光纤陀螺仪光纤一组资料
光纤陀螺仪简介
• 关键是找到一个频率稳定度很高的标准激光光源
•
激光陀螺仪频率稳定度测量系统如图 1 所示。待测陀螺仪的输出光先经过全反 镜 M1,然后射到半 透半反镜 M2 上,碘稳定激光器的输出光直接射到半透半反镜 M2 上,调节 M1 和 M2 让两束激光位于 同一条直线,这样待测陀螺仪的输出光和碘稳定 激光器的输出光在 M2 重合,形成拍频。拍频光经过透 镜 M3 汇聚到光电接收器的光 敏面上形成电信号 微弱的拍频信号经过放大器放大,并由波形转换器 将正弦波转换 为方波以驱动频率计,频率计测得的 拍频频率由 GP-IB 接口直接送到计算机进行相 关的 数据处理
• MEMS惯性器件与系统、 微型惯性测量 组合等 这些提法各有侧重 但其本质基 本相同 是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、 特征 尺寸至微米级、 具有 将惯性参量及其辅助参量转换成电信号 并进行必要的信号反馈控制、 补偿、 量化、 编码压缩以及数据实时存储的器件和系统 所敏感的信号主要包括 加速度、 角加 速度、 位移、 角速度 等
光纤陀螺仪基本原理
微型惯性测量系统
• MEMS惯性器件与系统、 微型惯性测量 组合等 这些提法各有侧重 但其本质基本相 同 是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、 特征 尺寸至微米级、 具有将惯 性参量及其辅助参量转换成电信号 并进行必要的信号反馈控制、 补偿、 量化、 编 码压缩以及数据实时存储的器件和系统 所敏感的信号主要包括 加速度、 角加速度、 位移、 角速度 等
MEMS技术
• 微电子机械系统 , 它属于多学科交叉的新领域 , 是融合 微电子与精密机械加工的 技术 , 指毫米级下的可控制 、 可移动微型机电装置 。 是集微型机构 、传感器信号 处 理 、控制等功能于一体的 、具有信息获取 、处理和执行 等多功能的系统
光纤陀螺仪技术的发展与研究
光纤陀螺仪技术的发展与研究一、引言光纤陀螺仪是一种通过利用光（或电磁波）的干涉效应，测定角速度的高精度陀螺仪，广泛应用于惯性导航、航天、测绘和制导等领域。
随着光纤技术和信息技术的迅猛发展，光纤陀螺仪已经成为高科技领域不可或缺的重要工具之一。
本文将主要探讨光纤陀螺仪技术的发展和研究，通过分类介绍，详细阐述其原理、特点和应用。
二、光纤陀螺仪分类1. 常规光纤陀螺仪常规光纤陀螺仪具有独特的双波长光源、光学路径、检波器和信号处理方法。
其原理基于旋转对光波传播速度产生的不同效应，通过不同的光学干涉方法，最终实现对角速度的精准测量。
常规光纤陀螺仪具有精度高、抗干扰能力强、稳定性好等特点。
广泛应用于惯性导航、飞行器姿态控制、地震测量等领域。
但其灵敏度和稳定性也受到机械和光电元器件的影响，因此需要优化技术和材料、加强可靠性等方面的研究工作。
2. 纤维光栅陀螺仪纤维光栅陀螺仪是利用光纤光栅的干涉效应实现的陀螺仪。
其原理基于声学波的激发和布拉格反射，通过声学-光学相互转换，实现对角速度的高精度测量。
相对于常规光纤陀螺仪，纤维光栅陀螺仪具有灵敏度高、体积小、重量轻、功耗低等优点，可应用于重量限制的场合。
然而其对温度和振动等环境干扰的敏感性也较高，需要进行相应的技术研究和优化。
3. 拉曼光纤陀螺仪拉曼光纤陀螺仪是利用拉曼散射效应实现的陀螺仪。
其原理是通过光场的拉曼反散射，实现光波的频移和相移，从而测量系统的角速度。
相对于常规光纤陀螺仪和纤维光栅陀螺仪，拉曼光纤陀螺仪具有灵敏度高、免受磁场干扰等优点，因此在航天器的导航、高精度地震测量、地下勘探等领域有着广泛的应用。
但其可测量范围较窄，信噪比偏低等问题也需要进一步改进。
三、光纤陀螺仪技术发展光纤陀螺仪技术的发展是基于光纤制造、光学设计、信号处理等多个领域的紧密结合。
近年来，其研究方向主要包括以下三个方面：1. 新型传感器和器件新型光纤传感器和器件的出现，极大地推进了光纤陀螺仪技术的发展。
光纤陀螺仪介绍
光纤陀螺仪简介一、陀螺仪综述陀螺仪，是能够感知自身角运动的变化的仪器，又称角运动传感器。
陀螺仪广泛应用在惯性导航系统(INS,)中。
惯性导航系统，主要由角运动传感器（陀螺仪）、加速度传感器和运算电路三部分主要部件构成，不同于卫星导航系统（北斗导航、GPS导航），惯导系统不依赖外部信号的输入，仅通过测量自身运动的变化便可计算出自身的位臵信息。
如图1-1，INS导航与GPS导航共同组成的GPS/INS组合导航系统，是目前高精度导航仪的主要结构。
