光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期：（）光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计常扬，傅军，宁治文，吴力华，黄宇（海军工程大学电气工程学院，湖北武汉；海军工程大学电子工程学院，湖北武汉；天津海关科技处，天津）摘要：扁平式光纤陀螺的合理光纤环设计对提高小型化程度和精度具有重要现实意义。提出了嵌套式多层多匝光纤环设计思路。首先，介绍了光纤陀螺仪小型化设计途径、嵌套式多层多匝光纤环的设计结构与原理。其次，对光纤环进行了建模计算和模拟仿真。结果表明：嵌套式多层多匝光纤环可以在扁平式光纤陀螺同样空间和布局内增加更多的光纤长度，从而比一般光纤环有更高的检测精度，仿真出的精度提高的范围在 之间。仿真表明，零偏漂移也有一定提高。在相同精度要求情况下，嵌套式多层多匝光纤环可以将扁平式光纤陀螺尺寸设计的更小，高效利用空间。关键词：光纤陀螺仪；光纤环；嵌套式；小型化；效应；零偏稳定性中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；引言随着无人机、智能机器人等新型科技迅速发展，对陀螺仪小型化提出更高的要求。因干涉型光纤陀螺（，）拥有灵敏度高、无转动部分等优势，中等精度、小型化、轻型化颇具发展潜力。在小型化设计中，缩短光纤环长度和内径是减小尺寸的最重要方式，但光纤环长度和内径的减小，陀螺测量精度和零偏稳定性也会变差。当前国内小尺寸产收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）品化，光纤环长度可达，内径可达，高度可达。清华大学提出的多次循环，扩大光程，达到了提高灵敏度、抑制误差的效果。由此得到启发，改进光纤环的光程，将对陀螺小型化的改进起到意想不到的效果。在特殊空间条件下为了压缩空间，需要用到扁平式光纤陀螺。扁平式小型光纤陀螺光纤环内部空间设计还不够完善，其光纤环只是一个环状体，内部结构是空的，一定程度上浪费了内部空间。本文提出了嵌套式多层多匝光纤环，将若干个内径不第期常扬，等：光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计同的光纤环组合成一体，以嵌套的形式将几个小光纤环内外叠加，从外层到内层直径逐渐减小，形成一个完整的集成化光纤环，实现扁平式进一步小型化。基本原理基于效应如图，假设运载体逆时针旋转，为运载体运动前光波开始传播的位置，为运载体运动过程中光波传播一圈返回起点发生干涉的位置，由于运载体的转动，光波顺时针和逆时针传播经过的路程不等。tcwtccwRSS图 效应原理 设光纤环敏感线圈匝数为，半径为，长度为，其中。则光波沿光纤环顺时针传播所用的时间可表示为（）式中 为光波在真空中传播速度，为运载体旋转的角速度。光波沿光纤环逆时针传播所用的时间可表示为（）光波沿光纤环顺时针传播和逆时针传播的时间之差，即渡越时间可表示为（）束光波传播产生的相位差可表示为（）式中 为光源发出光波的波长，为光纤环的平均直径，且。是通过测量相位差实现对角速度的测量，相向传播的束光波在光纤环线圈中累积相位可达，由上式可知，在一定的旋转角速度情况下，由于光纤环内径不同，产生的渡越时间和相位差也不同。嵌套式多层多匝光纤环设计方法在工程实际中，光纤环径向截面尺寸对陀螺性能影响较大，光纤环径向截面如图所示。hl图光纤环的径向截面 光纤环截面高度与宽度比是光纤环的关键设计参数，。由于温度和力学环境的适应性，每个光纤环的不能过大也不能过小。一般高度与宽度比在 之间，比值过大或过小会造成较大热扰动和效应误差。若要陀螺具有较好性能，每个小光纤环的截面高度与宽度应折中选择，不能无限增加。由于特殊空间环境需要，扁平式光纤陀螺一般高度较低，陀螺直径较大，安装在其他惯性器件底部或侧端，由于的限制，光纤环的高度与宽度一定，不能超过。为了满足精度，只能在光纤环骨架设置在靠近壳体一端，浪费了内部空间。嵌套式多层多匝光纤环可解决此问题，结构如图所示。tcwtccw光纤环 5光纤环4光纤环 3光纤环 2光纤环 1图嵌套式多层多匝光纤环结构 不同直径的若干小光纤环从内到外嵌套组合，每个小环缠绕成多匝多层结构。