1、 POWERPOINT Fibre Optic Gyroscope光纤陀螺仪光纤陀螺仪刘同磊 S15085203001邹策 S15085203002靳世广 S15085203003刘欢 S15085203004思考？思考？Contents光纤陀螺仪简介光纤陀螺仪简介1基本原理基本原理-sagnac-sagnac效应效应2光纤陀螺仪的分类光纤陀螺仪的分类3 3光纤陀螺仪的应用光纤陀螺仪的应用4 4光纤陀螺仪简介Q陀螺仪陀螺仪(gyroscope)(gyroscope)意即意即“旋转指示器旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器现代陀螺仪是一种能够精，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器现代
2、陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。Q传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。受到了很多方面的制约。Q光纤陀螺仪是广
3、义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。Q光纤陀螺仪（光纤陀螺仪（fibre optic gyroscopefibre optic gyroscope）是一种利用萨格奈克）是一种利用萨格奈克( Sagnac ) ( Sagnac ) 效应测量旋转角速率效应测量旋转角速率的新型全固的新型全固态惯性仪表。态惯性仪表。 机械陀螺仪 激光陀螺仪 光纤陀螺仪Q与机械陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：与机械陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的
4、能力；零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；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；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；易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；通过改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，并具有较宽通过改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，
5、并具有较宽的动态范围；的动态范围；相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；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；感器；结构简单、价格低，体积小、重量轻。结构简单、价格低，体积小、重量轻。光纤陀螺仪简介 摘自中国惯性技术学报光纤陀螺仪与其他陀螺仪比较光纤陀螺仪原理-Sagnac效应Q各种类型的光纤陀螺各种类型的光纤陀螺, ,基本原理都是利用基本原理都是利用 Sagnac Sagnac 效应效应 , ,只是各自所
6、采用只是各自所采用的位相或频率解调方式不同的位相或频率解调方式不同, ,或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同。或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同。检测器检测器透镜透镜透镜透镜光纤线圈光纤线圈光源光源分束镜分束镜 光纤陀螺结构图Q Sagnac 效应效应如图1(a)所示，在无旋转条件下，两束光传输时间相等，为cRcLttCWCCW2如图1(b)所示，旋转条件下为RcRtCCW2RcRtCW2(a) M Ml(b)CCWCCCWM图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的 Sagnac 效应效应 (a) (a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转光纤陀螺仪原理-Sagnac效应Q
7、Sagnac 效应效应传输时间差：224cRtttCWCCW传输光程差：cRctL24 传输相位差传输相位差04SRLc(a) M Ml(b)CCWCCCWM图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的 Sagnac 效应效应 (a) (a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转光纤陀螺仪原理-Sagnac效应Q当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以角速度旋转时，则沿顺 、 逆时针方向传播的两波列光波在环路中传播一周产生的相位差为：A为光传播路径包围的面积一般的向量表达为光传播路径包围的面积一般的向量表达光纤陀螺仪原理-Sagnac效应光纤陀螺仪的分类干涉式光纤陀螺干涉式
8、光纤陀螺 ( I FOG)谐振腔光纤陀螺谐振腔光纤陀螺 ( R FOG)布里渊型光纤陀螺布里渊型光纤陀螺( B FOG)Fibre OpticGyroscope光纤陀螺仪光纤陀螺仪干涉式光纤陀螺 ( I FOG) 干涉型光纤陀螺 ( IFOG ) 是研究开发最早、技术最为成熟的光纤陀螺，属第1代光纤陀螺 。它利用干涉测量技术把光位相的测量转变为光强度的测量，从而较简单地测出Sagnac位相变化。 按照位相偏置方式可以分为：位相差偏置方式、光外差方式和延时调制方式。 按照光路组成可以分为消偏型、全光纤型和集成光学型。 按照检测相位的方法可分为 开环型开环型（左图）和 闭环型闭环型（右图）ASEP