GPS/INS组合导航系统陀螺仪关键性能指标：1 零偏稳定性定义：当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。
以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。
2 角随机游走定义：表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分（角度）随时间积累的不确定性（角度随机误差）。
3 标度因数非线性度在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。
物理意义：测量精度（二）陀螺仪主要种类比较1 机械式陀螺仪机械式陀螺仪发展经历了滚珠轴承式陀螺仪、气浮陀螺仪、液浮陀螺仪、磁浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪。
其共同点都是通过测量自由机械转子的运动获得转动参数，不同的是对转子的支撑方式或测量方式。
机械陀螺中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/h，甚至更高，能够满足惯性级的精度要求。
但是无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、挠性陀螺和静电陀螺，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。
由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，转速才能达到稳定。
同时，高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。
机械陀螺共性是存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。
三轴机械式陀螺仪结构原理图美国80年代研制的MX（和平保卫者）导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，每小时仅偏离1.5*10-5度，使该导弹可以在完全不依赖外部信息的情况下在14000公里射程上偏差小于100米，然而设备成本也极为高昂。
光纤陀螺仪
陀螺仪
陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是 指敏感角速率和角偏差的一种传感器．自1852 年陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用 于航海、航空、航天以及国民经济等领域。
刚体转子陀螺仪：液浮陀螺、静电陀螺和动力 调谐陀螺是技术成熟的三种
新型陀螺仪：激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀 螺
பைடு நூலகம்望
相关技术的发展：
光纤通信技术，光纤传感技术，集成光学技术
发展的方向：
1.高精度，高可靠性 2.小型化，稳定性 3.多光轴 4.生产规模化
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪（FOG）是一种利用萨格纳 克(Sagnac)效应测量旋转角速率的新型 固态惯性仪表。
光纤陀螺仪基本原理
光纤陀螺仪基本原理
光纤环组成的闭合回路
光纤陀螺仪分类
按工作原理： 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，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
谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，第二代光纤陀 螺仪，采用环形谐振腔增强SAGNAC效应，利 用循环传播提高精度，可以采用较短光纤
受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三 代光纤陀螺仪比前两代又有改进，目前还处于 理论研究阶段
光纤陀螺仪分类
按检测位相的方法：
开环型：通过干涉光强的变化直接检测 干涉后的Sagnac相移。电路简单，但输出 响应存在非线性，动态范围窄，检测精度 低。
闭环型引入了反馈相移，使其始终工作 在灵敏度最高的零位相差点附近，线性程 度好，动态范围大。
发展现状
美国：最早研制和应用光纤陀螺的国家 Litton公司 Honeywell公司
日本：中低精度陀螺的改善 民用化 日立公司 日本航空电子工业（JAE）
光纤陀螺仪的原理及应用
