光纤陀螺仪的原理及应用共22页文档
光纤陀螺仪工作原理
光纤陀螺仪工作原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光纤陀螺仪那神奇的工作原理。
你说这光纤陀螺仪啊，就像是一个超级敏锐的“方向小精灵”。
它是咋工作的呢？这可得好好说道说道。
想象一下，有一束光在细细的光纤里欢快地奔跑，就像我们在操场上尽情地撒欢儿。
这束光会分成两部分，沿着不同的路径跑呀跑。
然后呢，它们又会神奇地相遇。
这时候，要是我们的设备转了个角度，嘿，这两束光跑的路程可就不一样啦！就好像你和小伙伴比赛跑步，跑的路线不同，那到达终点的时间能一样吗？肯定不一样呀！这一点点的差别，光纤陀螺仪就能敏锐地察觉到。
咱平常走路啊、开车啊，要是没有个能准确知道方向的东西，那还不得晕头转向啊！光纤陀螺仪就像我们的贴心小卫士，时刻帮我们盯着方向呢。
你说它厉害不厉害？它就那么安安静静地在那里工作着，默默地为我们指引方向，从不喊累，也从不抱怨。
而且啊，它还特别精准。
就像一个神箭手，指哪儿打哪儿，几乎不会出错。
这可太重要啦，要是它不靠谱，那我们不就像无头苍蝇一样乱撞啦？
它的应用那可广泛了去了。
在航空航天领域，它帮助飞机、卫星稳稳地飞行；在航海领域，让轮船在茫茫大海上也不会迷失方向。
这光纤陀螺仪啊，虽然看起来小小的，可它的本事可大着呢！它就像是隐藏在科技世界里的一个小魔法，默默地发挥着巨大的作用。
所以啊，可别小看了这小小的光纤陀螺仪，它可是我们探索世界、走向未来的重要伙伴呢！它让我们的生活变得更加有序，让我们在前进的道路上更加自信和坚定。
是不是很了不起呢？。
光纤陀螺仪原理
光纤陀螺仪原理一、引言光纤陀螺仪是一种利用光学原理测量角速度的装置，主要应用于惯性导航、飞行器姿态控制等领域。
本文将详细介绍光纤陀螺仪的原理。
二、光纤陀螺仪的基本结构光纤陀螺仪由三个主要部分组成：激光器、光路系统和检测系统。
其中，激光器产生高强度的单色激光，经过复杂的光路系统后被分成两束相互垂直的线偏振激光，分别沿着两条互相垂直的方向传播。
这两束激光经过反射后再次合并，形成一个干涉图像，在检测系统中被转换为电信号。
三、Sagnac效应在了解光纤陀螺仪原理前，需要先了解Sagnac效应。
Sagnac效应是指在旋转参考系下，沿着闭合路径传播的两束平行平面波之间会产生相移差，即干涉图像会发生位移。
该效应可以通过Michelson干涉仪实验进行验证。
四、工作原理当光纤陀螺仪处于静止状态时，两束激光在光路系统中经过相同的路径，干涉图像不会发生位移。
但是当光纤陀螺仪开始旋转时，由于Sagnac效应的存在，两束激光在传播过程中会发生相位差。
这个相位差与旋转速度成正比，可以通过检测系统测量得到。
由于旋转方向不同，干涉图像的位移方向也不同。
通过检测干涉图像的位移量和旋转时间可以计算出角速度。
五、优点和缺点与机械陀螺仪相比，光纤陀螺仪具有以下优点：精度高、响应速度快、体积小、重量轻、可靠性高等。
但是其缺点也很明显：价格昂贵、对温度和振动敏感、需要较高的技术水平进行维护和校准等。
六、应用领域由于其高精度和可靠性，光纤陀螺仪被广泛应用于惯性导航、飞行器姿态控制、地震勘探等领域。
此外，光纤陀螺仪还可以用于科学研究，例如测量地球自转速度、测量引力波等。
七、结论光纤陀螺仪是一种利用Sagnac效应测量角速度的装置。
其原理基于两束相互垂直的线偏振激光在旋转参考系下产生相位差，通过检测干涉图像的位移量可以计算出角速度。
光纤陀螺仪具有高精度、响应速度快、体积小、重量轻等优点，被广泛应用于惯性导航、飞行器姿态控制等领域。
光纤陀螺技术及其应用
光纤陀螺技术及其应用张伟伟（河南大学物理与电子学院，开封 475001）光纤陀螺是建立在Sagnac 效应基础上的光学干涉仪，主要用来检测外部载体的运动角位移和角速度。
光纤陀螺与机械陀螺和激光陀螺相比具有结构简单，体积小，质量轻，成本低，灵敏度和分辨率高等一系列优点，引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣。
光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。
