卫星用光纤陀螺中抗辐射光纤的研究

卫星用光纤陀螺中抗辐射光纤的研究 第3卷第1期 2005年2月 光学与光电技术 OPTICS&OPTOELECTRONICTECHNOLOGY Vo1.3,No.1 February,2005 文章编号1672—3392(2005)01—0042—04 卫星用光纤陀螺中抗辐射光纤的研究 张玉艳肖文刘德文 (北京航空航天大学光电技术研究所,北京100083) 摘要介绍了光纤陀螺空间应用的优势及影响因素,提出了研究抗辐射光纤的防辐 射加固 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .通过实验,证明 了光纤的辐照效应,并提出了抗辐射光纤制备中的技术参考. 关键词光纤陀螺;空间应用:抗辐射光纤 中图分类号TN253文献标识码A l引言 光纤陀螺是一种基于光学SAGNAC效应的 角速度光纤传感器.经过20多年的发展,它以其 全固态,无转动部件和摩擦部件,寿命长,动态 范围大,瞬时启动,结构简单,尺寸小,重量轻 等优点,开始逐步取代传统的机械陀螺.与激光 陀螺仪相比,光纤陀螺没有闭锁问题,装配简便, 功耗低,可靠性高,而且成本低….随着光纤陀 螺技术的成熟,其精度可达到惯性级要求,能够 满足卫星姿态控制需要.辐射是影响光纤陀螺空 间应用的一个主要问题,美国Aerospace公司和 AUiedSignal公司联合在HarvardCyclotron实验 室(HCL)所做的一些实验结果,提供了高精度 定位级光纤陀螺(PrecisionPointingGradeIFOG) 在空间辐射环境下的性能 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现,并基于此实验对 IFOG光学部分中质子引起的衰变问题进行了估 算.实验分别针对闭环IFOG的整体系统和部分 组件,包括对超辐射光源,集成光学芯片(IOC), 耦合器及保偏光纤环.实验结果表明,IFOG及 其光学器件在辐射环境中是十分可靠的,最大的 影响是保偏光纤环的衰减I2】.通过对抗辐射光纤 的研究,可以提高光纤陀螺抗辐射的性能,进一 步满足在空间环境下的应用要求. 2光纤陀螺的基本原理 目前得到广泛应用的是采用数字闭环解调结 构的光纤陀螺,其原理框图如图1所示引. 图1数字闭环光纤陀螺原理框图 Fig.1Principlediagramofdigitalclosedloop fiber-opticgyroscope 该结构是以多功能芯片Y波导为核心的全保 偏光路结构,包括超辐射激光二极管SLD光源,耦 合器,光电转换探测器,光纤环等几个部分.图1 中BS为保偏光纤耦合器,光纤环采用保偏光纤, PIN.FET为探测器,Y波导是集偏振器,分束器, 相位调制器于一体的多功能集成光学器件0vnoc), DSP为数字信号处理器. 3卫星用光纤陀螺 光纤陀螺根据其光学系统所采用的光纤不同, 可分为采用单模光纤(SingleModeOpticalFiber) 的消偏光纤陀螺和采用保偏光纤(Polarization MaintainingFiber)构成的保偏光纤陀螺两大类. 两类光纤的耐辐射特性是不同的,这里讨论的是保 偏型oG. 收稿日期2004.10.13;修改稿日期2004?11—29 作者简介张玉艳(1981.),女,硕士研究生,主要研究方向为光纤陀 螺.E?mail:zhangyuyan1981@163.corn 箜塑——张玉艳等:卫星用光纤陀螺中抗辐射光纤的研究43 3.1优势 IFOG之所以能被用于卫星姿态控制主要是因 为其具有长寿命,高可靠性和全固态结构的优点. 尽管其空间应用的长寿命性能还没有得到足够的 验证,但是对口Fl=IG光学和电子器件的实验表明, IFOG有能力满足空间应用长寿命的要求.另外, IFOG尤其适用于各种封装结构和环境的限制,因 为其标度因数只取决于光纤环的直径,长度和耦合 进IFOG的光功率[41. IFOG技术分为开环和闭环两种类型.开环在 输入,输出的线性度上具有局限性,闭环则基本上解 决了开环在线性度方面的局限性,并且由于它的零 位中心工作和数字输出,比起开环方案具有更好的 标度因数精度和动态范围.闭环IFOG精度可达到 惯性级要求(0.01),满足卫星姿态控制的需要. 此外,随着器件的规模化生产以及组合技术的应 用,光纤陀螺的价格将会进一步降低. 3.2问题 在太空中,卫星始终处于一种低剂量,长时间 辐照的状态,长寿命是卫星应用的关键,而影响卫 星寿命的一个主要因素是辐射.卫星在空间轨道运 行,接受来自空间的各种辐射,包括太阳的电磁辐 射及粒子辐射.太阳的电磁辐射包括射线,X射线, 紫外线,可见光,红外线,微波及无线电波等.粒 子辐射主要是来自地球辐射带,太阳宇宙线及银河 宇宙线的电子,质子,粒子,重离子等高能带电 粒子辐射.在外层空间,寿命长,功耗低和抗干扰, 是对惯性器件的基本要求.IFOG要在空间应用, 就要解决其抗辐射的问题.