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《哈尔滨工程大学》 2009年
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消偏型光纤陀螺仪关键技术研究

王立辉  
【摘要】: 保偏技术解决了光纤陀螺面临的信号衰减和非互易性偏振误差问题,成为光纤陀螺的主要技术方案。目前,采用保偏技术的保偏型光纤陀螺已经达到了导航级和精密级的水平,但是,在工程应用方面仍存在成本高不利于批量化生产、弯曲损耗大不利于小型化、抗辐射能力弱不利于空间应用等难题。 采用消偏技术的消偏型光纤陀螺克服了保偏型光纤陀螺的弱点,促进了光纤陀螺向低成本、小型化及空间应用方向发展,但是,相对于保偏型光纤陀螺而言,消偏型光纤陀螺结构复杂,存在较明显的偏振误差、磁场误差等误差因素。本文以研制开发导航级消偏型光纤陀螺为应用背景,把消偏型光纤陀螺的光波偏振态误差、磁场误差、系统设计及数据处理作为关键技术,开展研究工作: 1.详细分析波导介质及光路形状对Sagnac效应的影响,阐述数字闭环光纤陀螺中Sagnac相位的检测方法及相关的光波相干性理论、光波互易性理论、光波偏振态理论,以上述理论为基础,采用功率谱密度方法来探讨两种光源不同的光谱特性对相干性的影响,并针对消偏型光纤陀螺中光波偏振态的特点,研究Lyot消偏器的结构及消偏器的端口互易性原理。 2.分析光纤环的受力特性,推导光纤环的应力双折射并建立光纤环的应力双折射模型,以此为基础,量化应力对光纤环双折射特性的影响,并优化Lyot消偏器结构参数。采用斯托克斯参量、庞加莱球及Jones矩阵分析消偏型光纤陀螺的光波偏振态,描述去偏振光波的传播过程,建立消偏型光纤陀螺的非互易性偏振相位误差模型,以该模型为基础,研究消偏型光纤陀螺中偏振相位误差的抑制方法及光波干涉信号的功率稳定性、波长稳定性,提出解决办法。 3.采用Jones矩阵建立光纤陀螺的磁场偏置相位误差模型,对光纤陀螺中光纤长度、光纤扭转率等因素与磁场误差之间的关系进行理论研究。以上述理论分析为基础,采用微元法求取光纤环中光波在顺时针方向和逆时针方向的传输矩阵,构建消偏型光纤陀螺的径向磁场误差模型,得出消偏型光纤陀螺中径向磁场相位漂移的数学描述。依据光纤环的轴向排列结构,提出采用螺旋角展开法,建立消偏型光纤陀螺的轴向磁场误差模型,并量化消偏型光纤陀螺中轴向磁场相位漂移。以上述径向磁场误差及轴向磁场误差的量化结果为理论基础,分析消偏型光纤陀螺的磁场误差因素,提出降低消偏型光纤陀螺对磁场环境敏感性的具体措施。 4.把光电信号结合起来,研究消偏型光纤陀螺的系统结构。在光纤环绕制、Lyot消偏器结构及消偏型光纤陀螺光路结构设计方面,采取措施来优化光路系统;在闭环信号处理方式、时钟、电源、电磁兼容(EMC)等方面,采取措施来优化电路系统;从整体上来提高系统的稳定可靠性。 5.消偏型光纤陀螺输出数据中包含了大量时变噪声,把自适应滤波算法引入到光纤陀螺数据处理中,构建固定步长LMS滤波器及变步长LMS滤波器,形成时变的拟合模型及辩识参数。对两种滤波器在数据滤波过程中的参数调节能力、运算速度等指标作了对比,采用Allan方差对两种滤波算法处理之后的数据进行分析,并对滤波效果做出评价。
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