气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响及改进

闾晓琴，黄鑫岩, 高 峰，王学锋

气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响及改进

闾晓琴，黄鑫岩, 高 峰，王学锋

（北京航天时代光电科技有限公司，北京 100091）

研究了气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响，提出了降低光纤陀螺仪气压灵敏度的设计方法。理论分析并实际测量了气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性的影响，试验研究了光纤环浸胶固化和密封这两种降低光纤陀螺仪气压灵敏度设计方法的有效性。结果表明，变气压条件下光纤陀螺仪的零偏稳定性劣化1～2个量级，对光纤环浸胶固化后，光纤陀螺仪的气压灵敏度减小1倍，可以在一定程度上减小空气的扰动，改善气压变化对光纤陀螺仪的影响。而对光纤陀螺仪进行密封设计是一种更有效的措施。对光纤陀螺仪进行密封设计后，光纤陀螺仪的气压灵敏度为零，光纤陀螺仪零偏稳定性基本不受变气压环境的影响，解决了光纤陀螺仪受气压变化影响精度的问题。

光纤陀螺仪；变气压；零偏稳定性；密封；光纤环；胶固技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态惯性仪表，作为一种惯性仪表，具有传统机电仪表所不具备的优点。它是由光学和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，因此在结构上它是完全固态化的陀螺，没有任何运动部件，具有可靠性高、寿命长、带宽大、启动快、环境适应性好、生产工艺性好等优点。正是以上原理和结构上独特的优势，使得光纤陀螺在许多应用领域具有明显的优势。

光纤陀螺仪正逐步应用于各种导弹武器及空间飞行器[1-3]，某些任务的工作环境中存在气压急剧变化的情况，若不采取任何措施，会导致光纤陀螺仪的零偏漂移，严重影响光纤陀螺仪的零偏稳定性。

外界环境中的盐雾、水汽等进入陀螺内部，也会导致光纤性能加速退化、寿命缩短，严重情况下会使其断裂失效。在实际应用中，光纤从拉丝塔下来后，其表面不可避免地会存在一些微裂纹，陀螺正常装配过程中也会形成的微伤痕，这些微裂纹会不断生长，最终导致光纤开裂、断裂失效，这是光纤均匀失效的主要模式，这些微裂纹的生长速度决定了光纤陀螺的寿命。除了应力导致光纤表面微裂纹扩大外，光纤所处环境的湿度或水汽含量越大，微裂纹生长越快，光纤失效的越快。另外，在水汽及盐雾、酸碱性气体的作用下，Y波导铌酸锂晶体的电光系数也会发生加速退化，导致半波电压增大，严重情况下可能引起Y波导的调制功能失效，从而导致陀螺失效[4-5]。

1 气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性影响的理论分析和试验研究

光纤陀螺仪光路主要由光源、耦合器、Y波导、光纤环和光电探测器组成。从光源发出的光经2×2单模光纤耦合器进入Y波导，光在光纤环中沿相反方向传播，然后回到Y波导的合光点上发生干涉，干涉光波再次经过2×2单模光纤耦合器，到达探测器。当光纤陀螺绕光纤环轴向旋转时，由于Sagnac效应，两束相向传播的光束之间将产生光程差，进而产生相位差，形成干涉。通过光电探测器检测干涉光强的变化就可以测量出转速[1-2]。

光纤环是光纤陀螺仪敏感角速度的关键部件，它采用几百米至几千米的光纤绕制而成。光纤环对热流以及气压变化敏感，这是因为光纤环绕制完成以后其内部包夹着一定量的空气。

气压变化会在光纤环上产生应力。外部气压变小，光纤环内部的空气会从光纤的缝隙中冲出环外，外部气压变大，环外的空气会冲进光纤的缝隙中，这会在光纤环上产生应力，导致光纤环内部的应力分布发生变化，产生弹光效应引起光纤折射率的变化。光纤环每一点的折射率随时间变化，而两束光波经过该点的时间不同（除了光纤线圈中点），它们所经历的光程也不同，从而产生相位差，引起光纤环的非互易相移，这个非互易相移与旋转引起的萨格奈克相移无法区分。

