1、20122012年年5 5月月1313日日光纤陀螺概述光纤陀螺概述20122012年年5 5月月1313日日v光纤陀螺的定义、简介、特点；v光纤陀螺的分类；v光纤陀螺的工作原理；v光纤陀螺的误差分析；v光纤陀螺的应用与发展。内容安排20122012年年5 5月月1313日日中文名：光纤陀螺英文名:Fiber 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 20122012年年5 5月月1313日日简介：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
2、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，是根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 20122012年年5 5月月1313日日与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：(1)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；(2)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；(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；第1节光纤陀螺的定义、简介、特点 20122
3、012年年5 5月月1313日日与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：(5)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)结构简单、价格低，体积小、重量轻。第1节光纤陀螺的定义、简介、特点 20122012年年5 5月月1313日日按工作原理：干涉型光纤陀螺仪(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
4、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20122012年年5 5月月1313日日 光纤陀螺的基本原理是基于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20122012年年5 5月月1313日日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
5、:。第3节光纤陀螺的工作原理图2 光纤陀螺工作原理图21(1)cwcCRnn（1）c21(1)c wcCRnn（2）20122012年年5 5月月1313日日由式(1)-(2)计算可得:第3节光纤陀螺的工作原理224 Rtc（3）进而可以求得两束光之间的相位差:8(4)sAtc 20122012年年5 5月月1313日日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82sALDNcc（5）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 。2ARs2012201
6、2年年5 5月月1313日日干涉型光纤陀螺（I-FOG）在结构上就是如图2 所示的Sagnac 干涉仪,通过检测干涉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01 cos()sII（6）20122012年年5 5月月1313日日第3节光纤陀螺的工作原理20122012年年5 5月月1313日日第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情况下,光探测器输出信号的敏感度为零,而且不能辨别角速度 的方向。为了获得输出信号最大敏感度,并能分辨 的极性,应进行 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。2图3 干涉式光纤陀螺
7、的响应20122012年年5 5月月1313日日第3节光纤陀螺的工作原理开环式I-FOG 直接检测干涉后的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。结构如图4 所示。图4 开环I-FOG 结构框图2M调制之后干涉光强度为:01 sin()sII（7）20122012年年5 5月月1313日日第4节光纤陀螺的误差分析图5 光纤陀螺噪声来源机理20122012年年5 5月月1313日日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，还包含了具有自相似性的 分型噪声。分形噪声是一种具有长程相似性、自相似
8、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1f1f20122012年年5 5月月1313日日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变和探测器的闪烁噪声。第4节光纤陀螺的误差分析20122012年年5 5月月1313日日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
9、。第5节光纤陀螺的应用与发展图6 陀螺的零偏稳定性20122012年年5 5月月1313日日陀螺的应用领域主要是由陀螺零偏稳定性决定的,由此可见光纤陀螺的应用几乎覆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发展20122012年年5 5月月1313日日第5节光纤陀螺的应用与发展 光纤陀螺的应用领域在立足陆用的同时,向航空、航海和航天领域发展,如布撒器、制导导弹、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。光纤陀螺代表着未来惯性器件的发展方向,世界各国都在不断加大对光纤陀螺的研究,我国也已将其列为惯性技术领域重点发展的技术之一。随着光纤制造技术和集成光路技术的不断发展,光纤陀螺产品将向着多元化、小型化、实用化方向发展,并会在国防军事、科学研究、以及人们的生产生活等方面拥有越来越广阔的应用前景。
