光纖環溫度性能分析軟件設計

于中權+梁仁仁+岑禮君+張曉亮+鄒莉莉+張特+梁永青

摘要： 介紹了影響光纖陀螺溫度性能的主要因素—Shupe效應，論述了基于LabVIEW軟件設計開發的光纖環溫度性能分析軟件的程序組成和功能，并利用光纖環溫度性能分析軟件開展了內外熱源兩種工作條件下，光纖陀螺溫度性能的仿真分析及與光纖陀螺測試結果的對比評價。結果表明，仿真分析結果與光纖陀螺測試結果一致，光纖環溫度性能仿真分析軟件能夠將光纖環有限元分析結果與光纖陀螺輸出有機結合。

關鍵詞： Shupe效應； LabVIEW； 有限元； 光纖環

中圖分類號： TH 744 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.010

Design of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic

YU Zhongquan， LIANG Renren， CEN Lijun， ZHANG Xiaoliang， ZOU Lili， ZHANG Te， LIANG Yongqing

（7801 Institute of China Aerospace Science and Industry Group， Changsha 410205， China）

Abstract： The Shupe effect that affects the temperature function of the fiber optic gyroscope（FOG） is introduced.The composition and function of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic is discussed.The design is based on the LabVIEW software.The simulation analysis and comparative evaluation with the test results of the FOG is carried out by means of the analysis software of the fiber coil temperature characteristic under two kinds of working conditions that the FOG works in and out of the heat source.The results show that the simulation results are consistent with the test results of the FOG.The analysis software combines the output of the FOG with the finite element analytic result of the fiber coil.The analysis of the fiber coil temperature characteristic is intuitive and effective.

Keywords： Shupe effect； LabVIEW； finite element； fiber coil

引 言

光纖環是光纖陀螺的核心器件，光纖環的溫度場受到周圍環境的影響而不斷變化，這種變化將產生Shupe效應，導致光纖陀螺的零偏隨溫度的變化而發生漂移，嚴重影響光纖陀螺性能。當前，為了提高光纖陀螺工程化水平及實現高精度光纖陀螺，我國已將光纖陀螺的溫度性能作為主要研究方向。

國內外針對光纖環開展了大量基于溫度分布模型建模和利用有限元分析方法的光纖環溫度性能研究工作，其中溫度模型有一維、二維和三維等不同的分析方法[1-7]，主要分析局限于環體上不同單元點的溫度變化，分析過程復雜、不直觀，沒有建立分析結果與光纖陀螺溫度性能測試結果的內在聯系，分析結果不能準確表征光纖陀螺的溫度性能。

針對光纖環的溫度性能的問題，本文作者于2012年撰寫的“光纖環溫度性能仿真分析”一文[8]中重點介紹了利用光纖陀螺溫度性能分析軟件對光纖環繞制方法、光纖環對稱性對光纖陀螺溫度性能影響的仿真分析。

LabVIEW軟件作為一種虛擬儀器開發平臺軟件，由于功能靈活，容易構建，在科研、開發、計量、測控等領域得到了日益廣泛的應用[9-11]。

在本研究中，重點介紹了利用LabVIEW軟件進行光纖環溫度性能分析軟件的設計開發方法，并從光纖陀螺內外熱源兩種工作條件出發進行了光纖環仿真分析和對比驗證評價，研究內容是對前期“光纖環溫度性能仿真分析”工作的完善和提高。

1 Shupe效應

當沿著光纖存在著一個隨時間變化的溫度梯度時，光纖陀螺會產生熱導致的非互易性相位誤差，這種溫度梯度造成的瞬態效應稱為Shupe效應[12-14]。Shupe效應主要來自溫度梯度造成的折射率變化，如圖1所示線圈中，距離O點z處溫度擾動引起的非互易位相差微元，即相移微元

式中：λ為光波長；c為真空中的光速；n為光纖折射率；n/T為光纖折射率溫度系數；dT（z，t）/dt為溫度變化率；L為整個光纖線圈長度。

式（1）表明，溫度擾動引起的相移微元與該段光纖的溫度變化率和位置有關的權因子（L-2z）成正比，非對稱擾動點距離線圈中點越近，則擾動引起的光路非互易相移越小。當擾動點正好在線圈的中點時，則擾動引起的非互易相移為零；當相對光纖中點對稱的兩段光纖上的溫度擾動相同時，則溫度變化引起的相位誤差被抵消。

2 光纖環溫度特性分析軟件設計

光纖環溫度性能仿真分析軟件設計以光纖環有限元分析結果為數據輸入，以Shupe效應理論為數學模型，利用LabVIEW軟件將有限元分析結果與光纖陀螺輸出有機的結合起來，實現光纖環溫度性能仿真分析功能。程序主體上采用了LabVIEW軟件的平鋪式順序結構，分為數據編組模塊、設計控制端模塊、Shupe效應計算模塊、報表生成模塊。該軟件能夠實現不同繞制方法（單極、二極、四極對稱等繞法）、不同熱載荷條件、有無緩沖層、不同光纖性能參數及設計者自行定義仿真參數條件下光纖環的溫度性能仿真分析工作。軟件設置有輸入分析類型、輸入調整系數表、輸入待分析數據用戶輸入框。圖2、圖3分別給出了光纖環溫度性能分析軟件前面板和程序框圖。