长寿命卫星 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要素之 一 是在充分了解待定任务所处的空间环境之后,对 部件和整形各级分别进行抗辐射加固设计L5J. 保偏光纤环为IFOG敏感部件,它是由几百米 到1千米的光纤绕制而成的.光纤长度和线圈直径 决定了IFOG的精度.虽然可以通过在IFOG表面 涂覆抗辐射材料,来提高其抗辐射的性能,但是光 纤本身的抗辐射性能的提高也是必须的. 4抗辐射光纤 抗辐射光纤(Radiation—ResistantFiber)的研究 在十几年前就开始了,不过大都集中在850nnl, 可见光及紫外波长附近,而且主要为单模结构.目 前,光纤陀螺的工作波长一般为1310nm或1550 啪.国外在光纤陀螺用的光纤辐射上积累了大量的 数据,但国内这方面的研究报道不多.随着光纤陀 螺的应用拓广,空间飞行器上光纤应用数量的增 加,对抗辐射光纤的需求也越来越迫切. 4.1光纤辐射损耗 石英光纤在高能辐射作用下,可以使光纤芯石 英玻璃发生物理和化学变化(变色,变硬,变脆, 分解,破坏等),在石英芯内产生各种缺陷(点缺 陷,位错,色心),从而使光纤的光传输性能恶化. 最主要的表现为形成"色心".这是因为,石英玻璃 中含有杂质离子(C1,OH和着色离子),产生杂质 吸收损耗,特别是Fe,Cr,Mn,Cu,Co,Ni,Pb 等着色离子,在较高剂量辐射条件下,光纤中部分 自由电子会被这些着色离子捕获,从而在光纤中形 成"色心",即新的吸收带,使光纤损耗增加[71. 光纤陀螺普遍采用保偏光纤,而保偏光纤较普 通石英光纤有更特殊的掺杂,此外还有人为应力的 加入,使辐射对其影响更加复杂.为此,我们做了 相应的实验.采用的保偏光纤为国产的熊猫型保偏 光纤,长度为500m,工作波长为1310mR.辐照 源为6~Co,剂量率为5rads/s,总剂量为20krads. 实验装置如图2所示.分别在辐照前后对光纤环的 衰减进行了测试,表1为实验数据. ! COIII1eC(1OI1 图2辐照测试装置 Fig.2Radiationtestfacility 表1保偏光纤辐照前后参数指标对比 TablelComparisonofradiationeffectsdataaboutPMfiber 用同样的装置对光纤陀螺进行了测试,试验 光学与光电技术第3卷 中,当辐照剂量达到5krads后,陀螺就无法工作. 4.2 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和讨论 在光纤陀螺中,SAGNAC相位检测的信噪比等 于光纤损耗的平方根,而光纤陀螺的最佳性能来自 于最佳的信噪比.当光纤损耗变化时,系统解调的 变化会导致陀螺输出的零位漂移,系统的噪声加 大,以致光纤陀螺无法正常工作. 由于光源,耦合器,探测器,IOC集成光学调 制器都有特殊的光纤作为尾纤,因此,光纤受辐射 的影响也会反映到对器件的影响.尾纤的长度一般 比较短,在不大的辐射条件下,受辐照影响最严重 的是保偏光纤环.因此,对抗辐射光纤的研究工作 主要针对构成光纤环的光纤. 从表1的数据可以发现,辐照后保偏光纤损耗 显.关于保偏光纤一直有这样的疑问,即应力作用 对辐照下光纤的衰减是否有影响.国外关于保偏光 光纤的试验表明,在辐照条件下,其没有光褪色 (光纤自身恢复),衰减呈线性增长.普通单模光 纤的恢复是很明确的f9J,所以保偏光纤的衰减增长, 是由应力作用引起的,还是由于材料引起的,成为 一 个疑问. 通过研究证实:应力作用对辐照是不敏感的, 保偏光纤的辐照效应还是其自身材料引起的.可以 推断:完全可以参考单模抗辐照光纤的研究方法制 备出具有很好抗辐照性能的保偏光纤. 国外关于光纤辐照积累了大量的数据,表2为 国外一些商用保偏光纤辐照特性实验数据fl".通过 分析表2数据可以看到辐照对保偏光纤的影响:剂 较辐照之前变化很大,但是消光比的变化不是很明量率越大,衰减越大;总剂量越 高,衰减越多. 表2保偏光纤辐照数据 Table2DatabaseofradiationeffectsonPMfibers 4.3光纤制备方案 在石英光纤的制作过程中,会有意或无意地掺 杂进各种离子,例如:纤芯掺杂微量锗以提高其折 射率;石英光纤的生产原料(四氯化硅,四氯化锗, 氟利昂等),以及氧化反应和载运气体(氧气,氩气 等),这些物质的不完全反应,或本身的不纯度, 都会导致过渡金属离子,氢氧根离子,卤化物等杂 质掺杂在光纤中.这些杂质导致石英光纤在辐射条 件下损耗增加.抗辐射光纤就是要使这些杂质越少 越好,而对减小辐射产生影响的掺杂物加入到光纤 中. 目前一种可行的方式为采用包层掺氟的纯石 英纤芯光纤.纯石英光纤具有最好的抗辐射性能, 包层掺氟的主要作用是降低二氧化硅的折射率.由 于纤芯中不含有影响折射率的氟素掺杂物,它的瑞 利散射很小,而且损耗也接近理论的最低值.而且 氟在抗辐射性能的提高上有一定的影响. 