光纖陀螺資料

光纖陀螺—用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器

光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年月伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的進(jìn)展而進(jìn)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號(hào)(被測(cè)量)的新型傳感技術(shù)。所謂“感知”，實(shí)質(zhì)上是外界信號(hào)對(duì)光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。所謂“傳輸”，是指光纖將受外界信號(hào)調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器進(jìn)展檢測(cè)，將外界信號(hào)從光波中提取出來并按需要進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電磁干擾的高度防衛(wèi)度，而且它可以制成小型緊湊的器件，具有多路復(fù)用的力量，以及可以制成分布式的傳感構(gòu)造等，不少光纖傳感器與對(duì)應(yīng)的常規(guī)傳感器相比，在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、牢靠性等方面也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用于人體醫(yī)學(xué)、城建監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。干預(yù)陀螺儀也是目前光纖傳感器市場(chǎng)中重要的一類．它應(yīng)用于航天航海、機(jī)器人工業(yè)、白控汽車、深鉆、發(fā)動(dòng)機(jī)及軍事方面。

陀螺儀陀螺儀(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．自1852年陀螺儀問世，因其獨(dú)特的性能，廣泛地應(yīng)用于航海、航空、航天以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。迄今為止，陀螺儀從傳統(tǒng)的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀到新型的固態(tài)陀螺儀，種類特別繁多。液浮陀螺、靜電陀螺和動(dòng)力調(diào)諧陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，到達(dá)了周密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。隨著光電技術(shù)、微米／納米技術(shù)的進(jìn)展，新型陀螺儀如激光陀螺、光纖陀螺和微機(jī)械陀螺應(yīng)運(yùn)而生。它們都是廣義上的陀螺儀，是依據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無活動(dòng)部件—高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為將來的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的進(jìn)展前途和應(yīng)用前景。

陀螺儀依據(jù)其精度范圍陀螺儀大致分為三局部：超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺儀。1〕超高精度陀螺儀超高精度陀螺儀指精度在10-6o/h～5×10-4o／h范圍內(nèi)的陀螺儀，主要包括靜電陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。

靜電陀螺儀組成的靜電陀螺監(jiān)控器(ESGM)與艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)組成SINS／ESGM組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前最高精度等級(jí)的慣性導(dǎo)航設(shè)備，它能滿足潛艇及航母高精度、高牢靠性和隱蔽性的要求。

陀螺儀2)中高精度陀螺儀中高精度陀螺儀指精度在5×10-4o/h到10-1o/h的陀螺儀。目前最具有進(jìn)展前景的陀螺儀就是光學(xué)陀螺儀，主要指激光陀螺儀和光纖陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學(xué)陀螺，光纖陀螺屬于其次代光學(xué)陀螺．最近幾年，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來越受到各國(guó)陸?？杖姷那嗖A。

陀螺儀有關(guān)專家認(rèn)為：精度在10-2o/h或者更高的光纖陀螺將代替激光陀螺，這是進(jìn)展趨勢(shì)。在軍用方面，飛機(jī)、艦艇、潛艇以及均將裝備光纖陀螺用以導(dǎo)航和制導(dǎo)，而且衛(wèi)星、宇宙飛船上也將會(huì)裝備光纖陀螺儀用于與地形跟蹤匹配和導(dǎo)向，火箭放射場(chǎng)上光纖陀螺儀用于火箭升空放射跟蹤及測(cè)定等。在民用方面，光纖陀螺儀可用于飛機(jī)導(dǎo)航和石油勘察、鉆井導(dǎo)向(確定下鉆的位置)，特殊是在工業(yè)上的應(yīng)用具有極大的進(jìn)展?jié)摿Α?/p>

陀螺儀3)低精度陀螺儀低精度陀螺儀指精度范圍超過10-1o/h的陀螺儀。目前有進(jìn)展前景的是微機(jī)械陀螺儀。雖然精度低，但低廉的價(jià)格使其具有寬闊的應(yīng)用前景。微機(jī)械陀螺儀有望在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)，甚至是玩具上。

