基于C-lens的光子带隙光纤准直器传输特性

研究了一种基于C-lens的光子带隙光纤准直器,由于光子带隙光纤准直器光纤端面没有反射,相比普通光纤准直器,其传输矩阵将发生变化。从高斯光束单透镜成像的一般模型出发,利用矩阵光学,在子午面和弧矢面推导了光线传输矩阵。结合实际应用中光子带隙光纤及C-lens透镜的参数,仿真分析了尾纤与C-lens透镜之间的间距及C-lens透镜的参数对工作距离和束腰直径大小的影响,理论得到了新模型下,光子带隙光纤准直器的出射光斑在子午面和弧矢面束腰直径和工作距离近似重合,相比普通光纤出射光斑的椭圆化程度小。研究结果对进行光子带隙光纤准直器及基于光纤准直器的光学器件设计与制作具有指导意义。     

一种新颖的微型化收发一体模块

光纤陀螺精度受温度、振动的影响较大.在分析了输入通道混偏型方案和全保偏型方案的局限性基础上,设计了一种微型化收发一体模块,将超辐射发光二极管光源、半透半反玻片、准直透镜、自聚焦透镜、PIN探测器和场效应晶体管电路集成在一起,采用系统内集成封装技术,封装内部抽真空.光在真空传播不产生双折射,因此避免了温度变化、振动等原因对系统精度和可靠性的影响,从而提高了光纤陀螺的整体性能.用光束扫描仪对Superlum公司生产的SLD-57-HP型光源建模,根据高斯光束的特性设计了光学系统,分析了菲涅尔反射损耗对其的影响,并用Zemax软件进行了仿真,其耦合效率为38.98%,远优于目前20%左右的耦合效率.     

光源光谱对干涉式光纤陀螺零漂的影响

以采用Y波导集成光学调制器的保偏型干涉式光纤陀螺(IFOG,Interference Fiber Optic Gyroscopes)为研究对象,根据各光学元器件的参数,建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,在此基础上进行了光路偏振误差的理论分析.通过推导,得到了保偏型干涉式光纤陀螺的偏振误差表达式.首次借助光源偏振度的改变,分析了不同形状的光源光谱对偏振模式耦合误差引起的陀螺零漂的影响.通过计算得出,当光源的偏振度在0~3%之间呈线性变化以及光路中其它参数不变时,谱宽较窄的光谱引起的零漂较大,谱宽较宽的光谱引起的零漂较小.仿真结果给光纤陀螺光源光谱的选择提供了理论依据.      

C lens光纤准直器点精度优化分析

利用矩阵光学理论中的传输矩阵法，给出了C lens结构参数与点精度之间的函数关系式.基于该公式，论文讨论了C lens透镜的光纤出射点到倾斜面的距离d、C lens透镜折射率nl、光端面和C lens端面倾角θ、球面曲率半径R以及长度L等结构参数变化时对点精度的影响，计算结果表明：在d固定的情况下，R和L的调整范围都较小，当d=0.2 mm时，R、L改变引起点精度的改变量分别为0.019°、0.03°，造成的原因是焦距f与nl、R、L有关，且互相制约，限定了R和L的调整范围，使得点精度改变也较小；当f分别取0 mm、0.1 mm和0.2 mm时，点精度分别为-0.493°、-0.257°、-0.03°，其原因是要有效地降低点精度，需要R、L、d中的任意两个参数改变；利用论文得到的计算公式可以分析不同类型的光纤准直器的点精度，并得出其点精度合适的优化途径.     

基于DSP的全数字闭环光纤陀螺

介绍了一种采用DSP(Digital Signal Processor)技术实现的全数字闭环光纤陀螺.该闭环光纤陀螺采用以多功能集成光学器件为核心的全保偏结构,以方波为偏置调制,数字阶梯波反馈.文中对该闭环光纤陀螺的前置放大、信号检测、数字解调、数字滤波等部分进行了设计和实现,对采用DSP技术解决系统精度和实时性矛盾的方案进行了讨论,并对闭环光纤陀螺的性能和参数进行了理论分析和实验测试.测试结果表明系统达到了小于0.3/h的零漂和100×10^－6的非线性度指标.     

