光线环绕制过程中的关键技术研究论文

中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 1 页 共 34 页1 引言1976 年美国犹他大学的 VVali 和 RWShonllill 成功地制作出了第一个干涉型光纤陀螺(FoG)，至今，光纤陀螺已经发展了三十多年，而且发展相当迅速。其基本原理是利用 Sagnac 效应来检测相对于惯性空间的旋转。作为自主式导航的新一代产品，其从一问世就立刻受到了各国军方的高度重视，其主要关键技术一般都严格保密。目前国外光纤陀螺研制已经进入实用化阶段，且精度不断在提高，目前 0.01h 的光纤陀螺已大量应用。国内中低精度光纤陀螺仪已经开始了工程应用，但是高精度光纤陀螺仪还有许多关键技术需要克服，且仍然处于实验室研究阶段。通过改变光纤长度和环圈直径，可以制成各种精度的光纤陀螺仪，以适应不同领域的需求。光纤陀螺的灵活结构，使之能够广泛地应用于汽车导航、石油钻井、飞机的姿态控制、中短程导弹。高精度光纤陀螺仪更是被期望能够替代造价昂贵的静电陀螺仪，使之在精密航天器、战略核潜艇具有不可替代的作用。光纤陀螺仪从初期的理论分析研究已经进入到必须掌握核心技术突破关键技术瓶颈的阶段，对其开展研究具有重要的军事价值和社会经济效益。11 光纤陀螺仪发展概况1.1.1 国外光纤陀螺仪发展国外光纤陀螺研制的正式起点是 1976 年美国犹他大学 VVali 和RW Shorthill 在应用光学杂志发表的题为光纤环形干涉仪的论文。在 1978 年激光惯性旋转敏感器 SPIE 会议之前，几乎没有关于光纤陀螺的任何出版物。在1978 年的这次会议上发表的论文来看，涉及到光纤和波导，半导体激光器以及光纤陀螺系统。1979-1980 年问提出了在分光器附近用简单的相位调制器实现非可逆相位调制以检测 Sagnae 相移的概念 1。大约从 1984 年开始，大量的研究工作集中在研制集成光学相位调制器上，1985 年期间保偏耦合器得到实用，中低精度光纤陀螺仪开始实用化。总的说来国外光纤陀螺仪研究主要分为三个阶段，第一阶段为七十年代中后期至八十年代早期，主要致力于光纤陀螺仪噪声机理，相关光学元器件的研制，以研究中低精度的光纤陀螺仪为主，光纤环圈采用单模光纤环，中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 2 页 共 34 页调制技术主要以模拟开环为主；第二阶段为八十年代中期至九十年代中期，开始大力发展数字闭环光纤陀螺仪，采用保偏光纤环，陀螺精度取得了明显提高，实验室精度达到 0.01h，并开始工程化研究；第三阶段为九十年代中期至今，开始研制更高精度的光纤陀螺仪，最高精度已经达到 0000010h，并结合导航系统的研制，在工程应用方面取得了突破性进展。1.1.2 内光纤陀螺仪研制现状国内光纤陀螺仪研制由北京航空航天大学于上世纪八十年代中期首先开始研制，目前部分研制单位其中低精度光纤陀螺仪已经丌始批量生产，但存在成品率低，环境适应性差，可靠性不高等问题。国内高精度光纤陀螺正 P 处于研究初期，部分关键技术具备技术基础，如掺饵光纤光源技术、商性能保偏耦合器等，但是基于数字调制解调技术的降噪技术、商性能光纤环圈绕制及其固化、磁屏蔽技术、光纡陀螺工程化应用等部没有开展研究。截止“十五”末国内报道的，实验室条件下突破 0.01/h 的光纤陀螺分别为航天时代研制的 0. 005h 原理样机、33所为某型号研制的 0.01h 三轴光纤陀螺实验室样机(据称每轴实测精度在0.0040.006h 之间)、北京航空航天大学研制的 0 004h 高精度光纤陀螺原型机。上述三家研制的高精度陀螺原理样机或原型机代表了困内最高水平。