光纤陀螺概述.

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,2012,年,5,月,13,日,光纤陀螺概述,光纤陀螺的定义、简介、特点；,光纤陀螺的分类；,光纤陀螺的工作原理；,光纤陀螺的误差分析；,光纤陀螺的应用与进展。,内容安排,中文名：,光纤陀螺,英文名,:,F,iber Optical Gyro,定 义：,应用激光及光导纤维技术测量物体相对于惯,性空间的角速度或转动角度的无自转质量的新,型光学陀螺仪。,第,1,节光纤陀螺的定义、简介、特点,简介：,光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。,陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器。,光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是依据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件高速转子，称为固态陀螺仪。,第,1,节光纤陀螺的定义、简介、特点,与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：,(1)零部件少，仪器坚固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的力量；,(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和区分率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；,(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；,(4)易于承受集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；,第,1,节光纤陀螺的定义、简介、特点,与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：,(5)通过转变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；,(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；,(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；,(8)构造简洁、价格低，体积小、重量轻。,第,1,节光纤陀螺的定义、简介、特点,按工作原理：干预型光纤陀螺仪(IFOG)，目 前应用最广泛；谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)；受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG),按光学系统的构成：集成光学型和全光纤型光纤陀螺,按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺,第,2,节纤陀螺的分类,光纤陀螺的根本原理是基于Sagnac 效应,如图1所示,在同一光学回路中,沿顺时针方向(CW)逆时针方向(CCW)传播的两束光,当回路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差,该相位差的大小与光回路的旋转速率成比例。,第,3,节光纤陀螺的工作原理,图,1:Sagnac,效应原理图,光纤陀螺的实现如图2 所示,从光源发出的光经分束器后分为两束,分别沿顺时针方向及逆时针方,向进入光纤环传输。在惯性参考系中,当环形回路以角速度作顺时针旋转时,由,Fizeau,效应有,:,。,第,3,节光纤陀螺的工作原理,图,2,光纤陀螺工作原理图,由式(1),-,(2)计算可得:,第,3,节光纤陀螺的工作原理,进而可以求得两束光之间的相位差,:,实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积,一般将总长度为,L,的,光纤绕制成,N,匝直径为,D,的线圈,则,(4),式可修正为,:,第,3,节光纤陀螺的工作原理,式中,:,为环形光纤回路所围的面积,K,为光波波长。通过解,调相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度 。,干预型光纤陀螺I-FOG在构造上就是如图2 所示的Sagnac 干预仪,通过检测干预光强得到光的相位变化信息。光强与相移的关系是一个隆,起的余弦函数:,第,3,节光纤陀螺的工作原理,第,3,节光纤陀螺的工作原理,第,3,节光纤陀螺的工作原理,由(6)式和图3可见,在输入角速度很小的状况下,光探测器输出信号,的敏感度为零,而且不能区分角速度 的方向。为了获得输出信号,最大敏感度,并能区分 的极性,应进展 相位偏置调制,使陀,螺工作在灵敏度和线性度均最高的区域。,图3 干预式光纤陀螺的响应,第,3,节光纤陀螺的工作原理,开环式I-FOG 直接检测干预后的Sagnac 相移,并通过在光纤线圈的一端放置压电陶瓷环PZT,作为产生 相位偏置 的调制器。构造如图4 所示。,图4 开环I-FOG 构造框图,调制之后干预光强度为:,第,4,节光纤陀螺的误差分析,图,5,光纤陀螺噪声来源机理,低精度的光纤陀螺的噪声主要表现为白噪声，而在中、高,精度光纤陀螺的输出噪声中，除了高斯白噪声外，还包含,了具有自相像性的 分型噪声。,分形噪声是一种具有长程相像性、自相像性及 类型普,度特点的非平稳噪声。,第,4,节光纤陀螺的误差分析,从误差特性的角度来分析，光纤陀螺的噪声主要包括量化噪声、随机,游走、偏置不稳定性和速率随机游走。其中，随机游走系数的主要来,源是光源的的相对强度噪声、探测器的电噪声和散粒噪声以及相关时,间比采样时间短的其他高频噪声项和光线陀螺中的二阶背向散射，这,些噪声均可用白噪声描述。零偏不稳定性源于法拉第磁场效应、温度,波动引起的飘移或其他低频环境噪声以光纤陀螺中的偏振演化和探测,器的闪烁噪声。,第,4,节光纤陀螺的误差分析,由于光纤陀螺的种种优点的存在,使其取得了相当广泛的应用。,第5节光纤陀螺的应用与进展,图,6,陀螺的零偏稳定性,陀螺的应用领域主要是由陀螺零偏稳定性打算的,由此可见光纤陀螺,的应用几乎掩盖了目前所需要的全部领域,见表1。,第5节光纤陀螺的应用与进展,第5节光纤陀螺的应用与进展,光纤陀螺的应用领域在立足陆用的同时,向航空、航海和航天领域进展,如布撒器、制导、舰载火炮以及潜艇、卫星等。将来光纤陀螺必将在更为广泛的领域发挥重要的作用。,光纤陀螺代表着将来惯件的进展方向,世界各国都在不断加大对光纤陀螺的争论,我国也已将其列为惯性技术领域重点进展的技术之一。随着光纤制造技术和集成光路技术的不断进展,光纤陀螺产品将向着多元化、小型化、有用化方向进展,并会在 事、科学争论、以及人们的生产生活等方面拥有越来越宽阔的应用前景。,