光纤陀螺光纤环Shupe误差的多参数影响仿真分析

在光纤陀螺Shupe误差数学离散公式的基础上,建立四极对称法绕制光纤环的有限元模型,分析多材料组成下的光纤环在仿真时所需的综合物性参数.结合光纤陀螺工作环境的载荷和边界条件,对某型光纤环进行数值仿真,定量分析了光纤陀螺在工作温度下光纤环的Shupe误差,验证了模型建立的正确性.在此条件下,分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响.结果表明:通过增加绕制层数,提高导热系数,合理布置热源,可以明显抑制光纤环的Shupe误差,从而提高光纤陀螺的温度性能.      

光纤陀螺磁敏感性的试验研究

光纤环是光纤陀螺的敏感部件.除Sagnac效应外,磁光法拉第(Faraday)效应也是光纤陀螺中实际存在的非互易效应.磁光法拉第效应是由于光纤制作工艺和光纤环绕制过程中存在的剩余双折射和光纤扭曲产生的,会在陀螺输出零位中附加一个固定偏置.借助有限元分析法,推导了微段光纤磁光法拉第效应的琼斯矩阵;建立了光纤环受磁场影响的数学模型;采用亥姆霍兹线圈进行了试验验证.试验结果证明了光纤陀螺磁敏感轴是存在并且可以确定的,提出了降低陀螺受磁场影响的具体措施.     

数值模拟激光测振在光纤陀螺设计中的应用

应用有限元单元法对光纤陀螺结构进行了振动摸态仿真,利用Polytec-PS200激光测振仪实现了陀螺的高精度测振.发现振动环境中结构的共振是影响陀螺精度的主要因素之一.验证了合理的结构可有效地提高光纤陀螺在振动环境中的精度——优化后的陀螺在相同振动环境中零漂减小了65％.      

数字闭环光纤陀螺振动误差分析

光纤陀螺的振动误差直接影响其使用精度.为解决振动问题,分析了陀螺振动特性的主要误差源.推导了闭环光纤陀螺光功率和输出关系的表达式,得出了光纤缺陷以及光纤、器件尾纤受振动产生寄生应力导致传输光偏振性能和光强变化是引起振动误差的根本原因的结论;对陀螺振动性能受结构谐振的影响进行了有限元分析和试验验证;提出了改善光纤陀螺振动性能的具体措施,包括光纤环及尾纤固化工艺、优化结构设计以及改进闭环控制.结果表明,经改进后的陀螺,振动条件下其动态精度接近静态指标,满足使用要求.      

光纤陀螺系统热建模及仿真

在热状态方程的数学离散的基础上,从系统的角度出发,建立某一高精度光纤陀螺的热模型,介绍光纤陀螺电子系统热模型的建立过程,包括结构体几何模型的建立、内部热源模型的建立以及热敏光纤环体模型的建立.模型建立的方法不仅适用于研究对象,对于结构和组成类似的其他类型的陀螺也是适用的.并通过稳态热仿真研究了系统内热点分布及温度场分布;瞬态仿真分析了陀螺在常温(25.6℃)、低温(-40℃)以及高温(+60℃)环境下,启动过程中陀螺内部温度的变化,实验测试对比分析验证了模型的正确性.在此基础上得出了几个有意义的结论,这将有益于高精度光纤陀螺的工程化.      

光纤陀螺随机误差模型分析

陀螺仪的工作精度决定着惯性参考系统的精度,为了减小陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估计与精确建模.提出应用ARMA,Allan方差分析法及功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)分析法联合对光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)的误差特性及建模技术进行了研究.利用Allan方差及PSD分析法对光纤陀螺输出信号的分析,有效地分离并确定影响光纤陀螺输出性能的几种主要随机误差源,并对所建立的光纤陀螺ARMA模型和AR模型的精度进行了评估.对光纤陀螺实测数据的分析表明Allan方差分析法与PSD分析法对光纤陀螺噪声分析结果具有一致性,时序ARMA模型是建立光纤陀螺随机误差模型的一种有效方法.      