但是由于光纤陀螺其传感元件光纤线圈对各种物理量极为敏感会产生陀螺噪声，而且本身固有物理结构，光源质量，光学器件，光探测器等一起也会形成复杂噪声源影响光纤陀螺的灵敏度使精度下降。
目前，国内光纤陀螺仪研制水平与国外相比已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶段，也没有可靠性数据。
因此，对于光纤陀螺我们还需要不断地进行研究，以求研制出满足各行各业需要的实用的光纤陀螺。
1 光纤陀螺基本原理各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac 效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。
Sagnac 效应是指当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。
该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。
如图1所示为光纤陀螺原理示意图，从A 点入射的光被分束器分成等强的两束光,反射光a 进入光纤线圈沿逆时针方向传播，透射光b 被反射镜反射回后又被分束器反射，进入光纤线圈沿顺时针方向传播。
两束光绕行一周后，又在分束器汇合。
当干涉仪无旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程相同，即两束光波的光程差为0。
当干涉仪绕着其垂直轴以角速度Ω（设逆时针方向为正方向）旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程和时间就不再相等，其时间差和光程差分别为：2224()a b R t T T c R π∆=-=Ω-Ω Ω≈∆=∆cR t c L 24π（()22Ω>>R c ） 所以光纤环中两束光之间的相移为：Ω=∆=∆λπλπϕc RL 4L 2（R L π2=为光纤环的周长）图1 圆形萨格奈克干涉仪一般情况下，光纤陀螺采用的是多匝光纤线圈（N 匝）的光纤环，两束光绕行N 周再次汇合时的相移应为： Ω=Ω=∆K c RLN λπϕ4（λπc RLN K 4=为光纤陀螺的标度因数）这表明两束光的光程差与输出相移与旋转角速度Ω成正比，所以只要测得光程差或相移就可以求出转动角速度Ω。
光纤陀螺仪的发展及应用
光纤陀螺仪的发展及应用光纤陀螺仪是一种基于光学原理的精密仪器，用于测量和检测物体的角速度和角位移。
它的工作原理是利用光纤作为传感器，在光的干涉和干扰效应下实现对角速度进行精确测量和计算。
光纤陀螺仪具有高精度、快速响应、长寿命和抗干扰性强等优点，因此在航空航天、导航、地震监测和工业控制等领域得到广泛应用。
光纤陀螺仪的发展经历了几个重要的阶段。
最早的光纤陀螺仪出现在20世纪70年代，它使用了光纤作为传感器，在光的干涉效应下实现对角速度的测量。
然而，当时的光纤陀螺仪体积庞大、价格昂贵、性能不稳定，限制了其在实际应用中的推广和应用。
随着技术的发展，光纤陀螺仪逐渐趋于小型化、高精度化和低功耗化。
在20世纪90年代，研究人员提出了一种新的光纤陀螺仪结构，即光纤环结构。
这种结构有效地实现了对光在光纤中传播时产生的微小光程差的测量，大大提高了陀螺仪的灵敏度和稳定性。
近年来，随着光纤技术的不断进步，光纤陀螺仪实现了更高的分辨率、更低的噪声和更宽的测量范围。
同时，光纤陀螺仪的体积也不断减小，造价也大大降低，使得其在大规模商业化应用中更具有竞争力。
光纤陀螺仪目前在航天航空领域有着广泛的应用。
它可以用于飞行器的导航、姿态控制和稳定系统，实时测量飞行器的角速度和绕各轴旋转角度，从而保证飞行器的安全和稳定。
光纤陀螺仪还可以用于航天器的精确定位和导航，为太空探测任务提供准确的数据支持。
此外，光纤陀螺仪还被广泛应用于民用领域。
例如，光纤陀螺仪可以用于汽车导航系统，提供准确的行驶方向和距离信息；在地震监测中，光纤陀螺仪可以实时监测地壳的变化，预警地震；还可以在工业控制系统中实现精确的角位移测量和控制，提高生产过程的自动化和智能化水平。
