光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究图文精.docx
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光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究图文精
西安电子科技大学
硕士学位论文
光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究
姓名:
王晓
申请学位级别:
硕士
专业:
物理电子学
指导教师:
石顺祥
20090101
摘要
摘要
光纤陀螺是基于萨格奈克效应的角速率传感器,从开始研制发展到现在,都以提高精度为目的。
保偏光纤是光纤陀螺的重要元器件,其性能的优劣直接影响陀螺的输出精度。
本文针对光纤陀螺的光路系统,探讨了线偏振、部分偏振光在保偏光纤环中传播时的偏振特性以及光纤中的非线性效应产生的非互易相移误差对光纤陀螺零漂的影响;利用琼斯矩阵法和相干矩阵法建立了部分偏振光在光纤中传输的数学模型,分析了部分偏振光传播过程偏振态的变化;提出通过耦合模理论分析线偏振光在高双折射保偏光纤中的偏振特性,得到了交叉相位调制引起的非线性相移对光纤陀螺角速度测量精度的影响;研究了偏振方向与双折射轴成任意角度时,不同偏振方向、不同功率条件下保偏光纤中反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性。
此外,分析了克尔效应、法拉第效应引入的非互易性相移,并提出了相应误差的消除方法。
对光纤陀螺保偏光纤环偏振特性的研究为提高光纤陀螺的性能奠定了一定的基础。
关键词:
光纤陀螺保偏光纤偏振态耦合模理论
Abstract
Abstract
Fiberoptical
gyroscope(FOG)isanangleratesensorbasedonSagnaceffect.EversincetheFOGdeveloped,itisaimed
atimprovingtheaccuracy.Polarizationmaintainingopticalfiber(PMF)istheimportantcomponentofFOGandits
performancedirectlyaffectstheoutputprecisionofFOG
Thispaperdiscussesthepolarizationcharacteristicsoflinearly
polarizedlightandpartiallypolarizedlightinthePMFringandtheimpactsonthenullshiftofFOGresultfromnonreciprocalphaseshift
errorcausedbythenonlinearopticaleffects.Themathematicalmodelofthepartiallypolarizedlight
propagatinginthefiberisestablishedbyJonesmatrixmethodand
coherencematrixmethod.Thechangeofthepolarizationstateofthepartiallypolarizedlightunderpropagationisinvestigated.The
coupled—modetheoryisputforwardtoanalyzethepolarizationcharacteristicsoflinearly
polarizedlightinthehighbirefringencePMFandtheimpactsontheangularvelocitymeasurementaccuracyofFOGcausedbythenonlinearphaseshiftresultfrom
CROSS-phasemodulationisobtained.Themodulationinstabilityisresearched