光纤陀螺用超宽谱光源的铋/铅共掺光纤的制备与光谱特性

由于具有质量轻与成本低等优点,光纤陀螺正在被广泛应用,而光源光谱的特性在很多方面又影响着光纤陀螺的性能。利用新型光纤制备技术,制备铋/铅共掺石英光纤,测试分析其吸收光谱与发光特性。用980nm与830nm双泵浦光激发,超宽带荧光光谱范围可覆盖1000~1700 nm,相比单泵情况,光谱大大拓宽。10dB带宽的光谱达到了650nm,光谱比较平坦,可以满足超宽带平坦光源的需要,并可作为超宽谱光源的理想增益介质。对应用于惯性导航系统、光纤陀螺传感器(Fiber Optic Gyroscopic Sensor, FOG)、光学相干断层扫描系统(Optical Coherence Tomography, OCT)与医学成像的超宽谱光源进行研究,具有非常重要的实际应用与战略意义。     

基于掺铒超荧光光纤光源的高精度光纤陀螺

针对高精度光纤陀螺的需求,采用一种在1?550?nm波段长波反射的截止型薄膜滤波器研制出高性能的掺铒超荧光光纤光源,通过仿真确定了滤波器的特征参数,在-40℃~+60℃的温度范围内,光源中心波长稳定性为2.58×10^-6℃,输出功率稳定性优于1％.研究了这种光源的强度噪声,并采用一种噪声相减技术对光纤陀螺的噪声进行抑制,光纤陀螺的随机游走系数减小约20％.在此基础上,研制出高精度闭环全保偏光纤陀螺样机.Allan方差分析显示,研制出的样机零漂为0.004?5(°)/h、随机游走系数为0.003?5(°)/h ^{1 2} 、标度因素误差小于11×10^-6,已能满足高精度陆用惯性系统的要求.     

数字闭环光纤陀螺动态特性测试研究

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的新型角速度传感器,带宽远大于机械陀螺,不能用传统机械设备测试其动态特性. 根据全数字闭环光纤陀螺采用数字阶梯波反馈实现闭环工作原理,通过在集成光学调制器上叠加信号,用阶梯波引起的相位差代替外加角速度引起的相位差,设计了动态特性的数字测试方法. 从系统传递函数的推导中得到此方法的等效性, 并实测光纤陀螺的阶跃响应和频率响应,初步得到光纤陀螺带宽超过2kHz的结论.      

光纤陀螺中保偏光纤60 Co辐照效应及光褪色特性

从光纤陀螺空间应用的角度出发,利用60Co辐照源模拟空间辐照,对光纤陀螺中的主要部件保偏光纤环进行了不同剂量率的辐照实验,得到了保偏光纤的辐照效应.并且利用大功率半导体激光器对保偏光纤环进行了光褪色实验.实验证明,辐照条件下,保偏光纤损耗增加;剂量率越大,损耗增加越快;总剂量越大,损耗越大;采用大功率半导体激光器对保偏光纤环进行光褪色,可以减缓辐照环境下光纤的损耗增加量,而且激光器功率越大,光褪色效果越明显,可将其用到光纤陀螺中作为其空间应用的抗辐射加固措施.      

弹载微小型化三轴一体光纤陀螺组合设计

为满足新一代导弹用三轴一体光纤陀螺组合高精度、集成化、高可靠等技术要求,通过采用光学及电子元器件系统级封装技术（System In a Package,SIP）实现陀螺敏感组件模块化设计,采用陀螺敏感组件热隔离设计等方法,在优化三轴一体光纤陀螺组合返修性和总体设计接口适配性的前提下,提高了产品角速度测量性能指标。产品实测零偏稳定性达到0.037o/h,冲击振动及温度环境适应性优异,并与导弹飞行控制系统集成实现光电探测、惯性导航及姿态控制等功能。     

红外动态目标模拟器光学系统的设计

设计了一种用于红外导引头性能测试的红外动态目标模拟器,利用数字微镜阵列(DMD)对黑体红外辐射进行反射调制,并由光学准直系统实现红外场景生成系统与红外导引头的光学耦合。用光学设计软件（ZEMAX）对准直光学系统进行了设计和优化,准直光学系统成像质量良好,接近衍射极限,点列图直径小于艾里斑直径,畸变小于0.1%。结果表明该系统环境适应性强,能很好地用于红外导引头动态图像的校准。