《Optics & Laser Technology》：Influence of fiber microstructures on the Shupe effect in thin-diameter fiber optic gyroscopes
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摘要基于光纤陀螺仪（FOGs）的惯性导航系统的精度依赖于光纤圈的尺寸。为了在有限的尺寸范围内提高精度，人们使用了直径较细的光纤（TDFs）来延长光纤圈的长度。由于FOGs的输出会随温度变化而漂移，从而降低运行精度，因此为薄直径光纤陀螺仪（TDFOGs）建立严格的热误差模型对于优化
摘要
基于光纤陀螺仪（FOGs）的惯性导航系统的精度依赖于光纤圈的尺寸。为了在有限的尺寸范围内提高精度，人们使用了直径较细的光纤（TDFs）来延长光纤圈的长度。由于FOGs的输出会随温度变化而漂移，从而降低运行精度，因此为薄直径光纤陀螺仪（TDFOGs）建立严格的热误差模型对于优化其环境适应性至关重要。本研究系统地探讨了光纤结构对不同类型的薄直径偏振保持光纤（TDPMFs）和薄直径光子晶体光纤（TDPCFs）中热诱导误差的影响。我们发现，总热误差来源于两种不同的、与结构相关的机制：首先是由材料属性决定的固有静态误差，这种误差导致两种陀螺仪之间的理论误差比为1.18；其次是受光纤圈内部温度场影响的动态响应误差。通过实验验证，我们发现实际的准稳态误差比为1.399。这种差异并非限制因素，而是一个关键发现，这归因于TDPCF的空气孔微结构，该结构降低了热扩散率并抑制了动态误差成分。通过统一这些静态和动态效应，所提出的框架为设计下一代低漂移陀螺仪提供了更准确的预测工具，强调了微结构引起的热惯性是一个关键的设计参数。
引言
由于光纤陀螺仪（FOGs）具有紧凑的集成能力、高灵敏度和强抗电磁干扰能力等显著优点，它已成为各种高精度应用（包括惯性导航系统、井下勘探和军事技术）中不可或缺的组件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。目前，干涉式光纤陀螺仪（IFOGs）[6]和谐振式光纤陀螺仪（RFOGs）[7]在学术研究和商业应用中占据主导地位。其中，IFOGs由于偏振保持光纤（PMFs）[8]、[9]、宽带ASE光源[10]和先进的电路调制技术的进步而更加成熟，并得到了广泛部署[11]，这些发展显著提高了IFOGs在导航和定位系统中的可靠性和精度[12]、[13]。最近的一项关键创新是薄直径光纤（TDFs）[14]、[15]、[16]的出现，这一创新进一步推动了FOGs的性能极限。传统光纤的典型涂层直径为250微米，这在实际应用中对线圈的尺寸和长度造成了限制。相比之下，TDFs的涂层直径较小（通常为100微米或135微米），同时保持标准的芯径，从而实现了在相同物理体积内缠绕更长光纤长度的变革性设计。这种几何创新直接提高了陀螺仪的旋转灵敏度。因此，在相同尺寸的封装中，TDFOGs[17]表现出比传统陀螺仪更高的精度。TDF技术的广泛应用凸显了其在提升当代FOGs性能方面的基础性作用，巩固了其作为下一代惯性传感应用行业标准地位。
