光纖陀螺概述

光纖陀螺概述光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)；光纖陀螺的分類；光纖陀螺的工作原理；光纖陀螺的誤差分析；光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展。內(nèi)容安排中文名：光纖陀螺英文名:FiberOpticalGyro定義：應(yīng)用激光及光導(dǎo)纖維技術(shù)測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)動(dòng)角度的無(wú)自轉(zhuǎn)質(zhì)量的新型光學(xué)陀螺儀。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)簡(jiǎn)介：光纖陀螺是一種用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器。陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器。光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無(wú)活動(dòng)部件——高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：(1)零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力；(2)繞制的光纖較長(zhǎng)，使檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問(wèn)題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；(4)易于采用集成光路技術(shù)，信號(hào)穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：(5)通過(guò)改變光纖的長(zhǎng)度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，

可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無(wú)需預(yù)熱；(7)可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；(8)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應(yīng)用最廣泛；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成：集成光學(xué)型和全光纖型光纖陀螺

按回路類型：開(kāi)環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺第2節(jié)纖陀螺的分類光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac

效應(yīng),如圖1所示,在同一光學(xué)回路中,沿順時(shí)針?lè)较?CW)逆時(shí)針?lè)较?CCW)傳播的兩束光,當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將使兩束光產(chǎn)生相位差,該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理圖1:Sagnac效應(yīng)原理圖光纖陀螺的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束,分別沿順時(shí)針?lè)较蚣澳鏁r(shí)針?lè)较蜻M(jìn)入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中,當(dāng)環(huán)形回路以角速度作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),由Fizeau

效應(yīng)有:。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理圖2光纖陀螺工作原理圖由式(1)-(2)計(jì)算可得:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理進(jìn)而可以求得兩束光之間的相位差:實(shí)際上為了提高測(cè)量精度、減小陀螺體積,一般將總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖繞制成N匝直徑為D的線圈,則(4)式可修正為:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理式中:為環(huán)形光纖回路所圍的面積,K為光波波長(zhǎng)。通過(guò)解調(diào)相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度。干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結(jié)構(gòu)上就是如圖2所示的Sagnac

干涉儀,通過(guò)檢測(cè)干涉光強(qiáng)得到光的相位變化信息。光強(qiáng)與相移的關(guān)系是一個(gè)隆起的余弦函數(shù):第3節(jié)光纖陀螺的工作原理第3節(jié)光纖陀螺的工作原理第3節(jié)光纖陀螺的工作原理由(6)式和圖3可見(jiàn),在輸入角速度很小的情況下,光探測(cè)器輸出信號(hào)的敏感度為零,而且不能辨別角速度

的方向。為了獲得輸出信號(hào)最大敏感度,并能分辨

的極性,應(yīng)進(jìn)行

相位偏置調(diào)制,使陀螺工作在靈敏度和線性度均最高的區(qū)域。圖3干涉式光纖陀螺的響應(yīng)第3節(jié)光纖陀螺的工作原理開(kāi)環(huán)式I-FOG直接檢測(cè)干涉后的Sagnac

相移,并通過(guò)在光纖線圈的一端放置壓電陶瓷環(huán)PZT,作為產(chǎn)生

相位偏置

的調(diào)制器。結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4開(kāi)環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)框圖調(diào)制之后干涉光強(qiáng)度為:第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析圖5光纖陀螺噪聲來(lái)源機(jī)理低精度的光纖陀螺的噪聲主要表現(xiàn)為白噪聲，而在中、高精度光纖陀螺的輸出噪聲中，除了高斯白噪聲外，還包含了具有自相似性的分型噪聲。分形噪聲是一種具有長(zhǎng)程相似性、自相似性及類型普度特點(diǎn)的非平穩(wěn)噪聲。第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析從誤差特性的角度來(lái)分析，光纖陀螺的噪聲主要包括量化噪聲、隨機(jī)游走、偏置不穩(wěn)定性和速率隨機(jī)游走。其中，隨機(jī)游走系數(shù)的主要來(lái)源是光源的的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、探測(cè)器的電噪聲和散粒噪聲以及相關(guān)時(shí)間比采樣時(shí)間短的其他高頻噪聲項(xiàng)和光線陀螺中的二階背向散射，這些噪聲均可用白噪聲描述。零偏不穩(wěn)定性源于法拉第磁場(chǎng)效應(yīng)、溫度波動(dòng)引起的飄移或其他低頻環(huán)境噪聲以光纖陀螺中的偏振演變和探測(cè)器的閃爍噪聲。第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析由于光纖陀螺的種種優(yōu)點(diǎn)的存在,使其取得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展圖6陀螺的零偏穩(wěn)定性陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域主要是由陀螺零偏穩(wěn)定性決定的,由此可見(jiàn)光纖陀螺的應(yīng)用幾乎覆蓋了目前所需要的全部領(lǐng)域,見(jiàn)表1。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展

光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域在立足陸用的同時(shí),向航空、航海和航天領(lǐng)域發(fā)展,如布撒器、制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦載火炮以及潛艇、衛(wèi)星等。將來(lái)光纖陀螺必將在更為廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。光纖陀螺代表著未來(lái)慣性器件的發(fā)展方向,世界各國(guó)都在