光纖陀螺儀微機(jī)械框架式陀螺儀的工作原理

框架式陀螺儀由內(nèi)框架和外框架組成，二者相互正交，均為撓性軸。檢測(cè)質(zhì)量固定在內(nèi)框架上。檢測(cè)質(zhì)量繞驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)，由于振動(dòng)角很小，故檢測(cè)質(zhì)量點(diǎn)的振動(dòng)可認(rèn)為是沿輸出軸的線振動(dòng)。當(dāng)有角速度輸入時(shí)，哥氏力作用在檢測(cè)質(zhì)量上，使其繞輸出軸振動(dòng)，測(cè)量電容差值的變化，得到正比于輸入角速度的輸出電壓信號(hào)。

光纖陀螺儀光纖陀螺儀的工作原理光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)展傳播，最終集合到同一探測(cè)點(diǎn)。假設(shè)繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。圖6光纖陀螺儀工作示意圖 具體推導(dǎo)：

光纖陀螺儀與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：(1)零部件少，儀器堅(jiān)固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的力量；(2)繞制的光纖較長(zhǎng)，使檢測(cè)靈敏度和區(qū)分率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；(4)易于承受集成光路技術(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；(5)通過轉(zhuǎn)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，尤其是級(jí)聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；(8)構(gòu)造簡(jiǎn)潔、價(jià)格低，體積小、重量輕．

光纖陀螺儀光纖陀螺儀的分類按工作原理：干預(yù)型光纖陀螺儀(I—FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應(yīng)用最廣泛。它承受多匝光纖圈來增加SAGNAC效應(yīng)，一個(gè)由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干預(yù)儀可供給較高的精度，也勢(shì)必會(huì)使整體構(gòu)造更加簡(jiǎn)單；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)，是其次代光纖陀螺儀，承受環(huán)形諧振腔增加SAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，因此它可以承受較短光纖。R—FOG需要承受強(qiáng)相干光源來增加諧振腔的諧振效應(yīng)，但強(qiáng)相干光源也帶來很多寄生效應(yīng)，如何消退這些寄生效應(yīng)是目前的主要技術(shù)障礙。；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進(jìn)，目前還處于理論爭(zhēng)論階段。

開環(huán)光纖陀螺開環(huán)光纖陀螺不帶反響，直接檢測(cè)光輸出，省去很多簡(jiǎn)單的光學(xué)和電路構(gòu)造，具有構(gòu)造簡(jiǎn)潔、價(jià)格廉價(jià)、牢靠性高、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是靠增加單模光纖的長(zhǎng)度來提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出線性度差、動(dòng)態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器。開環(huán)的干預(yù)型光纖陀螺(IOFG)的根本構(gòu)造是一個(gè)環(huán)形雙光束干預(yù)儀。開環(huán)干預(yù)型光纖陀螺原理圖

閉環(huán)光纖陀螺閉環(huán)光纖陀螺包含閉環(huán)環(huán)節(jié)，它引入了反響相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位調(diào)制器PM、光檢測(cè)器D和相敏解調(diào)器PSD、伺服放大器SF、相位變換器PT組成反響回路。從LR出來的光經(jīng)分束器SL分成等強(qiáng)的兩束，其中順時(shí)針方向傳播的光由透鏡L1耦合進(jìn)人光纖線圈的一端。而逆時(shí)針方向傳播的光通過相位調(diào)制器PM后，由透鏡L2耦合進(jìn)入光纖線圈的另一端。這兩束光分別從光纖線圈的相反兩端出射。當(dāng)光纖陀螺輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光之間的相移將發(fā)生變化，兩束光經(jīng)分束器SL集合后。由光檢測(cè)器D接收，經(jīng)工作頻率為fm的相敏解調(diào)器PSD解調(diào)，并經(jīng)低通濾波后送人伺服放大器SF驅(qū)動(dòng)相位變換PT，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)相移ΔΦ大小相等符號(hào)相反的信號(hào)，使光纖陀螺始終處于在其最靈敏的零位四周工作。閉環(huán)干預(yù)型光纖陀螺原理圖和開環(huán)IOFG相比，閉環(huán)IOFG多了一個(gè)反響回路，它引入了反響相移。閉環(huán)環(huán)節(jié)大大降低光源漂移的影響，擴(kuò)大了光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)光源強(qiáng)度變化和元件增益變化不敏感，陀螺漂移特別小，輸出線性度和穩(wěn)定性只與相位變換器有關(guān)，主要應(yīng)用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)光纖陀螺的小型化和穩(wěn)定性有重要作用，是高精度光纖陀螺爭(zhēng)論的主要趨勢(shì)。

