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《哈尔滨工程大学》 2018年
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光纤陀螺磁场误差机理分析与抑制措施研究

刘攀  
【摘要】:光纤陀螺具有全固态设计、无运动部件、质量轻、体积小和结构设计灵活等优点,被广泛应用在船舶、潜艇、卫星、导弹等载体上。随着应用领域的不断拓展,光纤陀螺在复杂环境(温度扰动、磁场、振动)中的精度恶化问题成为了制约其发展的重要原因之一。由于光纤中的磁光法拉第效应和磁光非互易相移,光纤陀螺在磁场环境中会产生磁场误差。于是,分析光纤陀螺磁场误差的产生机理并探索有效的抑制措施显得尤为重要。现有的光纤陀螺磁场误差模型大多数是基于常温状态下建立的。然而,光纤陀螺的实际工作环境往往存在着较大范围的温度变化。而且,目前的磁场误差抑制措施虽然能够在一定程度上降低光纤陀螺的磁场灵敏度,但是仍存在一定的缺陷。针对上述现状,本文以提高光纤陀螺的环境适应性和精度为目的,对光纤陀螺磁场误差的产生机理和抑制措施展开了深入的研究。在机理分析方面,运用琼斯矩阵方法建立了常温条件下光纤陀螺的磁场误差模型,分析了光纤和光纤环参数对磁场误差的影响。然后,基于常温条件下的磁场误差模型,并考虑到光纤陀螺工作环境中的温度变化因素,利用琼斯矩阵方法建立了温度变化时的无骨架保偏光纤陀螺的磁场误差模型。理论分析表明:保偏光纤线双折射和Verdet常数固有的温度依赖性可以导致光纤陀螺的磁场误差随着温度变化而变化。最后,在-40oC~60oC温度范围内对无骨架保偏光纤陀螺的径向磁场误差进行了实验测量,实验结果验证了所提出的理论模型的合理性。在磁场误差抑制措施方面,基于所建立的磁场误差理论模型,分别从以下四个层面提出了一系列的抑制措施来提高光纤陀螺的抗磁场干扰性能:(1)在光纤陀螺系统结构层面上,提出利用光学补偿措施来抑制光纤陀螺的磁场误差。基于琼斯矩阵方法建立了常温和变温条件下双偏振光纤陀螺的磁场误差模型。理论分析表明:在常温条件下,保偏光纤的快轴和慢轴的径向磁场误差大小相等,符号相反。因此,当快轴和慢轴同时使用时,可以实现对径向磁场误差的光学补偿;在变温条件下,快轴和慢轴的径向磁场误差随温度的变化率相等。因此,当快轴和慢轴同时使用时,光学补偿措施对径向磁场误差的抑制效果仍然存在。通过实验测量了常温和变温条件下双偏振光纤陀螺的径向磁场误差,实验结果与所提出的理论分析相一致。(2)在磁屏蔽层面上,针对利用磁屏蔽结构中心点处磁场强度来计算磁屏蔽效能可能会引起较大误差的问题,提出利用光纤环所在空间位置处磁场强度的平均值来计算磁屏蔽效能的方法。在此方法的基础上,利用有限元法分析了磁屏蔽结构参数与磁屏蔽效能之间的关系,优化设计了一种在径向和轴向磁场环境下磁屏蔽效能都高于40dB的单层磁屏蔽结构。(3)光纤陀螺的径向磁场误差与保偏光纤的双折射成反比。在光纤层面上,针对传统保偏光纤双折射不高的问题,设计了一种新型的五边形光子晶体光纤结构。利用有限元法研究了五边形光子晶体光纤的结构参数与双折射之间的关系,优化设计一种具有高双折射特性的五边形光子晶体光纤。利用该光纤结构替换传统的保偏光纤能够有效地抑制光纤陀螺的径向磁场误差。(4)在光纤环绕法层面上,针对补偿光纤环可能会导致温度漂移这一问题,提出利用光纤环双环绕法来抑制光纤陀螺的径向磁场误差。通过调整两个光纤环的径向磁场灵敏轴,可以使得双环光纤陀螺的径向磁场误差相互补偿。同时,由于两个光纤环的长度相等,在搭配合适的隔热腔后并不会导致光纤陀螺产生额外的温度漂移。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN96

【参考文献】
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