ofPMFinanomalousdispersionregimeandinnormaldispersionregimeundertheconditionsof
differentpolarizationdirectionanddifferentlightpowerwhentheangelofthepolarizeddirection
andthebirefringenceaxesisarbitrary.Besides,theKerreffectandFaradayeffectthatbringaboutnonreciprocalphasedriftare
analyzedandtheeliminatingapproachisgiven.Theaboveresearchresultscanbeusedforimprovingthe
performanceofFOG
Keywords:
fiberopticalgyroscope
polarizationmaintainingopticalfiberpolarizationstatecoupledmodetheory
声明
独创性(或创新性)声明
本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
本人签名:
量也同期矽7,.歹10
关于论文使用授权的说明
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研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。
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同时本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
(保密的论文在解密后遵守此规定)
本学位论文属于保密,在一年解密后适用本授权书。
本人签名:
兰塑
导师签名:
同期研.罗矽互呼醐号一
第一章绪论
第一章绪论弟一早珀T匕
惯性技术是利用惯性原理或其它有关原理,自主测量和控制运载体运动过程的技术,它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和惯性敏感器技术的总称。
现代惯性技术在各国政府雄厚奖金的支持下,已经从最初的军事应用渗透到民用领域,已经逐步推广到航天、航空、航海、兵器及其它工业领域,随着新型惯性敏感器件的出现,惯性技术在汽车工业、医疗电子设备中都得到了应用。
因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位,在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。
惯性导航技术的发展与陀螺仪的发展密切相关【l】。
陀螺仪是敏感相对于惯性空间角运动的装置。
它作为一种重要的惯性敏感器件,主要用于测量运载体的姿态角和角速度,是构成惯性系统的基础核心器件。
惯导系统的性能在很大程度上取决于陀螺仪的性能。
1.1光纤陀螺的发展历程
传统的机械陀螺有框架式陀螺、液浮式陀螺、气浮式陀螺、静电陀螺等多种类型,经过多年的发展,机械陀螺技术日趋成熟。
但是由于受到机械结构本身的限制,它的缺点也很突出:
受外界影响大,需要预热,耐久性差,而且测量带宽受限制,不能直接与计算机连接,这些缺点严重制约了它的应用范围。
激光陀螺的出现极大的改善了这种状况。
激光陀螺结构简单,完全固态,受外界影响小,预热时问短,在保证精度的前提下,用户可以根据需要灵活地选择带宽。
但激光陀螺的光学腔和反射镜对加工要求很严,存在复杂性问题,其成本居高不下。
1976年,美国的V.Vali和R.W.Shorthill首次提出了光纤陀螺的概念,与激光陀螺相比,光纤陀螺可靠性更高,寿命更长,且无需超高精度光学加工,不必采用高性能气体密封。
因此,光纤陀螺被认为是迄今为止综合性能最好的惯性传感器【2】。
光纤陀螺的主要发展历程【3。
】:
1970年,新一代低损耗光纤推动了光纤陀螺的研制;1976年Vali年lR.W.Shorthil等人成功研制了第一个光纤陀螺——干涉式光纤陀螺(I.FOG);1977年~1982年,对光纤陀螺的基本结构进行研究,提出了光纤陀螺最小结构,开环结构和闭环结构,并提出了谐振式光纤陀螺(R.FOG)和布里渊光纤陀螺(B.FOG)的思想;1980年~1990年,对光纤陀螺的误差因素和光学元件进行研究,引入了超辐射发光二极管、保偏光纤、光学铌酸锂集成芯片、绕坏技术等,对光纤陀螺提出“alldigital”的概念,首次实现商业化(实用于波音777);1990年至今,对光纤陀螺实际应用的研究(特别是航天航空、工业领域),运用光电集成
2光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究
芯片(LiNb03质子交换光波导)、微光电机械、信号处理等技术致力于降低光纤陀螺成本、小型化、高性能的研究,对I.FOG芒JI入了消偏结构、三轴结构、EDFAASE光源,进行光纤陀螺的标准化,光纤型激光陀螺的研制。
现在,光纤陀螺的大部分关键技术已经得到很好的解决,灵敏度、动态范围、标度因数等技术指标已得到很大的改善,角速度探测精度已经达到O.00030/h(相当于地球150年转一圈的转速)。
关键技术的解决和光纤陀螺独有的优势有力地推动了光纤陀螺的产业化,如今全球每年生产的光纤陀螺仪已达到十万个左右【8】。
典型的光纤陀螺仪光纤环直径为3~10cm数量级,精度0.10/h,--,0.02o/h,能在强振动、温度.500C--一850C的环境中全区间工作。
1.2国内外光纤陀螺的研究现状
自从1976年V.Vali和R.W.Sho础ll首次提出光纤陀螺的概念以来,关于光纤陀螺的研究已经经历了30余年。
由于它是全固态装置,具有寿命长和大批量生产成本低、抗干扰、无转动部件等优点,所以从一出现就引起了极大的重视和强烈的兴趣。
许多国家的大学和科研机构先后投入了巨大的人力和物力进行理论研究和实用开发工作,并取得了很大的进展。
但是,光纤陀螺在各国的发展状况、研究情况不尽相同,具有各自的特点。
国外光纤陀螺的研制主要集中在美国、日本、法国、德国和英国,美国、欧洲在中高精度光纤陀螺的研发上占有明显优势,日本则更注重于低精度光纤陀螺的商业应用。
l美国的研究现状
美国是率先研制光纤陀螺的国家,几大公司既有竞争又有结盟,其中Litton和Honeywell公司所研究的光纤陀螺代表着国际上光纤陀螺的最高水平。
在1996年美国霍尼韦尔(Honeywell)公司就已经公布了精度为0.000380/h的光纤陀螺,提前五年完成预定指标。
在美国,中等精度的光纤陀螺己经投入了批量生产,美国的麦道公司、利顿(Litton)公司、霍尼韦尔公司等研制的中等精度光纤陀螺己经可以批量化生产,利顿公司利用O.10/ll~lo/ll的光纤陀螺仪与微硅加速度计组成的LN.200系列化产品已经广泛应用于军事领域。
美国麦道(McDonnelDouglas)公司于1978年研制出第一个实用化的光纤陀螺。
1983年研制出零相位检测的光纤陀螺。
继1984年把光纤陀螺用于油井钻探定位之后,1986年又研制成“德尔塔”火箭上用的光纤陀螺。
利顿(Litton)公司是美国把原型光纤陀螺交付用户鉴定的第一家公司。
该公司1982年开始研制干涉型光纤陀螺,并与在光纤陀螺研制领域己取得重大进展的斯坦福(Stanford)大学进行合作。
1987年开始研制火炮发射试验的灵巧炮弹制导系统用的三轴闭环干涉型光纤陀螺。
1989年向美国海军提供了两个用于舰载导航和火
第一章绪论
炮系统的闭环干涉型光纤陀螺,向美国陆军提供了一个用于火炮发射试验的单轴干涉型光纤陀螺,后者可承受200009加速度。
至1997年开始大规模生产。
其在德国的子公司Litef至今已制造了上万只光纤陀螺,并有70%投入军方市场。
目前该公司批量生产的光纤陀螺系统已经覆盖了中、高精度的范卧引。
霍尼韦尔(Honeywell)公司是最早研制光纤陀螺的公司之一,它既研制干涉型光纤陀螺,又研制谐振型光纤陀螺【Io】。