閉環(huán)光纖陀螺

光纖陀螺存在的技術(shù)問題光纖陀螺自1976年問世以來，得到了極大的進(jìn)展。但是，光纖陀螺在技術(shù)上還存在一系列問題，這些問題影響了光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而限制了其應(yīng)用的廣泛性．主要包括：(1)溫度瞬態(tài)的影響。理論上，環(huán)形干預(yù)儀中的兩個(gè)反向傳播光路是等長(zhǎng)的，但是這僅在系統(tǒng)不隨時(shí)間變化時(shí)才嚴(yán)格成立。試驗(yàn)證明，相位誤差以及旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量值的漂移與溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比．這是特別有害的，特殊是在預(yù)熱期間。(2)振動(dòng)的影響。振動(dòng)也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，必需承受適當(dāng)?shù)姆庋b以確保線圈良好的牢固性，內(nèi)部機(jī)械設(shè)計(jì)必需特別合理，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。(3)偏振的影響?，F(xiàn)在應(yīng)用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光纖，光纖的雙折射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寄生相位差，因此需要偏振濾波。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會(huì)導(dǎo)致本錢的增加。為了提高陀螺的性能．人們提出了各種解決方法。包括對(duì)光纖陀螺組成元器件的改進(jìn)，以及用信號(hào)處理的方法的改進(jìn)等。 光纖陀螺的進(jìn)呈現(xiàn)狀光纖陀螺的進(jìn)展是日新月異的。不僅是科學(xué)家熱心于此，很多大公司出于對(duì)其市場(chǎng)前景的看好，也紛紛參加到爭(zhēng)論開發(fā)的行列中來。由于光纖陀螺在機(jī)動(dòng)載體和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用甚為抱負(fù)，因此各國(guó)的軍方都投入了巨大的財(cái)力和精力。目前一些興旺國(guó)家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺的爭(zhēng)論方面取得了較大進(jìn)步，一些中低精度的陀螺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，而少數(shù)高精度產(chǎn)品也開頭在軍方進(jìn)展裝備調(diào)試。美國(guó)在光纖陀螺的爭(zhēng)論方面始終保持領(lǐng)先地位。目前美國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多種型號(hào)的光纖陀螺投入使用。以斯坦福大學(xué)和麻省理工大學(xué)為代表的科研機(jī)構(gòu)在爭(zhēng)論領(lǐng)域中不斷取得突破，而幾家研制光纖陀螺的大公司在陀螺研制和產(chǎn)品化方面也做得特別精彩。最著名的Litton公司和Honeywell公司代表了國(guó)際上光纖陀螺的最高水平。 光纖陀螺的進(jìn)呈現(xiàn)狀日本緊隨美國(guó)之后，在中低精度陀螺有用化方面走在了世界前列。很多公司都開頭批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。西歐幾個(gè)國(guó)家以及俄羅斯的第一代光纖陀螺也已經(jīng)投入生產(chǎn)，少數(shù)中、高精度陀螺已經(jīng)裝備到了空軍、海軍及部隊(duì)中。我國(guó)光纖陀螺的爭(zhēng)論相對(duì)起步較晚，但是在寬闊科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與興旺國(guó)家間的差距。航天工業(yè)總公司、上海803所、清華、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的爭(zhēng)論。依據(jù)目前把握的信息看，國(guó)內(nèi)的光纖陀螺研制精度已經(jīng)到達(dá)了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術(shù)甚至到達(dá)了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。但是國(guó)內(nèi)的爭(zhēng)論仍舊大多停留在試驗(yàn)室階段，沒有形成產(chǎn)品，距離應(yīng)用還有差距。所以我們?cè)谶@方面仍舊有很長(zhǎng)的路要走。

展望將來光纖陀螺的進(jìn)展將著重于以下幾個(gè)方面：(1)高精度。更高的精度是光纖陀螺取代激光陀螺在高等導(dǎo)航中地位的必定要求，目前高精度的光纖陀螺技術(shù)還沒有完全成熟。(2)高穩(wěn)定性和抗干擾性。長(zhǎng)期的高穩(wěn)定性也是光纖陀螺的進(jìn)展方向之一，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)陀螺的要求。比方在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場(chǎng)等