1、光纤陀螺的基本原理及在导航中的应用陈传廷1135016应用物理萨格奈克效应光纤陀螺的原理及特点光纤陀螺的指标光纤陀螺在导航中的应用 萨格奈克效应19131913年，萨格奈克论证了运用无运动部年，萨格奈克论证了运用无运动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋转。他采用了一个环形干涉仪，间的旋转。他采用了一个环形干涉仪，并证实在两个反向传播光路中，旋转产并证实在两个反向传播光路中，旋转产生一个相位差生一个相位差。理想条件下，环形光路系统中的理想条件下，环形光路系统中的SagnacSagnac效应如图效应如图1 1所示。一束光所示。一束光经分束器经分束器M M进
2、入同一光学回路中进入同一光学回路中，分成完全相同的两束光，分成完全相同的两束光CCWCCW和和CCCWCCCW，分别沿顺时针方向，分别沿顺时针方向(CW)(CW)和和逆时针方向逆时针方向(CCW)(CCW)相向传播，当相向传播，当回路绕垂直于自身的轴转动时，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差的大小与光回路的旋转速率成比例比例。图图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)系统静止；系统静止；(b)系统旋转系统旋转如如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时所示，无旋转条件下，两束光传输时间
3、相等，为间相等，为 如如(b)所示，旋转条件下所示，旋转条件下图图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)系统静止；系统静止；(b)系统旋转系统旋转传输时间差传输时间差传输光程差传输光程差传输相位差传输相位差如何检测相位差？如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定 通过检测光强来检测相位差，进通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。而检测转动角速率。问题：旋转角速率产生的光问题：旋转角速率产生的光程差太小，很难被检测。程差太小，很难被检测。光纤陀螺光纤陀螺实物图实物图 光纤陀螺基本原理及
4、特点 光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺光纤陀螺优点优点 与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活，生产工艺简面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活，生产工艺简单，应用范围广。单，应用范围广。与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁自锁”用的机械抖动装置，无超高精度的光学
5、加工，不必非常严格的气体密封，用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。装配工艺简便，功耗低，可靠性高。总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的新总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的新型全固态惯性器件。型全固态惯性器件。光纤陀螺光纤陀螺应用级别划分应用级别划分级别零偏稳定性(度/小时)标度因数稳定性速率级1010000.11%战术级0.110101000 ppm惯性级0.015 ppm战略级0.0011 ppm 光纤陀螺研制和指标光纤陀螺光纤陀螺应用级别划分应用级别划分速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于
6、机器人、速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。战术级光纤精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于战术导弹、近程战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位系统中。惯性级、战略级
7、光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者，如，如HoneywellHoneywell、NorthropNorthrop等公司。等公司。光纤陀螺研制和指标 国外国外光纤陀螺光纤陀螺发展及应用发展及应用 国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于航国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界上研空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界上研制光纤陀螺的单位已有制光纤陀螺
8、的单位已有4040多家，包括美国霍尼韦尔多家，包括美国霍尼韦尔(Honeywell)(Honeywell)、利顿、利顿(Litton)(Litton)、史密斯、史密斯(Smith)(Smith)、诺思若、诺思若普普(Northrops)(Northrops)、联信、联信(AliedSignal)(AliedSignal)等，日本日本航空等，日本日本航空电子工业有限公司电子工业有限公司(JAE)(JAE)，日本三菱，日本三菱(Mitsubishi)(Mitsubishi)公司，公司，日立公司，德国利铁夫日立公司，德国利铁夫(LITEF)(LITEF)公司，法国法国光子（公司，法国法国光子（IXS
9、EAIXSEA）公司世界著名的惯导公司，精度范围覆盖了从战）公司世界著名的惯导公司，精度范围覆盖了从战术级到惯性级、战略术级到惯性级、战略(精密精密)级的各种应用。级的各种应用。光纤陀螺研制和指标 光纤陀螺光纤陀螺应用领域应用领域l 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；l 卫星定向和跟踪；卫星定向和跟踪；l 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；l 各种运载火箭应用；各种运载火箭应用；l 舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；l 光学罗盘及高精度寻北系统；光学罗盘及高精度寻北系统；l 战术武器制导与控制系统；战术武器制导与控制系统；l 陆地导航系统陆地导航系统(+GPS)(+GPS)；l 姿态航向基准系统；姿态航向基准系统；l 汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。光纤陀螺在导航中的应用O(_)O 谢谢！
