激光陀螺原理工藝課件

1、光學(xué)陀螺概述1,機(jī)械陀螺：轉(zhuǎn)子和振動(dòng)陀螺,激光陀螺：針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)需求 基本原理：Sagnac效應(yīng)，工作物質(zhì)是激光束，全固態(tài)陀螺 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)快、反應(yīng)快、過(guò)載大、可靠性高、數(shù)字輸出 發(fā)展 1960 激光器出現(xiàn) 1963 Sperry 制成首臺(tái)樣機(jī) 1970s中 精度突破，達(dá)慣性級(jí) 1980s 初開(kāi)始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,早期研制的機(jī)構(gòu) Honeywell：三角諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻 Litton：四邊形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻 Sperry：三角諧振腔，磁鏡偏頻 國(guó)內(nèi)研制、應(yīng)用狀況 1970s中后期 開(kāi)始研制， 1990前后 進(jìn)入實(shí)用 1990s中后期 應(yīng)用達(dá)到高峰 面臨問(wèn)題

2、成本較高、體積偏大、不能完全適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)的要求,1,激光陀螺原理工藝,光學(xué)陀螺概述2,光纖陀螺儀：適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)需求,基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光導(dǎo)纖維傳播。 優(yōu)點(diǎn)：成本低、體積小重量輕。 發(fā)展： 1970s 光纖技術(shù)發(fā)展 1976 年猶它大學(xué)瓦里設(shè)想和演示 1978 麥道研制出第一個(gè)實(shí)用產(chǎn)品 1980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、日、蘇等國(guó)也展開(kāi)了研制,國(guó)內(nèi) 1980s初，原理研究、試驗(yàn)（少數(shù)大學(xué)） 1980s末，實(shí)質(zhì)性研制 2000s，進(jìn)入實(shí)用階段 精度： 國(guó)外 0.001 0/h 國(guó)內(nèi) 0.01 0/h,2,激光陀螺原理工藝,

3、Sagnac干涉儀 光路,Sagnac 干涉 測(cè)量的基礎(chǔ),提出：由 Sagnac 于 1913年,Sagnac 干涉儀 光路傳播 當(dāng)干涉儀相對(duì)慣性空間無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)，則 A、B 兩路光程 La = Lb = L,當(dāng)干涉儀以相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)，則會(huì)引起兩路光程不等。 推導(dǎo)光程差 分離點(diǎn)的切向線速度,v 在分束點(diǎn)兩側(cè)光路的投影都為,光束 a 逆行一周，回到分束點(diǎn)時(shí)多走了一段光程,另有,3,激光陀螺原理工藝,Sagnac干涉儀 光程差,求解方程組，得到,類(lèi)似，對(duì)光束 b，可求得,兩束光回到分束點(diǎn)時(shí)光程差,因 c 遠(yuǎn)大于 L，上式近似為,光程差與輸入角速度成正比該結(jié)論對(duì)其它形狀的環(huán)路也成立。 邁克爾遜實(shí)驗(yàn)： 矩

4、形面積 A = 600300 m2 光源波長(zhǎng)= 0.7m 計(jì)算得： L=0.175m，即 / 4 干涉條紋只移動(dòng)了 1/ 4 條紋間距 如果用來(lái)測(cè)量 0.015 0/h 的角速度，測(cè)量精度無(wú)法保證,4,激光陀螺原理工藝,激光陀螺 結(jié)構(gòu),激光陀螺相對(duì)干涉儀的改進(jìn) 無(wú)源諧振腔激光諧振腔 測(cè)量光程差諧振頻率差,諧振腔(Resonating Cavity)結(jié)構(gòu)： 激光管(光源) + 反射鏡(光路) 激光管 = 氦氖氣體 + 端面鏡片 諧振腔結(jié)構(gòu)及原理 介質(zhì)受激從基態(tài)到高能態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 光通過(guò)激活物質(zhì)獲得增益環(huán)形腔獲得足夠大的增益 反射膜厚度/ 4 獲得所需波長(zhǎng) 選擇環(huán)路周長(zhǎng)形成同相駐波 端面鏡片獲

5、得偏振光,5,激光陀螺原理工藝,設(shè)激光環(huán)繞一周光程 L，是波長(zhǎng)的整數(shù)倍 q，即 = L / q 激光頻率為 Vq，則 Vq= c 故 Vq = cq / L,當(dāng)諧振腔以繞法線旋轉(zhuǎn) Va = cq / La Vb = cq / Lb 兩束激光的頻差,激光頻差正比于輸入角速度 干涉條紋以一定的速度移動(dòng),激光陀螺 頻差產(chǎn)生,6,激光陀螺原理工藝,激光陀螺 頻差測(cè)量,例：三角諧振腔邊長(zhǎng)=111.76mm,激光波長(zhǎng)= 0.6328m,用來(lái)測(cè)地球轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,7,激光陀螺原理工藝,激光陀螺 結(jié)構(gòu)工藝,激光介質(zhì)：氦氖氣體（頻譜純度高、反向散射小,腔體材料：熔凝石英、陶瓷,腔體尺寸：周長(zhǎng)200450mm,諧振腔形狀：三角、四邊 （優(yōu)缺點(diǎn)： K = 4A / L,裝配組合：分離、整體式,整體式激光陀螺介紹 諧振腔和光路 反射鏡（反射膜、凹面、半透） 氦氖氣體 陰陽(yáng)電極：雙陽(yáng)極 控制回路：凹鏡、激勵(lì)電壓,8,激光陀螺原理工藝,激光陀螺 三軸整體,三軸整體式：適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)， 集三個(gè)諧振腔于一塊材料,兩種三軸整體式光路方案 1. 三角形方案（9反射鏡,2.四邊形方案（6反射鏡） 優(yōu)點(diǎn)：體積小重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好（第二代技術(shù),工藝改進(jìn)對(duì)陀螺性能