光纤陀螺光路热致零漂误差机理及抑制方法研究

摘要：光纤陀螺是一种广泛应用于航天和精密测量等领域的惯性传感器，光纤陀螺在实际应用中，常受到光路热效应影响，导致零漂误差的产生，这种热致零漂误差会降低陀螺的精度，影响系统的性能。本次研究主要是对光纤陀螺光路热致零漂误差出现的机理进行分析，在此基础上，开展光纤陀螺光路热致零漂误差抑制方法研究，为提高光纤陀螺的使用性能奠定基础。研究表明：光纤陀螺光路热致零漂误差的机理主要包括光纤折射率的温度依赖性、光路长度的变化、光信号传播速度的变化、环境温度梯度的影响等。因此，需要从光纤环绕制工艺优化、特种光纤对零漂的控制、调整尾纤对零漂的优化、零漂温度补偿方法等角度出发，采取多种类型的抑制措施，以此防止光纤陀螺出现光路热致零漂误差问题。

关键词： 光纤陀螺；光路热效应；热致零漂误差；机理分析；抑制方法

0 前言

光纤陀螺作为一种惯性传感器，凭借其高精度和稳定性和的特点，广泛应用于航天航空和地震监测等领域，随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，对光纤陀螺性能的要求也越来越高，尤其是其在极端环境条件下的稳定性和精度。但是，光纤陀螺在实际工作过程中会受到多种因素的影响，导致测量误差的产生，其中，温度变化对光纤陀螺的影响尤为显著[1]。光路的热致零漂误差是光纤陀螺在温度变化或环境振动的作用下，因光纤和光路的温度效应而产生的误差，这种误差不仅影响光纤陀螺的精度，还可能导致系统的长期稳定性和可靠性下降，进而制约其在高精度测量中的广泛应用。本次研究主要是根据其热致零漂误差问题出现的原因，提出合理的抑制措施，为提升光纤陀螺的精度和稳定性奠定基础。

1 光纤陀螺光路热致零漂误差机理分析

光纤的主要构成材料是玻璃或塑料，而这些材料的折射率对温度变化具有明显的依赖性，折射率是光信号传播的关键参数，光纤的折射率变化会导致光信号的传播速度发生改变，进而引起相位的漂移。在光纤陀螺的工作过程中，当光纤受到温度变化时，折射率的变化会引发光路长度变化，从而影响光信号的传播时间，如果光纤内的光信号传播时间发生偏移，则会导致干涉信号的变化，进而引发系统的零点漂移。在光纤陀螺中，光纤不仅用于传输光信号，还通过光纤的环形结构来形成干涉信号，温度变化会导致光纤的热膨胀或收缩，从而引起光路长度的变化[2]。光纤的热膨胀系数与其所用的材料类型密切相关，通常，玻璃光纤的热膨胀系数较小，但在长时间的温度变化或高温环境下，光纤的长度仍会发生明显的变化，光路长度的变化直接影响光纤陀螺的相位差，进而导致输出信号的漂移。光纤中的光信号传播速度受光纤的折射率和光路长度的影响，当温度变化时，光纤的折射率变化不仅会影响光程长度，还会影响光信号的传播速度。光信号的传播速度通常与光纤的折射率呈正相关关系，即折射率越高，光信号的传播速度越慢。温度变化引起的折射率变化使得光信号的传播速度发生变化，从而导致光信号的相位差产生误差，该误差会直接影响光纤陀螺的输出信号，进而引起零点漂移。在实际应用中，光纤陀螺常常工作于复杂的环境中，其中温度梯度是影响光路热致零漂误差的重要因素。温度梯度指的是在光纤陀螺的不同部分或不同方向上，温度变化的差异。当光纤陀螺处于温度梯度较大的环境中时，不同部分的光纤会受到不同的温度变化，从而导致光纤的膨胀或收缩不均匀。由于光纤陀螺通常由多个光纤组成，温度梯度可能导致光纤内的光信号传播路径和传播速度发生不同程度的变化，最终引发不均匀的零点漂移[3]。