尽管TDF技术带来了性能提升，但TDFOGs仍受若干基本物理限制的制约，这些限制影响了其最终的测量分辨率[18]。除了传统FOGs中存在的克尔效应和法拉第效应等影响光纤芯内传播模式的问题[19]外，实际应用中最普遍的挑战来源于温度变化[20]、[21]，这与光纤包层和涂层的几何结构密切相关。沿光纤圈的温度瞬变会导致光纤的折射率和物理长度发生非均匀变化，从而在顺时针（CW）和逆时针（CCW）光束之间产生额外的非互易相位偏移，这种现象被称为Shupe效应[22]。这种效应会导致旋转率输出出现显著漂移，严重影响系统的偏置稳定性和长期精度。然而，为标准250微米光纤开发的传统模型可能无法准确预测TDFs的热瞬变行为。TDFs减薄的包层和涂层厚度显著改变了热传递时间常数，从而改变了动态Shupe误差响应。因此，迫切需要具体的研究来探讨不同光纤设计（例如传统的实心芯光纤TDPMF与空气孔微结构TDPCF）对热误差的影响。这意味着TDFOGs的总误差可能来源于两种不同的、与结构相关的因素：一种是由光纤的静态材料属性决定的固有敏感性，另一种是由其热传输属性决定的动态响应，这一区别尚未得到系统性的研究。
尽管已经广泛采用了结构补偿方法（例如对称的线圈缠绕配置）来减轻热梯度，但这些方法主要针对宏观热梯度，并未考虑不同光纤类型之间的微观结构差异。温度引起的误差仍然是TDFOGs面临的一个持久挑战。这些误差不仅复杂化了校准过程，还从根本上限制了系统在不同环境条件下的性能稳定性。因此，开发对Shupe效应的深入理论理解和工程补偿机制对于准确建模和抑制这些热偏差至关重要。不幸的是，大多数现有研究主要通过经验观察来描述Shupe效应，而没有建立能够解释实际运行变化的综合物理模型。虽然V. Dangui等人之前的工作通过将Shupe系数与温度分布和热诱导应变相关联提供了有价值的理论见解[23]，但在高度控制的条件下进行的分析未能完全反映实际陀螺仪系统的复杂热机械环境。因此，他们的研究缺乏实际工程场景的验证，也无法直接应用于TDFOGs的设计和补偿。这一缺口凸显了建立通用理论框架和补偿方法的需求，以便在现实运行条件下预测和减轻各种光纤类型和线圈几何结构的热诱导误差。这些发现提高了TDFOGs的精度和稳定性，并扩展了其在苛刻环境中的应用范围。
本文的结构如下：第2节结合了TDPMF和TDPCF的Shupe效应的理论推导及其Shupe常数的数值计算，建立了全面的分析模型；第3节介绍了实验方法和设置，并在受控热瞬变条件下验证了理论预测；第4节总结了研究结果，讨论了研究意义并提出了未来研究的方向。本研究为理解和减轻薄直径光纤陀螺仪中的Shupe效应提供了经过验证的框架。
章节片段
Shupe效应理论
温度敏感度仍然是限制IFOGs偏置稳定性和精度的首要挑战之一。沿光纤圈的温度瞬变会导致非互易相位偏移，这种现象被称为Shupe效应。对这一效应的全面理论推导不仅仅是一种学术练习，更是开发有效补偿策略的基本前提。因此，本节重点介绍Shupe效应的推导过程
实验验证
为了实验验证前一节中提出的理论分析，构建了一个专用的IFOG系统来研究实际运行条件下的Shupe效应。图4展示了TDFOG系统的示意图，该系统包括三个功能模块：光源单元、干涉仪单元和信号处理单元。
光源是一个定制的C波段放大自发发射（ASE）光源，其波长为980纳米
结论
总之，本研究表明光纤结构通过两种不同的物理机制影响TDFOGs中的热诱导误差。在静态层面，光纤的机械设计决定了其固有的Shupe常数，为性能提供了理论基础；在动态层面，光纤的热微结构起着更为重要的作用。TDPCF的空气孔晶格引入了热惯性，降低了光纤圈的有效热阻
CRediT作者贡献声明
李鸿业：撰写——原始草案，研究，正式分析。严淼：验证，研究。冯静：资源，数据整理。罗红：软件。赵娜：软件。王周翔：方法论。戴子杰：可视化。梁英：可视化。王振宏：可视化。梁华：可视化。
资金支持
江苏省自然科学基金（BK20240838）；中国博士后科学基金（2023 M741435）；国家自然科学基金（12305268）；湖南省自然科学基金（2024JJ6184）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
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