光纤陀螺仪的原理及应用光纤陀螺仪（Fiber Optic Gyroscope，FOG）是一种基于光学原理的精密惯性测量装置，用于测量和监测旋转运动。
它利用光纤的传输特性和Sagnac效应实现测量旋转运动的原理。
光纤陀螺仪的原理是基于Sagnac效应。
Sagnac效应是20世纪初法国物理学家Sagnac发现的一种光学现象，它是由于光在旋转系统中传播时，相对于旋转系统固连的坐标系，光沿顺时针和逆时针方向传播所需的时间不同而导致的。
光纤陀螺仪利用这个效应，通过测量光在光纤中的传播时间差来推测出旋转系统的旋转信息。
光纤陀螺仪的基本结构包括光源模块、光纤环和检测模块，其中光纤环是光纤陀螺仪的关键部件。
光纤环是由一个光纤来回缠绕而成的环形结构，通过环形的光纤路径，光可以顺时针和逆时针两个方向传播。
当光纤环不发生旋转时，两束光沿相同路径传播，其光程差为零；而当光纤环发生旋转时，两束光会在循环路线上产生不同程度的光程差，其大小与旋转角速度和环形光纤长度有关。
光纤陀螺仪通过光纤环中的相位差来测量旋转运动。
光纤陀螺仪通过向光纤环中注入一束激光光束，并分成顺时针和逆时针两个传输方向，经过一段一致长度的光纤后再汇合，再通过光探测器对两束光信号进行比较，并检测出相位差。
应用方面，光纤陀螺仪具有广泛的应用领域：1. 惯性导航系统：光纤陀螺仪广泛应用于航天、航海、军事等领域中的惯性导航系统中，用于测量航天器、舰船或导弹的姿态、角速度和角加速度，实现精确导航和定位。
2. 地震预警：光纤陀螺仪可以用于测量地震、地壳运动和地球自转等地球物理学参数，通过分析和监测这些数据，可以提前预警地震活动，为地震防灾提供重要信息。
3. 石油勘探：光纤陀螺仪可以应用于石油勘探领域，用于测量地下油田的地质构造、井筒位置和地震勘探过程中的旋转运动等参数，提高勘探效果和资源利用率。
4. 智能车辆导航系统：光纤陀螺仪可以用于智能车辆导航系统中，用于测量车辆的姿态和旋转运动，提供准确的车辆导航和行驶方向。
光纤陀螺仪的原理及应用
光纤陀螺仪的发展现状和趋势
光纤陀螺仪目前已经取得了长足的发展，技术不断进步。未来，随着对导航 和姿态测量需求的增加，光纤陀螺仪有望实现更高的精度和更广泛的应用。
光纤陀螺仪的技术挑战和解决 方案
光纤陀螺仪在实际应用中仍面临一些挑战，如温度漂移、光纤损耗等问题。 为了解决这些问题，科学家们正在努力开发新的材料和技术，以提高光纤陀 螺仪的性能。
光纤陀螺仪的应用领域
• 航空航天：飞机、导弹、卫星等导航定位系统 • 智能交通：自动驾驶、船舶姿态控制 • 工业制造：机器人导航、运动控制 • 科学研究：地震仪、地壳运动监测 • 军事：导弹发射控制、舰船、战车稳定控制
光纤陀螺仪的优势和特点
• 高精度：能够测量非常微小的角速度变化 • 高稳定性：对温度、震动等环境因素的影响较小 • 长寿命：光纤陀螺仪无机械零件，寿命长 • 抗干扰能力强：能够在复杂环境下工作
光纤陀螺仪的原理及应用
光纤陀螺仪是一种基于光学原理Fra bibliotek高精度惯性测量装置，广泛应用于导航、 航空航天、智能交通等领域。
光纤陀螺仪的定义及基本原理
光纤陀螺仪是通过利用光的干涉现象来测量角速度的一种设备。它基于狭缝 效应，通过检测光纤中光传输的相位变化来计算角速度。
光纤陀螺仪的工作原理
光纤陀螺仪利用角速度对光纤中光的相位差的影响，通过探测这一差异来测 量角速度。光纤陀螺仪通过光源、光纤、光路、检测器等组成，实现对角速 度的测量。
结论和展望
光纤陀螺仪作为一种高精度的惯性测量装置，具有重要的应用价值。随着技术的进一步发展和需求的增加，光 纤陀螺仪将在更多领域得到应用，并为社会发展做出更大的贡献。
光纤陀螺仪指标(国军标)1资料
光纤陀螺仪测试方法1范围本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。
2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB321-1980优先数和优先系数CB998低压电器基本实验方法GJB585A-1998惯性技术术语GJB151军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求3术语、定义和符号GJB585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。
3.1术语和定义3.1.1干涉型光纤陀螺仪interferometric fiber optic gyroscope仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。
