了仿真。這種收發(fā)模塊采用全保偏技術(shù),體積小,可靠性高,可以有效地抑制光源與耦合器的串音干擾。與應(yīng)用較為廣泛的混偏技術(shù)相比,可以避免溫度變化、振動(dòng)等原因?qū)饫w陀螺系統(tǒng)精度的影響,從而提高光纖陀螺的整體性能。

電錘是一種常見(jiàn)的電動(dòng)工具,以其獨(dú)特且強(qiáng)大的鉆孔功能和便捷的使用方式廣泛應(yīng)用于建筑和裝飾等工程領(lǐng)域。特別是在室內(nèi)外懸掛安裝工程等方面更是不可或缺。然而,在電錘的使用過(guò)程中卻經(jīng)常發(fā)生一些傷人事故,嚴(yán)重地威脅作業(yè)人員的人身安全。例如在鋼筋混凝土鉆孔作業(yè)時(shí),一旦鉆頭遇到鋼筋突然卡住,扭矩瞬間加大,致使錘身發(fā)生反轉(zhuǎn)而扭傷作業(yè)人員的手臂,輕者會(huì)造成作業(yè)人員軟組織扭傷,重者則會(huì)讓作業(yè)人員的骨折乃至有生命危險(xiǎn)。因此,電錘的安全性就成為電錘設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

分析了光纖陀螺用探測(cè)器模塊在輻照條件下的失效模式,針對(duì)元器件的材料、結(jié)構(gòu)、表面處理等方面提出了抗輻射的設(shè)計(jì)方案,測(cè)試了采用該方案設(shè)計(jì)的探測(cè)器模塊的參數(shù)隨輻照的變化情況,結(jié)果表明模塊的抗輻照效果明顯,能夠滿足探測(cè)器組件抗輻射的要求。

針對(duì)油氣井測(cè)量所面臨的小口徑、高溫、高沖擊等環(huán)境挑戰(zhàn),研究了一種應(yīng)用小口徑光纖陀螺和mems加速度計(jì)構(gòu)成的新型油氣井用快速定向測(cè)斜系統(tǒng),為確保該環(huán)境下的測(cè)量精度,提出了快速粗測(cè)與精測(cè)相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)了優(yōu)化的二位置尋北方案,通過(guò)旋轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)整測(cè)量位置,并用小波濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,以實(shí)現(xiàn)儀器快速精密定向測(cè)斜。論文給出了系統(tǒng)方案、尋北測(cè)斜算法和小波濾波算法。測(cè)試結(jié)果表明:該系統(tǒng)90s定向精度優(yōu)于±1°,傾角精度達(dá)到±0.1°以內(nèi),信號(hào)傳輸距離超過(guò)9000m。該方案采用了固態(tài)結(jié)構(gòu)的慣性敏感器,使系統(tǒng)抗沖擊能力大大提高,可靠性增強(qiáng),各主要指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)動(dòng)調(diào)式定向儀,非常適合全天候野外作業(yè)環(huán)境,具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了研究在地面環(huán)境下模擬分析空間用光纖陀螺輸出特性,對(duì)光纖陀螺靜態(tài)高速輸出連續(xù)相同數(shù)據(jù)的特性展開(kāi)了研究。通過(guò)對(duì)光纖陀螺系統(tǒng)建模,研究了前向增益與兩種陀螺輸出濾波器的特性。提出了一種計(jì)算光纖陀螺靜態(tài)條件下輸出連續(xù)相同數(shù)據(jù)概率的方法。通過(guò)理論計(jì)算、仿真、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,相互驗(yàn)證了其正確性,發(fā)現(xiàn)陀螺輸出連續(xù)五次相同的概率的量級(jí)為10-11,發(fā)生的概率極小,為空間應(yīng)用光纖陀螺系統(tǒng)時(shí)鐘故障診斷提供了參考。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)陀螺前向增益越小,越容易導(dǎo)致陀螺輸出連續(xù)相同的數(shù)據(jù);陀螺濾波器對(duì)陀螺輸出連續(xù)相同數(shù)據(jù)的固有特性有重要的影響;平滑濾波器較fir濾波器更容易導(dǎo)致輸出連續(xù)相同的數(shù)據(jù)。

采用zemax軟件對(duì)激光光纖注入系統(tǒng)進(jìn)行了建模,仿真分析了激光注入光纖橫向偏移、角度偏移對(duì)光纖傳輸激光能量特性的影響.結(jié)果表明,光纖輸出激光能量分布與激光注入對(duì)準(zhǔn)誤差密切相關(guān).注入誤差引起光纖初始輸入段激光峰值功率密度的劇烈波動(dòng),出現(xiàn)了一個(gè)激光峰值功率密度極大值,這個(gè)極大值是可以達(dá)到光纖截面內(nèi)激光平均功率密度的數(shù)十倍;橫向偏移激發(fā)大量斜光線產(chǎn)生,使光纖輸出激光能量分布勻化;角度偏移僅影響光纖內(nèi)子午光線與斜光線的傳播方向,對(duì)光纖內(nèi)激光能量分布的勻化作用較弱.

