导航级干涉型光纤陀螺仪的性能进展_周世勤

导航级干涉型光纤陀螺仪的性能进展

摘　要　过去Litto n公司报导过温度范围在-55～74℃的动态环境中,曾达到0.0027(°)/ h的角随机游走,0.0092(°)/h的偏值不稳定性,9.2ppm的标度因数误差和0.381/s的输入角对准误差。这些仪器中,陀螺仪环圈外径小于7.62cm,高不到2.54cm。本文报告了Lit ton公司导航级干涉型光纤陀螺仪(I FO G)的技术新进展。叙述了利用低双折射网和保偏网的I FO G光学结构,讨论了I FO G因热感应和磁感应造成误差的主要来源,并提供了导航级IFO G的最新数据。

主题词　干涉型光纤陀螺仪(IFO G) 导航级光纤陀螺仪 误差 热偏值 角随机游走(A RW) 磁偏值误差 *偏振非互易性(PN R)

1　概述

20多年来,干涉型光纤陀螺仪已从实验室中的新产品发展成为可以投产、可靠且低成本的仪器,成为旋转传感市场上许多不同应用中的机械式和环形激光陀螺仪(RLG)的有力竞争产品。战术级干涉型光纤陀螺仪已投产若干年了。三年前报导过Litto n公司的IFOG首次达到了导航级性能。在这些报导中,我们的IFO G偏值性能达到0.01(°)/h,动态温度环境扩大到-55～71℃,温度变化率为0.5℃/min,直接从陀螺仪的传感环圈中测得。我们还第一次报

导了标度因数性能优于 1.0ppm和输入轴对准性能优于0.51

s

(在同样温度范围内)。在动态

温度环境中,达到这样先进的偏值、标度因数和输入轴对准性能,是因为采用了有1km长光纤的传感环圈的仪表,它装在直径小于7.62cm的组合内。因此,与导航级应用中的机械式和环形激光陀螺仪相比,它在尺寸上很有竞争优势。

本文中,我们将报导导航级IFOG取得的进展。将首先分析IFO G在动态温度环境中性能的误差源。第二部分讨论在环圈中,随时间变化的温度扰动造成的偏值误差和“Shupe”偏值误差。第三部分讨论偏振非互易误差(PN R)。第四部分简单地讨论一下降低偏值磁灵敏度的问题。第五部分叙述导航级IFOG这种光学结构的仪器以两个网络为基础,第一个网络由低双折射光纤和低双折射器件构成;第二个网络只由保偏光纤和保偏器件构成。第六部分给出了这种仪表测得的最新数据。第七部分是结论。

2　由于随时间变化的温度扰动而造成的偏值误差

2.1　背景

自从Shupe发表论文讲述了由于传感环圈内因温度分布变化不对称而造成旋转角误差以后,许多工作人员都想方设法减少不对称性。Shupe建议采用折射指数温度系数低的玻璃纤维,他还建议采用一种环圈缠绕方法,即让光纤与相邻的环圈中点保持同样的距离。Frigo 讨论了几种偏值补偿技术,包括:保护环圈不受温度变化的影响(假设用绝缘方法),选择热膨胀和折射指数温度系数低的玻璃,在环圈中放入导热率高的材料,通过改变、温度“减短”环圈的方法减少热梯度。他证明了环圈半径上的温度为线性时,与“简单”缠绕(光纤一头位于内半径,一头位于外半径)相比,对称缠绕和四极缠绕减少偏值误差的效果好。我们定义简单缠绕的Shupe偏值与改进缠绕的偏值的比为改进比(IR)。Ruffin考虑了高频效应或温度变化

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的不确定部分。他们测试了两种光纤的消光比和环圈消光比和噪声。他们还简单分析了应力效应是如何加剧因折射率和长度方向上的温度变化造成的偏值误差。我们在上一次的论文中简单地给出了Shupe偏值误差的总的表达式。通过展开泰勒级数,在所有光纤部分中,光路长度随时间而改变,证明了由于Shupe偏值积分中平滑时间导数下降,改变了对相移的影响。Ruffin试验了两种不同的200m光纤长的环圈,一种为简单缠绕,一种为四极缠绕。简单缠绕的Shupe偏值为25(°)/h(℃/min),四极缠绕的测不出来。结论是四极缠绕法显然先进得多,但简单缠绕适用于许多低精度的应用。Lofts分析并且实验了四种200m光纤长的横截面基本相同的环圈,其中两个为简单缠绕,另两个为四极缠绕。温度瞬变由轴套中的加热带引入。两个四极缠绕的IR约为50。他们记录了熊猫(Panda)型和椭圆芯型(E-Co re)光纤的环圈。M ohr研制出温度相对于半径和环圈内时间的“等效电路”模型,精确地叙述了外半径处测得的温度,沿半径向内和向外传递的温度造成Shupe偏值不同的现象也记录下来,并与理论值相符。他们对1000m和100m环圈进行了实验。四极缠绕的1000m环圈(56层)的IR为480,100m环圈(12层)的IR为50。研究环圈形状时,Moh r证明,径向热流下,48层的扁平环圈的IR为800,而沿半径温度降低相同的同样长度的12层环圈的IR只有50。但是,随着层数的增多,径向的温度将会变大,从而减少48层环圈的优势。

2.2　简单的不对称准则

如上所述,Frig o讨论了几种减少IFO G环圈热不对称性的实用方法,定义和分析了三种可能的缠绕方法:简单缠绕,对称缠绕(环圈交变层从光纤的交变端开始缠绕),四极缠绕(环圈的交变双层从光纤的交变端开始缠绕)。计算了对称缠绕和四极缠绕方式在径向温度变化下的IR值并发现IR值与层数M有关,对称缠绕与层数M有关,四极缠绕与层数M2有关。由于光纤直径在165～250μm之间,所以达100层(约20mm环圈半径)是可行的,这时对称缠绕的IR值为102,四极缠绕的IR值为104。一般情况下,四极缠绕的IR值不会大于这个数。有两个原因,第一个原因是IR值在温度分布随环圈半径线性变化时达到最大值,当温度沿径向以多项式形式分布,或实际上更高时,IR值不可能这么大。第二个原因是实际环圈缠绕会有偏差,要想达到最大IR值,必须减少位置偏差。

设计IFO G环圈时,用一条简单的右手规则,把Shupe惯性误差角与环圈中光纤的对称性相联系是很重要的。如果温度变化分布比较一致,有效系数的平均值应为1/2。这时的平均Shupe误差角为:

θE(t)≈n c ΔX m(t)

2〈r〉

(1)

…………………………………………………

因为n c/2约为1,Shupe总误差角约等于光纤中点因热现象造成的绕环圈轴的转动角。

式(1)中的右手定则在评估不同的环圈设计达到的绝对称中很有用。假定工作时刻t时的Shupe误差角为1°(π/180°),n c为1.47,〈r〉为0.03m,那么可以通过解式(1)估计出光纤中点位移ΔX m:

ΔX m(t)≈2〈r〉θE(t)

n c

=

2(0.03)(c/180)

147

=0.0007m(2)

……………………

或0.7mm。如果在L=1000m的环圈中得到这个结果,那么绝对不对称性为ΔX/L= 0.7ppm。如果工作中温度变化为100℃,d n c/d T=10-5/℃(如在熔融石英中),那么光长变化的总的小数部分约为1000ppm,而且,中点位移小数部分与总的热扰动(或与“热不对称性”相关的不对称)为:

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