每个小环截面高度与宽度均折中选择，不变，保持每个环良好性能。每个小环独立封装，温度学和力学适应性互不影响。将每个小环尾纤相连，组成集成的大光纤环。集成大光纤环既具有每个小环的热膨胀性能，又增加了总长度，节省陀螺空间。嵌套式多层多匝光纤环可由不同环数目组成，最少个，无上限数目，可根据环内空间大小以及光纤环间距具体确定，每个小环选择相同保偏光纤以及尾纤连接材料。环间距一般间隔。每个小环采用多层多匝互易性结构设计，最内侧小环的内径不宜过小，最小内径为，否则会使陀螺检测精度变得过小。众所周知，光纤陀螺温度性能与绕制方法、绕纤精度、固化胶体以及骨架材料、环境温度场等多种复杂因素有关，目前最有效方法是采用精密对称绕法抑制效应。光纤陀螺中通常采用四极对称绕法。在本文中，使用非理想四极对称绕法来减小温度变化和振动引起的误差。由于光纤环对称性对陀螺漂移的影响，温度扰动变化造成的非互易误差与环中温度变化率成正比，且距离环中点越远，影响越大。本文设计减小了非互易性造成的热误差，每个小环的非理想四极对称绕法的层坐标如下（）（），（），（）（）（），（），（）式中 为第个小光纤环的层坐标，为第小光纤环的半径。由最内侧环圈中点，作为敏感线圈中点，离光纤环中点等距部分缠绕在一起，每个小环各部分有对称点，且距离中点等距部分相同，缠绕在一起。小环尾纤相连，尾纤连接采用跳线架跳接，同时应用聚氯乙烯（）保护传 感 器 与 微 系 统第卷套，有效保证尾纤连接安全，减小损耗。嵌套式多层多匝光纤环比一般光纤环具有更大优势，内部的光学器件紧凑设置在环之间。在相同光纤环长度要求下，嵌套式多层多匝光纤环由于内外相嵌套的环数较多，最外层半径小，占用空间小，减小陀螺体积。在相同尺寸要求下，嵌套式多层多匝光纤环由于内外环数增多，光纤长度增大，提高了陀螺测量精度和零偏稳定性。嵌套式多层多匝光纤环设计原则嵌套式多层多匝光纤环基于效应。光源发出的光，首先经过光路的传播到达光纤环。到达光纤环的光信号，被分成路。一路光信号进入最外侧小环在奇数层顺时针传播，在最外侧小环奇数层旋转圈后由尾纤连接部分进入外侧第个小环奇数层继续传播，沿顺时针传播圈后，进入外侧第个小环奇数层，以此类推，直至传播到最内侧小环奇数层圈后，再由内到外沿各个环偶数层以此传播，最终返回到起点。另一路光信号，首先进入最外侧小环奇数层并进行逆时针传播，在最外侧小环奇数层旋转圈后，由尾纤连接部分进入外侧第个小环奇数层继续传播，沿逆时针传播圈后，进入外层第个小环奇数层，以此类推，直至传播到最内侧小环奇数层圈后，再由内到外沿各个光纤环偶数层以此传播，最终返回到起点。束光经过各自路径返回起点发生干涉，如果运载体静止不动，则干涉发生在起始点不变。若运载体沿某一方向旋转，则束光发生干涉之前经过的路程不同，存在渡越时间和相位差，通过检测相位差即可得到运载体旋转角速度。嵌套式多层多匝光纤环中，设每个小光纤环敏感线圈的匝数为，所用小光纤环个数为，小光纤环由外到内的直径分别为，长度分别为，在由外到内的光纤环中，光信号顺时针传播所用的时间依次为（）光信号顺时针传播所用的总时间为（）光信号沿由外到内的光纤环顺时针传播所用的时间可依次为（）光信号逆时针传播所用的总时间为（）光信号沿光纤环顺时针和逆时针传播的时间之差，即渡越时间可表示为（）由渡越时间可求得两束光波相位差，由相位差即可求得旋转角速度。存在一定旋转角速度情况下，由于小环个数不同、每个小环层数匝数不同、每个小环内径不同、小环之间的距离设置不同等因素，所产生的渡越时间和相位差也不同，需要根据实际情况设计旋转角速度计算方法。由于使用多层多匝的模型，可能出现偏振串音误差问题和小环圈尾纤走向问题等，对于此问题，可以进一步改善提高。性能仿真分析由于实验条件的限制，不能进行实验验证，在此进行性能仿真计算分析。在检测角速度时，会受到测量极限的限制，存在陀螺最小测量角速度，考虑相位偏置为，忽略暗电流的情况下，陀螺最小测量角速度即为理论角速度检测精度。根据现有的光纤陀螺模型，陀螺角速度检测精度可表示为（）槡（）式中 为探测器的线性响应度，为光源尾纤输出功率，为陀螺输出计数带宽，为光源的带宽。由上式可知陀螺角速度检测精度与光纤环线圈的总长度成反比，与光纤环平均直径成反比。设计一种陀螺角速度检测精度对比方案。