该公司研制的开环干涉型光纤陀螺,包括全部光学和电光器件以及光纤线圈,均由偏振保持光纤制成。
由这种光纤陀螺构成的AHC一800航向姿态系统,被用于DL-328飞机。
最近几年,Honeywell公司将主要精力放在了高精度光纤陀螺市场。
在2003年已经开始批量生产高精度FOG,其中较高精度的FOG零偏稳定性小于3x1040/h,标度因数误差小于lppm。
2日本的研究现状
日本也是生产光纤陀螺的大国,在干涉型光纤陀螺的实用化,特别是中、低精度光纤陀螺的实用化方面走在世界的前列,如应用在车载导航、环保、工业控制、机器人控制、农业等。
目前正从事惯导级及更高精度的光纤陀螺的研究。
日本航空电子工业公司(JAE)从一九七九年开始研制光纤陀螺,同时研制耦合器、光源组件、集成光学芯片和线圈以及相关的器件设备。
目前,JAE公司已有一批不同性能级别的光纤陀螺投入到实际应用中【ll】。
3欧洲的研究现状
欧洲国家如英、法、德和俄罗斯也相当重视开发光纤陀螺在军事上的应用。
英宇航公司的史蒂文纳奇公司已开发成功光纤陀螺产品,并已在战术导弹系统和舰船导航等方面得到了应用。
法国汤姆逊CSF公司在一九八六年研制出集成光学光纤陀螺。
一九九零年研制成集成光学数字斜波相位调制闭环光纤陀螺,采用了全数字处理技术,陀螺偏置稳定性为lom,动态范围±l5000/s。
德国的SEL公司一九八五年研制成全光纤光纤陀螺,偏置稳定性120/ll。
一九八八年研制成集成光波导谐振光纤陀螺。
俄罗斯的Fizoptica公司实现了全光纤式结构方案来生产光纤陀螺,所有的光学元件无需光学连接点,使得损耗减小稳定性提高。
采用这种技术生产的光纤陀螺虽然在精度上相对稍差(O.10/11),但其尺寸小、功耗和成本低,因而在国际市场上销量颇好【11,12】。
4国内的研究现状
在国内,光纤陀螺的研究起步较晚,集成光学技术和保偏光纤技术相对落后,又由于发达国家的技术封锁,直到1987年起光纤陀螺的研制才被列入重点发展计划之中。
在总装备部的关心支持下,十多年来,我国的光纤陀螺的预先研究工作取得了可喜的进展。
目前,国内的几所单位——航天三院33所、航天十院、北京
4光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究
航空航天大学、上海航天局803所、西安兵器部205所、航空618所、浙江大学、北京理工大学等都开展了光纤陀螺的研制工作,并承担了不同精度等级、不同偏振类型的光纤陀螺研制任务。
其中,航天三院33所、航天十院、北京航空航天大学研制的光纤陀螺零偏稳定性己达O.10/ll~10/11。
而且将实现批量生产并投入工程应用。
1.3光纤陀螺惯导系统的应用前景
随着光纤陀螺研制技术的发展,光纤惯导系统将被赋予更多的使命,在越来越多的场合中使用。
1.在军用领域的应用
在飞机、导弹、舰艇上装备光纤惯导系统用于导航和制导。
战略潜艇对惯导系统的性能要求很高,对环境条件和对体积重量的要求较为宽松。
使用高精度、高可靠性、寿命长、成本低的光纤陀螺替代静电支撑陀螺惯导系统已成为可能[13q6]
0
军用直升飞机、运输机、战斗机和战略轰炸机,以及军用人造卫星等的惯性导航系统。
要求用高性能陀螺,其容许漂移误差在(10-2—10。
4)om的范围。
光纤陀螺不仅能满足捷联系统的大动态范围、高线性度、高稳定度和数字输出的要求,而且价格低廉。
战术武器制导和飞行姿势方位基准装置也要用陀螺,不少空军战术武器系统,诸如改进的中近程空对地导弹、空对空导弹、大面积扫装甲弹等都需要惯性参考系统。
战略巡航导弹也要求使用高精度陀螺(容许漂移误差一般为0.010/ll左右),而且要求体积小,重量轻。
光纤陀螺惯导系统完全可以满足其要求,此外,在综合孔径雷达、火力控制、高纬度姿势参考系统等都需要高精度的惯性传感器。
对陆军,陀螺可用于陆地惯性导航系统和惯性大地测量系统。
对海军,陀螺可用于一般军舰、攻击型核潜艇和弹道导弹核潜艇的惯性导航系统。
2.在航天事业的应用
在卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤惯导系引"】。