当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。
3.1.2陀螺输入轴input axis of gyro垂直于光纤环圈等效平面的轴。
当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。
3.1.3标度因数非线性度scale factor nonlinearity在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。
3.1.4零偏稳定性bias stability当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。
以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。
3.1.5零偏重复性bias repeatability在同样条件下及规定间隔时间内，多次通电过程中，光纤陀螺仪零偏相对其均值的离散程度。
70光纤陀螺仪指标
70光纤陀螺仪指标70光纤陀螺仪是一种高性能的惯性导航传感器，广泛应用于航空航天、导航定位、导弹制导等领域。
本文将围绕70光纤陀螺仪的指标展开讨论，介绍其原理、性能参数以及应用。
一、70光纤陀螺仪的原理70光纤陀螺仪利用光学原理实现角速度的测量。
它由光纤环路、光源、探测器和信号处理器等组成。
当陀螺仪受到外界角速度的作用时，光纤环路中的光束将发生相位差，通过探测器测量该相位差，就可以得到角速度的信息。
二、70光纤陀螺仪的指标1. 零偏稳定度：即陀螺仪在无角速度输入时输出信号的稳定性。
零偏稳定度越高，说明陀螺仪的零点漂移越小，能够提供更准确的角速度测量。
2. 零偏温度漂移：陀螺仪的零偏会受到温度变化的影响而发生漂移，零偏温度漂移指的是在一定温度范围内，陀螺仪零偏随温度变化的程度。
对于高精度的导航系统来说，零偏温度漂移应尽量小。
3. 零偏随振动的变化：陀螺仪在受到振动时，其零偏会发生变化，零偏随振动的变化指的是陀螺仪零偏与振动强度之间的关系。
对于航空航天等振动环境严苛的应用场景，零偏随振动的变化应尽量小。
4. 零偏随时间的变化：陀螺仪在使用过程中，其零偏可能会随时间发生变化，零偏随时间的变化指的是陀螺仪零偏与使用时间之间的关系。
对于长时间稳定性要求高的应用，零偏随时间的变化应尽量小。
5. 角速度测量范围：陀螺仪能够测量的角速度范围。
对于不同应用场景，对角速度测量范围的要求不同，需要根据实际需求选择合适的陀螺仪。
6. 角速度测量精度：陀螺仪输出的角速度与实际角速度之间的偏差。
角速度测量精度越高，陀螺仪提供的角速度信息越准确。
7. 抗震性能：陀螺仪在受到外部震动时的稳定性。
抗震性能好的陀螺仪能够在恶劣的振动环境下提供可靠的角速度测量。
8. 体积和重量：陀螺仪的体积和重量对于应用场景来说是非常重要的考虑因素。
体积小、重量轻的陀螺仪更适合嵌入式系统和小型装备中使用。
三、70光纤陀螺仪的应用1. 航空航天：70光纤陀螺仪广泛应用于飞行器的姿态控制、导航定位和飞行参数测量等方面。
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干涉式光纤陀螺 ( I — FOG)
干涉式陀螺首次应于道尼尔328客机上，目前应用于波音777飞机的姿态和空 气数据系统(SAARU)。
干涉光线仪 装置安放处
道尼尔328客机
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
谐振腔光纤陀螺（R-FOG）是第2代光纤陀螺。它利用一个循环的环形
谐振腔来增强旋转引起的萨格奈克效应。
传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受 到了很多方面的制约。
光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。 光纤陀螺仪（fibre optic gyroscope）是一种利用萨格奈克( Sagnac ) 效应测量旋转角速率ω的新型全固态 惯性仪表。
光纤陀螺仪简介
陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器．现代陀螺仪是一种能够精 确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它 的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。