北京航空航天大学(简称北航)足国内虽早从事光纤陀螺研制的单位之一，上世纪八十年代，北航张惟叙教授开始跟踪、研究光纤陀螺的发艟，随着国内外光纤通讯和光纤传感技术的发展，光纤陀螺成为了二十一世纪最有竞争力的惯性导航元件，北航光纤陀螺的发展得到了国家的大力支持，其光纤陀螺技术的研宄逐渐确它了国内的领先地位。北航依托国家的支持和高校的特有知识人才优势，对光纤陀螺的各级元件和相关技术进行全面研究，目前它们已经基本掌握了光纤陀螺核心关键元件光源、Y 波导( 即集成光学芯) 和耦台器的研制技术，并正在大力开展对光纤敏感环圈绕制技术的研究。从高精度光纤陀螺的发展特点来看，北航的高精度光纤陀螺延续了中精度光纤陀螺的发展方案它同样是采用全数字闭环干涉型保偏光纤陀螺方案，但其光源采用了大功率、宽光谱 1550nm 的掺铒光纤光源 (即 ASE 光源)，同时光纤的长中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 3 页 共 34 页度也增加到 20003000 米。另外，北航专门组建了一个团队在从事光纤敏感环圈绕制及其固化技术的研究， 。它既可以提高光纤敏感环圈的性能稳定精度也可以提高陀螺的温度稳定性和抗冲击振动等性能。航天时代电子公司(简称航天时代)是由原航天十院第十三研究所、上海八 0 三所光纤部等单位合并组建而成的，该公司整合航天十院多家研究所的人才、技术和硬件资源对光纤陀螺进行大力研究，并且受到国家的重点支持。航天时代在多年的基础技术研究基础上，再结合其丰富的工程实践经验，目前已经在中低精度光纤陀螺应用领域推出其相关的型号产品，成为国内第一家推出实用光纤陀螺的研制单位。为满足航空、航天等惯性导航的更高需求，航天时代已经开始高精度光纤陀螺的研制。航天时代在原有中低精度光纤陀螺研制的基础上，结合国内外高精度光纤陀螺的发展趋势，也采用了全数字闭环保偏干涉型光纤陀螺方案，该方案也是目前国际上发展高精度光纤陀螺首选的方案。航天时代发展的高精度光纤陀螺也是采用了 1550nm 波长的宽带掺铒光纤光源，并结合公司对核心关键元器件 Y 波导、耦合器等长期的研究进行自主研发，尤其是对 Y 波导的研发和生产具有相当的规模和实力 2。另外，航天时代公司对光纤敏感环圈的绕制技术投入大量的人力和物力进行研制，因为光纤敏感环圈作为光纤陀螺的核心敏感体对光纤陀螺的性能精度具有决定性的影响作用。12 纤陀螺仪的优点陀螺是惯性技术的关键器件之一，陀螺的性能对惯性测量系统有很大影响。液浮陀螺、动力调谐陀螺和静电陀螺是目前应用最广，技术比较成熟的三种自旋质量陀螺。这三种陀螺都有的一个共同点是他们都采用高速转子。由于高速转子易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，需一定的预热时间才能达到稳定，这使得它们在应用上受到某些限制。特别是他们有转子和机械结构，使它们在抗冲击方面的性能不好。应用于捷联系统的陀螺，由于直接固连在载体上，没有框架系统对外界扰动的隔离作用，所以陀螺受到的振动冲击、加速度冲击比较大。这时无转子陀螺表现出其巨大的优势，因此，研究无转子式的陀螺成为人们深为关切的研究课题。从另一方面考虑，随着导航技术的发展，惯性导航系统和平台稳定系统对惯性测中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 4 页 共 34 页量装置提出了更高的要求，即要求减小系统的体积、质量、功耗、降低采购费用和维修费用，增加可靠性。军用惯导系统及平台稳定系统对此有更高的要求。基于以上要求，人们研究出无转子式陀螺，其中激光陀螺和光纤陀螺是两种比较成熟的产品。