经过氢处理的光纤具有更好的抗辐射性能,采 用大芯径的光纤LL,J,芯径具有更好的光退色效果, 对光纤先进行较高剂量的预辐照,经过较长时间等 光纤基本恢复后,对辐射的敏感性会降低n】.这 些对于光纤的抗辐射加固方法都可以被考虑进去. 另外,长工作波长是OG避免光纤衰减的固有优 势. 目前保偏光纤主要采用应力双折射,即在芯区 的两边放置高掺杂棒,通常采用锗,硼等.在辐照 条件下,这些高浓度惨杂材料正是产生色心的主要 原因.那么要提高保偏光纤的抗辐射性能,有两种 方案可行.第一,将掺杂棒改用对辐照不敏感的材 料;第二,不采用掺杂棒,从光纤结构出发,考虑 采用几何双折射实现保偏.对于前者,什么样的材 料适合,有待于进一步的调研和实验证明;对于后 者,需要详尽的理论分析和计算. 5结论 本文从研究抗辐射光纤的角度,提出了提高光 纤陀螺抗辐射性能的一种方案,并通过实验证明了 石英光纤在辐照环境下的变化,给出了抗辐射光纤 制备的技术参考.关于抗辐射光纤的研究,有待于 进一步的深化,结合一定的技术手段,一定能制备 第1期张玉艳等:卫星用光纤陀螺中抗辐射光纤的研究45 出抗辐射性能优良的光纤,适合光纤陀螺空间应用 的需要. 参考文献 【1】王海.光纤陀螺与GPS组合定姿技术在航天器上的应用 研究【J].中国惯性技术,2004,12(1):49-54 【2】Boucher,RichardH,Woodward,eta1.Proton—induced degradationininterferometricfiberopticgyroscopes[A】. 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Radiation—inducedabsorptionandiuminescencein speciallyhardenedlarge-coresilicaopticalfibers【J】.Il三EE TransactionsonNuclearScience,2O00,47(3):693698 ResearchontheRadiation—ResistantOpticalFibersforFiber-Optic GyroscopesintheSatellites ZHANGYu--yanXIAOWenL1UDe--wen (InstituteofOpticsandElectronics,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beij ing100083,China) Abstract111eradiation— resistantopticalfibersforFiber-opticgyroscopes(IFOG)usedinsatelliteshavebeen discussed.IFOGsarenowbeingconsideredforuseinthespace,particularlythesatelliteattitu dedetermination. Radiationtoleranceisakeychallengeinmanyspaceapplications.IFOGsarereliableinradiati onenvironment particularyforthepolarizationmaintainingfibercoil_SOthechoiceofradiation— resistantopticalfiberisimportant. Andsomecriticaltechniquesofradiation—resistantopticalfiberarepresentedheretoo. Keywordsfiber-opticgyroscope;spaceapplication;radiation—resistantfiber (上接第4l页) 参考文献 『11YablonovitchE.InhibitedsixIntaneousemissionin solid-statephysicsandelectronics[J].Phys.Rev.Lett.,1987, 58(20):2059-206 f2】JohnS.Stronglocalizationofphotonsincertaindisordered dielectricsuperlattices[J].Phys.Rev.Lett.,1987,58(23): 2486-2489 【3】KnightJC.Photonicbandgapguidanceinopticalfibers[J]. Science,1998,282:1476-1478 [4】RussellPStJ.Recentprogressinphotoniccrystalfibers[J]. 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