2 光纤陀螺光路热致零漂误差抑制方法研究

（1）光纤环绕制工艺优化

光纤环绕制工艺优化的关键在于减少温度变化对光纤的影响，采用温度补偿技术，利用温度传感器实时监测光纤的工作环境温度，并通过调节温控装置保持光纤温度的稳定性，避免因温度变化导致的零点漂移。在光纤环绕结构设计上，可通过优化光纤的布局与材料选择来减小热膨胀效应，选择具有低温膨胀系数的光纤材料，或采用复合材料光纤，能够有效减缓温度波动对光路长度和折射率的影响。同时通过合理的光纤环绕工艺，如光纤的紧密绕制和均匀分布等，减少因不均匀温度分布导致的局部膨胀和收缩，进一步减少温度梯度对光路的影响。采用光纤温度补偿结构，将温度变化对光纤的影响通过特定的补偿元件进行动态调节，也是一种有效的误差抑制方法，通过这些优化措施，可以有效减少光纤陀螺光路热致零漂误差，提高其精度和稳定性，满足高精度测量需求。

（2）特种光纤对零漂的控制

采用具有低热膨胀系数的光纤材料是控制热致零漂的基本方法之一，传统的光纤材料通常是硅光纤，具有一定的热膨胀系数，而一些特种光纤如掺铒光纤或是复合材料光纤等，具有较低的热膨胀特性。低热膨胀系数能够减少温度变化引起的光纤长度变化，从而有效减少因光纤长度变化带来的误差，这些特种光纤能在高温或极端温度环境下保持稳定的结构，显著降低零漂误差。光纤的设计和制造工艺也对零漂控制有着重要影响，采用同轴对称结构或双环结构的光纤能够实现对温度梯度的有效补偿。在这种结构中，光纤的两条光路在温度变化时受热膨胀的影响趋于对称，从而避免温度梯度引发的零点漂移，这类设计减少了由于光纤内温度不均匀引起的光路差异，从而有效降低了由于环境温度波动带来的误差。

（3）调整尾纤对零漂的优化

尾纤的布局和固定方式对零漂误差的控制也至关重要，在设计光纤陀螺时，尾纤应尽量避免暴露于温度变化较大的环境中，特别是在与传感器光纤相接的接口部分。优化尾纤的固定方式，使其在温度变化时不产生过多的机械应力或形变，也是防止零漂误差的有效手段，可以通过使用柔性材料或温度补偿元件，确保尾纤在温度变化下的应力分布均匀，避免局部变形对光信号传输产生干扰。

（4）零漂温度补偿方法

温度补偿系统的硬件设计也是提升补偿效果的关键，温度补偿不仅需要高效的控制算法，还需要与之匹配的硬件设施，设计可调节温控模块和加热系统，确保陀螺内部温度的均匀性和稳定性，防止局部温度波动引起的误差。在实际应用中，结合传感器以及温控装置，能够形成一个闭环系统，通过实时调整温度和输出信号的补偿值，最大限度地抑制温度波动对零漂误差的影响。温度补偿方法的优化不仅依赖于传感器与控制系统的精度，还需要考虑陀螺结构的设计和环境的控制，通过采用温度隔离材料和优化光纤布局，减少外部环境温度波动对系统的影响，可以进一步提高温度补偿的效果。

3 结论

综上所述，光纤陀螺因其高精度和无机械运动部件等优点，在各种高精度测量中具有广泛应用，热致零漂误差问题的解决，可以使光纤陀螺在更严苛的环境下保持稳定性，从而拓展其应用范围，同时，光纤陀螺作为光纤传感技术的一部分，解决其热致零漂误差问题可以推动整个光纤传感领域的技术进步。

参考文献：

[1]周俊楠，赵鑫，邹欢欢，等.提高光纤环绕环质量和固化效率的优化设计[J].河北省科学院学报，2024，41（05）：39-44.

[2]张天乐，温坤华，张翔，等.光纤陀螺光路热致零漂误差机理与抑制方法[J].弹箭与制导学报，2024，44（05）：14-24.

[3]张江远，于海成，柳建春，等.光纤陀螺用集成光收发模块耦合移位对耦合损耗和平均波长的影响研究[J].半导体光电，2024，45（04）：584-591.