激光陀螺和光纤陀螺都属于光学陀螺，它们的原理相同都是基于光学上的 Sagnac 效应。目前激光陀螺在高精度领域得到了成功的应用。但是激光陀螺的光学腔和反射镜加工工艺要求很严，存在结构上的复杂性问题，批量生产有一定困难。特别重要的是激光陀螺存在死区，在应用时需要加抖动等措施避开死区，这就限制了激光陀螺的更广泛应用。而光纤陀螺在理论上不存在死区，完全实现了全固态、静态测量的完美统一 3。光纤陀螺的突出优点包括：无转动部件，结构简单，全固态化，可靠性高，抗冲击能力强；动态范围大，由于闭环方案的采用，使其在动态范围为几百度秒内具有良好的性能；功耗小、体积小、质量轻；寿命长，可达十万小时以上；使用方便，安装不需要专用平台，可直接数字输出，便于计算机处理；在设计上比较灵活，合理设计陀螺的大小和相应参数，选用相应的器件，就能在不同的应用场合下达到最优设计；具有很高的性价比，这是光纤陀螺极具吸引力的地方；由上可见，光纤陀螺的确是性能优良的有发展前景的新一代陀螺。目前，惯导级高精度光纤陀螺也进入了产品研制和生产阶段，并在高精度应用领域中同激光陀螺展开竞争。在高精度光纤陀螺的研制开发上也取得了很大成绩。实验室样机的指标已远超过惯导级产品所要求的指标，也不断有关于高精度的光纤陀螺在实践中成功应用的报道。由于光纤陀螺比激光陀螺具有更大的优越性，无论在军用还是民用领域都有极强的竞争能力和广阔的市场，因此受到世界各国的普遍重视。可以预言，下一代惯性测量装置必定使用光纤陀螺，而不是激光陀螺。2 光纤环圈绕制方法介绍光纤环是光纤陀螺中的一个重要元件，可以通过调整光纤环结构参数，如光中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 5 页 共 34 页纤环面积、光纤长度，来提高光纤陀螺的精度；光纤敏感环圈在具体应用中受到由机械张力、振动、冲击和温度梯度等因素引起的环境干扰，当环境干对光纤敏感环圈中两束反向传输光波的影响不一致时，会产生附加的相位漂移。这种附加相移叠加在光学输出信号中降低了光纤陀螺对真实角速率的敏感度，因而精度越高的光纤陀螺对光纤敏感环圈的要求越高。因此，探讨光纤环性能，以及光纤环在绕制过程中出现的各种缺陷因素对光纤陀螺精度的影响是一项很有意义的工作。作为光纤陀螺的关键技术，光纤环圈绕制技术是限制提高光纤陀螺精度和实现光纤陀螺工程化应用的技术瓶颈，国内外凡是开展光纤陀螺研制的单位都竞相把光纤环圈绕制技术作为自己的关键技术，并对外严格保密，可见开展光纤环圈绕制技术研究的重要性。21 直接缠绕法直接缠绕法既是从光纤的一端开始，直接将光纤沿线轴纵向逐层缠绕，直到光纤全部绕完，如图 21 所示。直接缠绕法的特点是绕制方法简单，光纤通过每层后的方向相同，轴向和径向的温度变化对光纤的影响不能相互抵消，而是全部累加作用在整个光纤环圈上，所以光纤陀螺输出相位受温度梯度的干扰很大。图 2. 1 直接缠绕法22 双极对称缠绕法如图 42 所示，一根光纤从中点处分为相等的两部分，分别绕到两供线轴上，从光纤中点处开始，贴近骨架边缘开始绕制，先用一端绕制第一层，接着用光纤中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 6 页 共 34 页的另一端绕制第二层，交替用不同的端绕制不同的层，直到光纤绕完为止。图 2. 2 双极对称缠绕法双极对称绕法的特点是光纤线圈的奇数层由光纤的一端构成，偶数层由光纤的另一端构成。23 四极对称缠绕法如图 23 所示，一根光纤从中点处分为相等的两部分，分别绕到两个供纤轴上。从光纤第一端距中点等于骨架上第一层光纤总长一半处，贴近骨架边缘处开始纵向绕，第一个供纤轮顺时针方向在骨架上绕成第一层 4。接着第二个供纤轮以反时针方向在供纤轮上绕第二层，然后第二个供纤轮回绕形成第三层，接着第一个供纤轮回绕形成第四层。