另外气压变化会导致光纤环的温度场发生变化。气压变化，空气和热流进出光纤缝隙，导致光纤环的温度场发生变化。光纤环每一点的温度随时间变化，而两束光波经过该点的时间不同（除了光纤线圈中点），它们所经历的光程也不同，从而产生相位差，这种现象也称为shupe效应[6]。Shupe效应产生的非互易相移与旋转引起的萨格奈克相移无法区分。

假设光纤长度为L，到线圈分束器距离为z的一小段光纤δz所经受的应力和温度变化率分别为ddPt、ddTt，光纤的折射率随应力和温度的变化分别为ddnP、ddnT，在某一时刻，顺时针传播的光波在光纤段δz上产生的相位变化为

式中，n为光纤的有效折射率。经过一段时间后，由于气压变化引起的温度场和应力变化，该段光纤的折射率发生了变化，逆时针传播的光波在光纤段δz上产生的相位变化为式中，dt表示顺时针和逆时针光波到达光纤段δz的时间差。由两式相减可以得到光纤段δz上的由于气压变化引起的相位误差为

对上式积分可以得到总的相位误差：

利用Sagnac效应可以进一步得到气压变化引起的光纤陀螺仪零偏漂移为

采用二极对称绕法或四极对称绕法绕制光纤线圈可降低光纤陀螺中shupe效应导致的相位误差，但是不能完全消除这种误差。

图1是某光纤陀螺仪在变气压过程中的输出，常温下此光纤陀螺仪的零偏稳定性为0.009 (°)/h。从图1可以看出，30 min降气压变化过程中，零偏漂移达到0.5 (°)/h。变气压条件下光纤陀螺仪的零偏稳定性比常压条件下劣化了1～2个量级，气压变化对光纤陀螺仪输出影响很大。

2 降低气压灵敏度的设计及试验验证

为了减小或避免外界气压变化对光纤陀螺仪精度和可靠性造成的影响，分析认为可以采取两个措施。

第一个措施是对光纤环进行浸胶固化[7-10]。浸胶是指将胶粘剂均匀的渗透到光纤环的线圈之间，然后固化，光纤环浸胶以后固化胶取代光纤环内部的空气均匀分布于光纤的间隙之间，因此浸胶可以在一定程度上减小空气的扰动，改善气压变化对光纤陀螺仪的影响。但是对光纤环进行浸胶固化会给光纤带来新的应力，主要包括固化过程产生的收缩应力、环境温度变化产生的热应力、粘结作用力产生的粘结应力等。而光纤是一种应力敏感的材料，外部应力的作用会改变光纤内部结构的应力分布，引起光纤折射率的变化，导致传播光的相位和强度发生改变，使光纤环的输出产生非互易相移。

图1 某光纤陀螺仪降气压过程中零偏漂移Fig.1 Bias drift of FOG in variable air pressure

第二个措施是对光纤陀螺仪进行密封。对光纤陀螺仪进行密封设计不但可以杜绝空气的扰动，避免气压变化对光纤陀螺仪精度的影响，同时还可以延长光纤陀螺仪的贮存寿命，提高可靠性。

图2是对光纤环进行胶固后，变气压环境下的光纤陀螺仪零偏变化。从图2可以看出，30 min降气压变化过程中，零偏漂移幅度减小。试验结果表明，光纤环浸胶可以在一定程度上杜绝空气的扰动，改善气压变化对光纤陀螺仪的影响。

针对此光纤陀螺仪的结构设计特点，对光纤陀螺仪的结构进行改进设计，在陀螺法兰和陀螺上端盖、下端盖、电连接器的装配面设计密封圈，并采用玻璃封接电连接器的方式对陀螺进行密封。密封设计后，光纤陀螺仪在内外1个大气压压差的情况下，15 min陀螺内气压变化不大于0.3%，1 h陀螺内气压变化不大于1%，大大降低光纤陀螺仪内部的气压变化率。