如卫星姿态的确定是卫星姿态控制的前提,在卫星上使用高精度光纤陀螺可以使三轴姿态的动态过程测量精度摆脱姿态敏感器带宽的限制,而且没有传统机械陀螺的维护难、稳定性差的问题。
在卫星上使用光纤陀螺进行姿态控制将是卫星姿态控制的一种趋势。
可以看出,光纤陀螺本身的优势使得光纤惯导系统成为强有力的竞争者。
3.在民用领域的应用光纤陀螺因其无可动部分,结构简单;启动时间短;小型,重量轻;功耗低
第一章绪论等优点,在汽车工业的领域中有很大潜力,如汽车自动导航系统,汽车姿态控制系统,汽车控制仪器等。
光纤陀螺还可用于列车导航中【l引,以光纤陀螺为基础的定位系统能够给出列车运行平面轨迹及列车前进过程中的速度、加速度、方位角、方位角速度、侧滚角,俯仰角等信息,这些信息通过天线发射到漏泄波导再传输到列车指挥中心,经中心计算机综合性的实时处理,然后再传至各次列车,供司机参考执行。
从而可以增加行车的安全度,缩短行车间隔时间,提高车速和运输能力。
此外,光纤陀螺还可用于民用运输机、客机、商船、客轮和石油勘察、钻井导向、隧道开掘机、机器人等,特别是在工业领域的应用具有极大的潜力【l91。
光纤陀螺的优点越来越多的显现出来,显示出强大的生命力。
光纤惯导系统正向两个方向发展一是向着惯性导航用的高精度方向发展,主要用于军事领域;二是向着低成本、军民两用的方向发展,在技术上和结构上做到集成化、微型化、低成本及高可靠性【20】。
1.4课题研究意义
5
光纤陀螺具有结构简单、无运动部件和磨损部件、精度高、动态范围大、寿命长、成本低且无激光陀螺的闭锁问题等优点,以光纤陀螺为核心部件构成的航姿参考系统、捷联惯导系统、组合导航系统等已在航空、航天、航海等诸多领域开始应用【8’2卜231,并逐步占据市场,因此光纤陀螺性能的提高也成为各研制单位的一项重要任务。
光纤陀螺在应用中最重要的是应保证所提供的技术指标在工程应用环境下保持稳定,尤其是保证陀螺的标度因数和零偏的稳定。
~个实际的光纤陀螺,是一个复杂的传感器,主要包括光路和电路两大部分。
随着研究的深入,发现光纤陀螺光路系统的各元器件的偏振特性对光纤陀螺的输出零偏和漂移有较大的影响,尤其是工程应用条件下,对陀螺性能的影响十分重要,成为不可忽视的问题。
光纤陀螺基于的基本理论是萨格奈克(Sagnac)效应,即当环形干涉仪旋转时,产生一个正比于旋转速率的相位差。
对于光纤陀螺的这种干涉式应用,要求两束波的偏振态相同,如果采用缺少偏振抑制的标准单模光纤,由于形状效应或寄生应力的影响,标准光纤具有残余双折射。
当光波传播时,这种双折射改变了偏振态,使输出偏振态在长时间周期上变得不稳定【81。
另外,还需要进行偏振控制以避免信号的衰减,这就增加了系统的复杂性和总体尺寸,因而需要采用保偏光纤,以获得高的对比度。
由此可见,光纤陀螺器件保偏能力的高低是陀螺性能的制约因素,对保偏光纤及其器件的偏振特性研究也就成为光纤陀螺研究领域不可或缺的重要环节。
6光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究
实际应用中,保偏光纤及其器件的参数受工作环境的影响,必然引入光纤陀螺的检测误差。
光纤环中存在两种正交偏振态,它们在传输过程中出现横向交叉耦合,使光纤环内沿顺时针和逆时针方向传播的两束光之间产生非互易性相移,寄生在由于转动引起的Sagnac相移中,构成光纤陀螺的偏振误差。
偏振误差是光纤陀螺的主要误差之一。
如果不加以补偿,它们会带来不可忽略的角速度误差,影响光纤陀螺的精度,也限制了其实用化的进程。
国内外大部分相关研究是对光纤陀螺误差的综合表象进行建模,很少研究工程应用条件下光纤陀螺光路系统偏振特性的数学模型。
我们以工程应用为背景,采用光的耦合模理论,对光纤陀螺光纤环的偏振特性进行深入的理论研究,为实际的工程应用提供理论依据,以便采取有效的措施来提高光纤陀螺的性能。
1.5论文主要内容
本论文共有六章:
绪论之后,第二章首先介绍了光学Sagnac效应原理以及光纤陀螺检测角速度的原理公式。
分析了光纤陀螺的互易性原理以及光路系统应满足的互易性条件。