图 2. 3 四极对称缠绕法对比可以看出，双极对称绕制方法都是奇数层减偶数层，即一端光纤处的温度梯度减去另一端光纤处的温度梯度，总的结果是这些和的累加。而四极对称绕制方法是奇数层和偶数层交叉相减，总的效果并不是和的简单累加，而是抵消了中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 7 页 共 34 页部分热至非互易误差。所以四极对称比双极对称法绕制的光纤环圈能更加有效地减小热至非互易误差。24 八极对称缠绕法八极对称绕法由四极对称绕法和反四极对称绕法组成，四极对称绕法由上述的四极绕法构成，反四极绕法由上述四极绕法的反向绕序组成(如图 24 所示)。根据绕法可以看出，八极绕法中光通过每八层光纤的方向互不相同，八极对称绕法充分地消除了由径向温度梯度引起的相关误差。图 2.4 八极对称缠绕法25 十六极对称缠绕法如图 25 所示，十六极绕法由八极绕法和反八极绕法组成，八极绕法按上述八极绕法，反八极绕法用八极绕法的反向绕序绕成。由于十六极绕法太过复杂，层与层之间的交叉太多，增加了许多应力点，反而削弱了它减小热至非互易性的优势，所以在陀螺上一般不采用十六极绕法。中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 8 页 共 34 页图 2.5 十六极对称缠绕法3 纤环圈绕制过程中的张力分析在光纤环的绕制过程中，如何控制光纤上的张力是个难点，但又是非常重要的事情 5。目前还不能实现零张力情况下绕制光纤环，由于光纤及光纤坏的特性及绕制过程中作用于光纤上外力不宜过大，张力一般应控制在适当的范围内。绕坏过程中将张力控制在适当的范围内，这是光纤本身和光纤环自身的性能要求，并经过大量试验绕环所得结论。就光纤本身而言，特别是保偏光纤，在拉制过程中就已经将应力加了进去，因此，再对光纤进行附加操作如绕制光纤环时，须力求不再对其增加额外应力或破坏已有应力状态，这样就要求小张力控制绕环。31 光纤环国应力分布测试受激布里渊散射是一种能在光纤中发生的非线性过程，它在光纤中的作用可以经典地描述为泵浦波、斯托可斯波和声波之问的参量互作用。泵浦波通过电致伸缩产生声波，然后引起折射率的周期性调制。泵浦引起的折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦光，由于多普勒位移与以声速 v 移动的光栅有关，散射光产生了频率下移。AQ8603 是同本 ANDO 公司生产的光纤应力分析仪。它结合了布里渊散射技术和 OTDR 技术，实现了光纤的应力分布测量 6。其系统框图如图 31 所示。分中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 论 文第 9 页 共 34 页布反馈激光器发出的光经调制和放大后形成大功率脉冲光源，注入被测光纤中，产生后向布里渊散射光，散射光的频移由光纤中各点的应变确定，经过分光镜BlB2 的作用，输入光与散射光相拍，再经探测器、频率转换器变成可处理的电信号，经过处理得到光纤中的应力分布。图 3.1 AQ8603在光纤的中点处存在较大的应力奇点，同时应力奇点分布明显关于中点对称。这些应力奇点与绕制过程中的两组换向点相对应，但是产生奇点处的换向点处的应力大小也不相同。分析这些应力的产生主要是在换向点光纤有微弯产生，如果对微弯处理不好，则会产生较大的应力奇点 7。光纤中间处较大的应力峰主要是因为光纤中点处一段光纤与环圈骨架直接接触，骨架对光纤的应力要比光纤之间的应力大很多。并且，一般情况下骨架材料的膨胀系数与光纤材料的膨胀系数不一致，当环境温度变化时，光