9、IN光纤环逻辑电路A/DD/A干涉光强信号调制电压信号转速信号宽带光源光电检测器耦合器Y波导 闭环型 开环型v开环光纤陀螺是指依据Sagnac原理，通过干涉光强的变化直接检测干涉后的Sagnac相移，从而得到旋转角速率。v开环系统的优点是电路简单，但是开环光纤陀螺输出响应存在非线性，因而动态范围较窄，检测精度低。v闭环光纤陀螺的基本原理是在光纤环中人为地引入一非互易的补偿相移，以抵消由于光纤环旋转产生的Sagnac相移，补偿相移与Sagnac相移大小相等，方向相反。光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零位相差点附近，可以从补偿相移中获得陀螺的输出信号，这时陀螺的动态范围取决于引入补偿位相的器件性能。
10、v较之开环陀螺，闭环光纤陀螺避免了陀螺输出的非线性，动态范围广，检测精度高。另外，闭环方案的使用，使得光纤陀螺能自动调整优化状态，进行动态探测追踪。 干涉式光纤陀螺 ( I FOG)Q 干涉式陀螺首次应于道尼尔328客机上，目前应用于波音777飞机的姿态和空气数据系统(SAARU)。 道尼尔328客机 干涉光线仪装置安放处干涉式光纤陀螺 ( I FOG)Q谐振腔光纤陀螺（谐振腔光纤陀螺（R-FOGR-FOG）是第）是第2 2代光纤陀螺。它利用一个循环的环形代光纤陀螺。它利用一个循环的环形谐振腔来增强旋转引起的萨格奈克效应。谐振腔来增强旋转引起的萨格奈克效应。谐振腔光纤陀螺结构图谐振腔光纤陀螺
11、( R FOG)Q与 IFOG相比，R FOG具有以下特点：光纤长度短 ，降低了成本； 采用高相干光源，波长稳定性高；检测精度高，动态范围大。注意：R-FOG 研究起步较晚，且对光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG还处于实验室研究阶段，但是和I-FOG相比有上述优势，因此各国都投入大量人力对其进行研究，相信在不久的将来，R-FOG一定可以在惯性导航与制导等诸多领域得到广泛应用。谐振腔光纤陀螺 ( R FOG)Q布里渊型光纤陀螺是第布里渊型光纤陀螺是第 3 3 代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺( F ( F RLG)RLG)，或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺，或受
12、激布里渊散射光纤环形激光陀螺( B FRLG) ( B FRLG) 。采用有源谐振腔。采用有源谐振腔的布里渊光纤陀螺是利用高功率光在光纤中激发布里渊散射光（的布里渊光纤陀螺是利用高功率光在光纤中激发布里渊散射光（SBSSBS）的光）的光纤陀螺仪。纤陀螺仪。Q当光纤环中传输的光强达到一定程度时就会产生布里渊散射，散射光的频当光纤环中传输的光强达到一定程度时就会产生布里渊散射，散射光的频率由于受萨格奈克效应的影响，顺、逆时针的两束布里渊散射光的频差与旋率由于受萨格奈克效应的影响，顺、逆时针的两束布里渊散射光的频差与旋转角速度成正比。转角速度成正比。Q检测顺、逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行
13、拍频处理，就可以检测顺、逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行拍频处理，就可以得到光纤环的旋转角速度。得到光纤环的旋转角速度。Q由于这种光纤陀螺能直接给出频率输出，所以适合于捷联惯性导航系统，由于这种光纤陀螺能直接给出频率输出，所以适合于捷联惯性导航系统，它是随着光纤式光源的发展而出现的一种新型光纤陀螺。它是随着光纤式光源的发展而出现的一种新型光纤陀螺。布里渊型光纤陀螺 ( B FOG)fibre optic gyroscope陆地交通导航陆地交通导航战术导弹制导战术导弹制导航天器姿态调整航天器姿态调整精密航天器应用精密航天器应用卫星定位卫星定位光纤陀螺仪的应用 光纤陀螺仪的应用（国外） 光
14、纤陀螺仪的应用状况光纤陀螺仪的应用状况1.1.战略导弹系统和潜艇导航应用；战略导弹系统和潜艇导航应用；2.2.卫星定向和跟踪；卫星定向和跟踪；3.3.战术武器制导与控制系统；战术武器制导与控制系统；4.4.各种运载火箭应用；各种运载火箭应用；5.5.姿态航向基准系统；姿态航向基准系统； 6.6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航；舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航；7.7.陆地导航系统陆地导航系统(+GPS)(+GPS)；8.8.天体观测望远镜的稳定和调向；天体观测望远镜的稳定和调向；9.9.汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业油钻井
15、定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业和民用领域。的控制置等工业和民用领域。光纤陀螺仪的应用 我国我国国内国内目前目前光纤陀螺研制状况光纤陀螺研制状况： 据不完全统计，国内从事光纤陀螺研究的研究所、院校、据不完全统计，国内从事光纤陀螺研究的研究所、院校、民营单位共有几十家，其中比较著名的有：民营单位共有几十家，其中比较著名的有：z航天时代电子公司航天时代电子公司z航天三院三十三所航天三院三十三所z北京航空航天大学北京航空航天大学z哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 z浙江大学、清华大学浙江大学、清华大学z兵器兵器205205所所z船舶船舶707707所所z航天工业总公司所属航天工业总公司所属1313所和上海所和上海803803所、航空所、航空618618所所光纤陀螺仪研制状况 谢谢 大家 的观看！ POWERPOINT