总的来说，光纤陀螺仪以其高精度、快速响应和抗干扰性强的特点，成为现代导航和控制系统中不可或缺的重要元件。
随着技术的进一步发展，相信光纤陀螺仪在更多领域的应用前景将更加广阔。
光纤陀螺仪原理及其工程应用
仍有较大差距。光纤陀螺技术将成为 21世纪惯性技术重点发展方向 , 必将在我国获得更大发展 ,在军民两用领域得到更广泛应用。
光纤陀螺仪的工程应用
战术导弹制导 航天器姿态调整 卫星定位 精密航天器应用
1.战略导弹系统和潜艇导航应用；2.卫星定向和跟踪；3.战术武器制导与控制系统；4.各种运载火箭应用；5.姿态／航向基 准系统； 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航；7.陆地导航系统(+GPS)；8.天体观测望远镜的稳定和调向；9.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置等工业和民用领域。
光纤陀螺仪具有的优点
仪器牢固稳定，耐冲击 结构简单，价格低廉 检测灵敏度和分辨率高 动态范围极宽 寿命长，信号稳定可靠 瞬时启动
光纤陀螺仪的工作原理
Sagnac效应
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效 应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应， 即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的 方向进行传播，最后汇合到同一探测点。
效应。再通过角速度的时间积分即可确定旋转体的角位置或方位角。
光纤陀螺仪的分类
01 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG) 02 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG) 03 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
光纤陀螺仪的分类
• 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目
前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，
01 一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提 供较高的精度。 按照检测相位的方法可分为 开环型（左图）和闭环型（右图）
光纤陀螺仪的原理结构
光纤陀螺仪的原理结构光纤陀螺仪的原理和结构是指用光纤做为传感器的陀螺仪。
它是一种利用光信号传输和干涉效应测量旋转角速度的设备。
光纤陀螺仪具有高精度、快速响应、可靠稳定等优点，被广泛应用于航空、航天、导航、地震勘测等领域。
光纤陀螺仪的基本结构包括激光器、光纤传输系统、光波导环和光探测系统。
激光器产生激光光束，光纤传输系统将激光光束通过光纤传输到光波导环。
光波导环是一个闭合环形结构，光纤会以环形方式被盘绕在上面。
当光波导环以角速度旋转时，由于旋转光路长度的改变，光信号会发生相位差。
最后，光探测系统通过干涉效应来测量光信号的相位差，从而可以间接推导出光波导环的旋转角速度。
光纤陀螺仪工作原理基于Sagnac效应和干涉效应。
Sagnac效应是指当光信号在旋转的均匀介质中传输时，在均匀介质静止时光程差为零，而当介质旋转时，由于光相对旋转介质传播速度的差异，会产生一个光程差。
而干涉效应是指由于光波的相干性，当两束光信号经过耦合后再次分离时，会产生干涉现象，即得到干涉光场。
利用干涉效应，我们可以通过测量干涉光场的变化来得到光波导环旋转角速度的信息。
具体地，光纤陀螺仪的工作过程如下：首先，激光器产生一束高强度的单色激光光束，并通过光纤传输系统将其传输到光波导环。
光波导环的设计使得光信号在环形结构中进行多次来回传输，从而增加了干涉效应的强度和灵敏度。
当旋转光波导环时，光信号会在环形结构上随着旋转方向进行分裂，并沿着相反方向传播。
在传播过程中，光信号经历了环形路径的不同长度，从而产生了一个光程差。