通过设置光纤环长度和平均直径，模拟仿真嵌套式多层多匝光纤环最外层光纤环和一般光纤环在相同光纤环线圈长度、直径情况下的性能，对比二者陀螺角速度检测精度。参考现有小型化陀螺产品光纤环参数以及小型化发展趋势，选取光纤环长度范围在 范围内，选取光纤环直径在 范围内。设置嵌套式多层多匝光纤环的最外层长度和一般光纤环长度相同，分别为，。设置嵌套式多层多匝光纤环的最外层光纤环平均直径和一般光纤环平均直径占用相同的体积，即嵌套式多层多匝光纤环最外侧小环直径和一般光纤环的平均直径相同，分别为，。方案中设置陀螺参数为一般常用典型光学器件参数，光源的带宽取，取 ，取，取，取。根据以上模型，代入设置的参数，一般光纤环的陀螺角速度检测精度仿真如表。表一般光纤环陀螺角速度检测精度仿真结果光纤环长度 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）由表可知，在一定范围内，一般光纤环随着增大或增大，陀螺角速度检测精度逐渐减小。嵌套式多层多匝光纤环内部分别嵌套若干小环，设置如下：最外层直径为 的小环分别嵌套，个小环，最外层直径为 的小环分别嵌套，个小环，最外层直径为的小环分别嵌套，个小环，最外层直径为 的小环分别嵌套，个小环，最外层直径为 的小环嵌套 个小环。设每个小光纤环的第期常扬，等：光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环设计长度均相同。仿真结果如表。表嵌套式多层多匝光纤环陀螺角速度检测精度仿真结果最外层光纤环长度 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）通过对比表和表，绘制折线图如图、图。00.020.040.060.08角速度检测精度/(（）h-1)L=50?m L=180?m L=300?m L=500?mD=15?mD=20?mD=30?mL=800?m L=1?000?mL=2?000?mD=40?mD=50?m光纤环长度/m图一般光纤环陀螺角速度检测精度折线00.010.020.030.04角速度检测精度/(（）h-1)L=50?m L=180?m L=300?m L=500?mD=15?mD=20?mD=30?mL=800?mL=1?000?m L=2?000?mD=40?mD=50?m0.05最外层光纤环长度/m图嵌套式多层多匝光纤环陀螺角速度检测精度折线 通过对比图和图可知，嵌套式多层多匝光纤环最外侧小环直径和一般光纤环的平均直径、每个光纤环长度相同情况下，在忽略光纤连接损耗的前提下，嵌套式光纤环可以增加几倍的光纤长度，从而使扁平式光纤陀螺的角速度测量精度较一般光纤环提高了约 。若考虑到各个光纤环连接处的损耗，精度会有所降低，所以改善工艺水平和光纤连接技术可进一步提高本设计的精度。因此，扁平式光纤陀螺设计成嵌套式多层多匝光纤环，陀螺具有比一般光纤环较高的检测精度。同理，在测量精度相同的情况下，扁平式光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环占用更小体积，有利于扁平式光纤陀螺小型化。结论首先，介绍了光纤陀螺小型化设计途径、扁平式光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环的设计结构、原理。然后，对光纤环进行了建模计算和模拟仿真，通过对比嵌套式多层多匝光纤环和普通光纤环的误差指标，结果表明：扁平式光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环可以在同样空间和布局内，增加更多的光纤长度，从而比一般光纤环有更高的检测精度。由仿真可得，精度提高的范围在 之间。对特殊空间环境要求的扁平式光纤陀螺应用具有参考价值。在相同精度要求的情况下，扁平式光纤陀螺嵌套式多层多匝光纤环可以将尺寸设计的更小，高效利用空间。参考文献：薛连莉，陈少春，陈效真 年国外惯性技术发展与回顾导航与控制，（）：韩松延，胡宗福谐振式光纤陀螺的信噪比研究半导体光电，（）：薛冰，张卫平，王子杰，等多环谐振式微机械陀螺频率跟踪电路研究半导体光电，（）：毕军利，张军芳光纤陀螺小型化技术研究数字通信世界，（）：傅军