多芯光纖 又名：multicorefiber. 多芯光纖是一個(gè)共同的包層區(qū)中存在多個(gè)纖芯。 多芯單模光纖的概念是由法國(guó)電信在1994年提出的，法國(guó)電信與阿爾卡特公司設(shè)計(jì)和 開(kāi)發(fā)和開(kāi)發(fā)和開(kāi)發(fā)了4芯單模光纖，并用這些光纖進(jìn)行了而不同芯數(shù)各種結(jié)果的光纖帶光 纜和非光纖帶光纜的成纜實(shí)驗(yàn)，與普通單芯光纖相比，光纜密度提高了很多倍。 通常的光纖是由一個(gè)纖芯和圍繞它的包層構(gòu)成。但多芯光纖卻是一個(gè)共同的包層區(qū)中存 在多個(gè)纖芯。據(jù)了解，當(dāng)前單根光纖傳輸容量已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸，進(jìn)一步擴(kuò)大容量必須考慮把單 芯光纖變成復(fù)數(shù)內(nèi)核。 由于纖芯的相互接近程度，多芯光纖發(fā)展出現(xiàn)兩種功能。一是纖芯間隔大，即不產(chǎn)生光 耦會(huì)的結(jié)構(gòu)。該光纖由于能提高傳輸線路的單位面積的集成密度，在光通信中，可以作成具 有多個(gè)纖芯的帶狀光纜，而在非通信領(lǐng)域，作為光纖傳像束，有人將纖芯作成成千上萬(wàn)個(gè)。 二是纖芯之

適于光纖到家庭的新型光纖：多芯單模光纖

理論分析了纖芯錯(cuò)位對(duì)激光輸出功率及光束質(zhì)量的影響,研究表明,纖芯錯(cuò)位后纖芯中的各個(gè)模式均有一定的功率衰耗,且基模總會(huì)向高階模耦合,導(dǎo)致光束質(zhì)量下降。采用20/400μm的雙包層摻鐿光纖,搭建了高功率全光纖激光振蕩系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了諧振腔外纖芯錯(cuò)位、諧振腔內(nèi)纖芯錯(cuò)位以及諧振腔內(nèi)和諧振腔外纖芯同時(shí)錯(cuò)位幾種不同的情況對(duì)輸出激光性能的影響,結(jié)果表明,諧振腔內(nèi)纖芯錯(cuò)位和諧振腔外纖芯錯(cuò)位都會(huì)造成激光器性能的下降,但諧振腔內(nèi)纖芯錯(cuò)位將導(dǎo)致激光器功率明顯下降,而諧振腔內(nèi)和諧振腔外同時(shí)錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致激光器光束質(zhì)量急劇下降。

利用標(biāo)量解法,導(dǎo)出了弱導(dǎo)階躍光纖線偏振模(lpmn)的場(chǎng)分布和lpmn混合模式的光強(qiáng)表達(dá)式。結(jié)果表明,低階lpmn模的模場(chǎng)范圍均隨纖芯半徑的增加而增大,隨纖芯折射率的增加而縮小,隨包層折射率的增加而擴(kuò)大;隨傳輸距離和模式混合份額的增加,lpmn混合模式的光強(qiáng)減少;非相干混合模的m2因子隨高階模式光強(qiáng)所占分額的增加而逐漸變大,m2并非一直隨纖芯半徑的增加而增大,存在著一個(gè)臨界值a=30μm。

精心整理 第四章工程實(shí)現(xiàn) fogss是一個(gè)精密的機(jī)電系統(tǒng)裝置。通過(guò)工程設(shè)計(jì)工作，基本完成了前階段預(yù)期期間的 工程要求，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)上的問(wèn)題。本章將就硬件配置、控制系統(tǒng)綜合、軟件設(shè)計(jì)展 開(kāi)討論。 4.1硬件組成 硬件系統(tǒng)的基本框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)由從結(jié)構(gòu)上由兩大塊組成：外框架回路（組件 名稱上標(biāo)注1）和內(nèi)框架回路（組件名稱上標(biāo)注2），內(nèi)環(huán)對(duì)外環(huán)有耦合作用，為了設(shè)計(jì)方便， 通過(guò)光電編碼器對(duì)環(huán)架進(jìn)行了解耦。這樣，每個(gè)環(huán)架實(shí)現(xiàn)了單入單出，并且環(huán)架的控制律的 設(shè)計(jì)是類似的。 在硬件設(shè)計(jì)上，作了以下考慮： 1.采用工業(yè)pc和運(yùn)動(dòng)控制卡go400組成控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 這樣可以避免設(shè)計(jì)繁雜的硬件電路，并且可以使用pc機(jī)功能齊全的軟件系統(tǒng)，便于 軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試。 2.采用compumotor公司的直接驅(qū)動(dòng)方式的無(wú)刷直流電機(jī)作為執(zhí)行器。 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的精度較高，而且可

光纖-光纜-光纖連接器,光纖插芯,光纖測(cè)試資料教材