接着对目前发展的几种光纤陀螺(干涉型光纤陀螺、谐振腔式光纤陀螺、受激布罩渊散射光纤陀螺)的工作原理及性能指标进行了说明,并通过综合分析这些性能指标,讨论了光纤陀螺在相应领域的应用。
第三章主要分析了保偏光纤的保偏原理,保偏光纤的结构与分类,并对保偏光纤的主要性能参数进行了讨论,为之后研究光在光纤中的传输特性提供理论基础。
第四章重点研究了部分偏振光的数学描述方法,并利用琼斯矩阵法和相干矩阵法建立了光在光纤中传输的数学模型,分析了光的偏振态的变化。
第五章分析了光纤中的偏振效应,讨论了非线性双折射的起因,采用耦合模理论分析了理想情况下,线偏振光在高双折射保偏光纤中的偏振特性,得出交叉相位调制引起的非线性相移对光纤陀螺角速度测量精度的影响;研究了偏振方向与双折射轴成任意角度时,不同的偏振方向、不同功率条件下保偏光纤中反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性。
第六章对全文进行了总结,获得了相关的结论以及对今后工作的展望。
第二章光纤陀螺的工作原理第二章光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应实现高精度旋转角速度测量的光纤角速度传感器。
本质上是,同一光路中沿相反方向传播的两束光之间产生的相位差正比于所绕轴的旋转角速率Q。
2.1Sagnac效应
7
Sagnac效应是1913年发现的【221,是一种与媒质无关的纯空间延时,从同一光源发出的光分束成两束相同特征的光在同一闭合光路中以相反的方向传播,最后汇聚到原来的分束点,当该环形光路相对于惯性空间静止时,顺、逆时针的光程是相等的。
但如果闭合光路所在平面相对于惯性空间存在转动动作,则正反两束光所传播的光程将不同,于是产生光程差,这就是萨格奈克相移。
采用多匝(Ⅳ匝)的光纤光路可以增强萨格奈克效应,加大萨格奈克相移,并使光纤陀螺的光路尺寸大大减小。
如图2.1所示。
探测器
图2.1Sagnae干涉仪示意图
为了更好的理解Sagnac效应,可以考虑一个简单的“理想”圆形光路的情形,如图2.2所示。
(a)系统静止(b)系统旋转图2.2光波绕“理想”圆形光路传播的Sagnac效应
8光纤陀螺中光纤环的偏振特性研究
从光源发出的光被分成强度相等的两束光后由M点进入环形光路,其中一束沿顺时针方向传播,另一束沿逆时针方向传播。
这两束光绕行一周后,又在M处会合。
假定环行光路中介质的折射率为1,环路相对惯性空间无旋转时,两束沿相反方向传输的光在绕行一周后所经历的光程相等,都等于环行光路的周长,即:
三洲=三咖=2nR(2.1.1)
这里,£。
w为沿顺时针方向光束所经历的光程,£。
。
w为沿逆时针方向光束所经历的光程。
这两束光绕行一周所花的时间也相等,都等于光程三除以真空中的光速co,
即:
f钾:
f硎:
一L:
一2rtR(2.11.2)f钾2
f硎2—2——U・・z,
COCO当环行光路以角速度Q绕垂直轴沿顺时针方向旋转时,这两束光绕行一周重新回到M点处所走的光程就不再相等了,同时它们所花的时间也不再相等。
沿顺时针方向传输的光绕行一周后到达M’点(M点旋转后的位置点)多走了Rf2tcw一段距离,其实际光程为:
Lc。
=2nR+Rfltcw(2.1.3)
绕行一周的时间为:
f鲫:
Lcw:
—2rtR+—RQtcv,
(2.1.4)C0C0
求解得:
f伽2:
而2nR
(2.1.5)沿逆时针方向传输的光绕行一周后到达M’点少走了尺Qfccw的一段距离,其
实际光程为:
t州=29R—ROt。
。
。
(2.1.6)绕行一周的时间为:
tccw:
一LCCW:
型盟(2.1.7)
COC0求解得:
‰2箍(2.1-8)
第二章光纤陀螺的T作原理9
两束沿相反方向传输的光绕行一周后到达M’点的时间差为:
△川洲一f硎2孺4rd22
Q(2.1.9)实际上,在通常情况下c;>>心Q)2,fifi以式(2.1.9)在工程要求的精度内可近似为:
△f:
_4nR2Q(2.1.10)
c6两
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