这个光程差会引起光信号的相位差。
光探测系统会接收到经过光波导环的光信号，并将其分为两路，分别称为参考光和测试光。
然后，参考光和测试光会通过一系列的光学器件进行处理。
光学器件可以将两路光信号重新耦合在一起，产生干涉现象。
光探测器会监测干涉光场的强度变化，然后将其转换为电信号。
根据干涉光场的变化，我们可以计算出光波导环旋转的角速度。
光纤陀螺仪的原理及应用
2
M CCW CCCW
M l
M ’
传输光程差
4R 2 L t c c
传输相位差
4 RL S 0 c
(a)
(a)系统静止；(b)系统旋转
(b)
图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应
国防工业出版社年 2012 . 2
[2 ]《工程光学》 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著
fibre optic gyroscope
光纤陀螺仪
光电学院100108班 第三组
组长：秦二雷 100108110 组员：邢腾飞 100108113 张福年 100108114 张一铭 100108115 张 羽 100108116 邹晓东 100108117 指导老师：杨 利 红 教授
2 0 1 5 年 5 月 7 日 星 期 四
机械陀螺
光纤陀螺仪
光纤陀螺
[1] 孙 丽 ， 王 德钊．光纤陀螺的最新 进展 [ J ] ． 航 天 控 制 ， 2 0 0 3， ( 3 )：7 5— 8 0 ．
fibre optic gyroscope
光纤陀螺仪与传统机械陀螺仪相比，具有以下优点：
没有旋转部件和摩擦部件 寿命长 动态范围大 瞬时启动
王巍 译 国防工业出版社
光纤陀螺仪的分类
干涉式光纤陀螺 ( I — FOG)
fibre optic gyroscope
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
布里渊型光纤陀螺( B— FOG)
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)
干涉型光纤陀螺 ( I — F O G) 是研究开发最早 、 技术最为成熟的光纤陀
布里渊型光纤陀螺是第 3 代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺( F — RLG)，
光纤陀螺原理
光纤陀螺原理
光纤陀螺是一种利用光纤作为传感器的陀螺仪，它利用光的干涉原理来测量角
速度，是一种高精度、高灵敏度的惯性导航仪器。
其原理基于光纤在旋转时会受到Sagnac效应的影响，从而实现了角速度的测量。
光纤陀螺的工作原理主要包括光路、干涉和信号处理三个方面。
首先，光纤陀
螺的光路是由光源、分束器、光纤环、合束器和探测器组成的。
光源发出的光经过分束器分为两路，一路顺时针流过光纤环，另一路逆时针流过光纤环，然后再通过合束器汇聚到探测器上。
当光纤环处于静止状态时，两路光程相等，合束器上的光信号干涉消光。
而当光纤环发生旋转时，由于Sagnac效应的存在，两路光程会产
生微小的差异，导致合束器上的光信号发生干涉，从而产生干涉信号。
其次，干涉信号的处理是光纤陀螺中至关重要的一环。
探测器接收到干涉信号后，会将其转换为电信号，并经过放大、滤波、数字化等处理，最终输出为角速度信号。
这些信号经过一系列的计算和处理后，可以准确地反映出光纤陀螺所受到的旋转角速度。
最后，光纤陀螺的原理还涉及到光的干涉现象。
当两路光程差为波长的整数倍时，两路光信号将完全相消，形成干涉消光；而当光程差为波长的奇数倍时，两路光信号将完全相长，形成干涉增光。
通过探测器对干涉信号的检测，可以准确地测量出光纤陀螺所受到的角速度。
总的来说，光纤陀螺利用了光的干涉原理，通过测量光纤环中光路的微小差异，实现了对角速度的高精度测量。
其原理简单而又精密，使得光纤陀螺在导航、航天、地震监测等领域有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，相信光纤陀螺在未来会有更加广阔的发展空间。