2.1 數據編組模塊

模塊中應用Read From Spreadsheet File.vi模塊將ANSYS生成的光纖環仿真分析數據結果導入光纖環溫度特性仿真分析軟件，使用For循環、移位寄存器、索引數組、插入數組等vi模塊，將輸入數據構建為一個數組，提供給后續模塊使用。數據編組模塊具體程序見圖4所示。

2.2 控制參數輸入模塊

設計控制端模塊主要作用是為設計者提供軟件互動窗口，可以對光纖環的繞制方法及工藝進行提前預測和分析，對數據編組模塊發來的數據進行調整，以達到完善光纖環繞制方法、工藝及提高環體溫度性能的目的。其中輸入分析類型可將光纖環的繞制方法設為單極、二極、四極、八極繞法以及設計者自行設計的任何繞制方法，調整系數表可以使設計者按照自己的設計思路對光纖環任意位置點的溫度性能參數進行設定，仿真環體中任意位置的參數改變或缺陷。設計控制端模塊具體程序見圖5所示。

2.3 Shupe效應計算模塊

模塊中利用LabVIEW軟件函數庫中For循環、數組插入、數組索引、數組元素相加及移位寄存器等模塊構建一個Shupe算法模型，實現Shupe效應計算。Shupe效應計算模塊具體程序見圖6所示。

2.4 報表生成模塊

模塊利用LabVIEW軟件函數庫中的報表生成單元中的新建報表、Word Easy Title、 添加控件圖像至報表、處置報表等vi模塊構成報表生成模塊，將測試結果保存為Word文件，其中包含光纖環繞制方法、溫度分析條件、陀螺輸出圖形等信息，以利于對分析結果進行統計和匯總。報表生成模塊具體程序見圖7所示。

3 光纖環溫度特性分析過程及結果

以目前本單位某型光纖環為研究對象，光纖環由保偏光纖和鋁合金骨架兩者構成。下面給出了光纖環材料參數（見表1）及光纖環的結構示意圖（見圖8）。

光纖環在光纖陀螺中的主要熱影響源分為內部熱源和外部熱源，內部熱源主要為光源、光源板、信號處理板等，外部熱源主要為外界環境溫度。內部和外部熱源均可近似看作熱源（溫度）均勻分布于環圈內側，并沿徑向向外傳導，在由內向外各層光纖之間形成一個隨時間變化的溫度梯度，見圖9所示。

為分析某型光纖陀螺產品的光纖環溫度特性，設定光纖環繞制方法為四極對稱繞法，分別針對內部和外部熱源兩種情況，利用光纖環溫度特性分析軟件對光纖陀螺溫度特性進行分析，具體內容如下。

內部熱源主要是分析SLD光源、光源板、信號處理板等發熱源對光纖環的影響。所施加的溫度載荷為光纖環上溫度傳感器實際測量的溫度，見圖10所示。

利用有限元分析軟件ANSYS進行光纖環熱分析，將分析數據導入光纖環溫度性能分析軟件，生成光纖環溫度性能分析結果，見圖11所示。

圖12給出了2只某型光纖陀螺產品在圖10所示溫度載荷條件下的測試結果。

由圖11和圖12對比可知，熱源為內部熱源條件下，光纖環溫度性能分析軟件仿真分析結果與光纖陀螺產品實際測試結果相一致。

外部熱源主要為外界環境溫度變化，通過熱傳導、熱輻射等方式將外界的熱傳遞到光纖環上產生Shupe效應，進而對光纖陀螺的溫度性能產生影響。分析中通過給光纖陀螺施加隨時間變化的溫度載荷，分析外部熱源對光纖陀螺的影響。溫度載荷施加條件：光纖陀螺置于溫箱內，從常溫以1 ℃/min速率降到-20 ℃，保溫1 h；以1 ℃/min速率升到+60 ℃，保溫1 h。光纖環上溫度載荷曲線參見圖13所示。利用有限元分析軟件ANSYS進行光纖環熱分析，將分析數據導入光纖環溫度性能分析軟件，光纖環溫度性能分析結果參見圖14所示。

圖15給出了某型光纖陀螺產品在圖13所述溫度載荷條件下，光纖陀螺零偏測試結果。

由圖14和圖15對比可知，熱源為外部熱源條件下，光纖環溫度性能分析軟件仿真分析結果與陀螺實際測試結果相一致。

4 結 論

本文通過利用LabVIEW軟件進行光纖環溫度性能分析軟件設計開發，實現了光學設計、有限元分析、計算機仿真的綜合應用，對于光纖陀螺在內部、外部熱源條件下的工作情況進行了仿真分析，仿真分析結果與光纖陀螺測試結果相一致，建立了有限元仿真分析結果與陀螺輸出的聯系。光纖環溫度性能分析軟件為開展光纖陀螺光纖環設計、光纖環繞制工藝提供了分析和設計手段，可實現在設計階段對光纖環質量控制和預防，而無需將光纖環置于最終陀螺成品階段來表征光纖環的溫度性能，有利于提高光纖陀螺的溫度性能，同時降低了光纖陀螺的生產成本。未來將在上述研究內容的基礎上，繼續開展光纖陀螺溫度補償模型、補償方法的設計研究工作，進一步提高光纖環及光纖陀螺系統的溫度性能。

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