图2 采取光纤环浸胶固化措施后光纤陀螺仪降气压过程中零偏漂移Fig.2 Bias drift of FOG in variable air pressure environment after coating

图3和图4是采取光纤环胶固和密封这两个措施后，变气压环境下的光纤陀螺仪零偏变化。表1是改进设计前后变气压环境下的陀螺零偏稳定性(100 s，1σ)测试结果。可以看出，采取降低气压灵敏度设计后，变气压过程中陀螺零偏基本没有漂移，光纤陀螺仪零偏基本不受变气压环境的影响，解决了光纤陀螺仪受气压变化影响精度的问题。

由上述分析可知，光纤陀螺仪进行密封设计是一种更有效的措施。为进一步延长光纤陀螺的贮存寿命，提高可靠性，需要对光纤陀螺仪进行密封，阻止外界盐雾、水汽进入到陀螺内部，降低外界气压急剧变化、热流、热真空等环境因素的影响，保证陀螺光路始终处于“安全”的环境中，消除环境因素导致的光纤加速失效问题。

图3 采取光纤环浸胶固化和密封措施后降气压过程中光纤陀螺仪的零偏漂移Fig.3 Bias drift in reduced air pressure environment after coating and sealing

图4 采取光纤环浸胶固化和密封措施后升气压过程中光纤陀螺仪的零偏漂移Fig.4 Bias drift in step-up air pressure environment after coating and sealing

表1 改进前后光纤陀螺仪零偏稳定性Tab.1 Bias stability in variable air pressure environment before and after improvement

3 结 论

光纤陀螺仪的零偏会因气压变化漂移，变气压条件下光纤陀螺仪的零偏漂移为常压条件下的1-2个量级。对光纤环浸胶可以在一定程度上减小空气的扰动，改善气压变化对光纤陀螺仪的影响。而对光纤陀螺仪进行密封设计是一种更有效的措施，对光纤陀螺仪进行密封设计后，光纤陀螺仪零偏基本不受变气压环境的影响，解决了光纤陀螺仪受气压变化影响精度的问题，同时避免了外界环境中的盐雾、水汽等进入陀螺内部对光纤陀螺仪寿命的影响，进一步提高了光纤陀螺仪的环境适应性和可靠性。

（References）：

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2013, 169(5): 132-133.

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Influence of air pressure variation on FOG bias stability and its improvement

LV Xiao-qin, HUANG Xin-yan, GAO Feng, WANG Xue-feng
(Beijing Aerospace Times Optical-electronic Co. Ltd, Beijing 100091, China)

Influence of air pressure variation on the bias stability of fiber-optic gyroscope(FOG) was studied, and the design method of reducing the pressure sensitivity of the FOG was proposed. The influence of the pressure change on the FOG was theoretically analyzed and practically measured. Both the adhesive coating and the sealing techniques for the optical fiber ring were experimentally studied to reduce the pressure sensitivity of the FOG. The results show that the bias stability of the FOG is increased by 1-2 orders of magnitude compared with that under variable pressure. The air pressure sensitivity of the FOG is reduced by half after coating adhesive on the optical fiber ring, thus the air disturbance can be decreased, and the influence of air pressure change on the FOG is reduced. The results also show that the FOG sealing design is a more effective method. After sealing, the bias of FOG is not sensitive to variable air pressure at all, and the problem of FOG bias drift in variable air pressure environment is solved.

fiber-optic gyroscope; pressure change; bias stability; sealing; optical fiber coils; adhesive coating

U666.1

A

1005-6734(2015)03-0399-03

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.03.0022

2015-02-15；

2015-05-27

国防基础科研项目（A0320110013）

闾晓琴（1979—），女，高级工程师，从事光纤陀螺仪技术研究。E-mail：xqlv@163.com