闭环光纤陀螺的基本原理是在光纤环中人为地引入一非互易的补偿相移，以抵消由于 光纤环旋转产生的Sagnac相移，补偿相移与Sagnac相移大小相等，方向相反。光纤陀 螺始终工作在灵敏度最高的零位相差点附近，可以从补偿相移中获得陀螺的输出信号 ，这时陀螺的动态范围取决于引入补偿位相的器件性能。 较之开环陀螺，闭环光纤陀螺避免了陀螺输出的非线性，动态范围广，检测精度高。 另外，闭环方案的使用，使得光纤陀螺能自动调整优化状态，进行动态探测追踪。
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以角速度旋转时，则沿 顺 、 逆时针方向传播的两波列光波在环路中传播一周产生的相位差 为：
※A为光传播路径包围的面积一般的向量表达
光纤陀螺仪的分类
干涉式光纤陀螺 ( I — FOG)
Fibre Optic Gyroscope 光纤陀螺仪
通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较 宽的动态范围； 相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热； 可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的 传感器； 结构简单、价格低，体积小、重量轻。
……
光纤陀螺仪与其他陀螺仪比较
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 ( I — FOG)
干涉型光纤陀螺 ( I—FOG ) 是研究开发最早、技术最为成熟的光纤陀螺，属第1代光 纤陀螺 。它利用干涉测量技术把光位相的测量转变为光强度的测量，从而较简单地测 出Sagnac位相变化。 按照位相偏置方式可以分为：位相差偏置方式、光外差方式和延时调制方式。 按照光路组成可以分为消偏型、全光纤型和集成光学型。 按照检测相位的方法可分为
机械陀螺仪
激光陀螺仪
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪简介
与机械陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：
零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力； 绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级； 无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；
易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
Sagnac 效应
传输时间差：
t tCCW
4R2 tCW 2 c
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)
(b)
图1 理想环形光路系统中的 Sagnac 效应 (a)系统静止；(b)系统旋转
如图1(a)所示，在无旋转条件下，两束光传输时间相等，为
tCCW tCW
L 2R c c
M CCW CCCW
M l
M ’
如图1(b)所示，ω旋转条件下为
2R t CCW c R 2R t CW c R
(a)
(b)
图1 理想环形光路系统中的 Sagnac 效应 (a)系统静止；(b)系统旋转
开环型（左图）和 闭环型（右图）
宽带光源
ASE
耦合器 光电检测器
Y波导 光纤环
干涉光强信号
A/ D
逻辑电路
D/ A
转速信号
开环型
闭环型
调制电压信号
PIN
干涉式光纤陀螺 ( I — FOG)
开环光纤陀螺是指依据Sagnac原理，通过干涉光强的变化直接检测干涉后的Sagnac相 移，从而得到旋转角速率。 开环系统的优点是电路简单，但是开环光纤陀螺输出响应存在非线性，因而动态范围 较窄，检测精度低。
谐振腔光纤陀螺结构图
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
与 I—FOG相比，R— FOG具有以下特点： 光纤长度短 ，降低了成本； 采用高相干光源，波长稳定性高； 检测精度高，动态范围大。
注意：R-FOG
研究起步较晚，且对光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG
还处于实验室研究阶段，但是和I-FOG相比有上述优势，因此各国都投 入大量人力对其进行研究，相信在不久的将来，R-FOG一定可以在惯性 导航与制导等诸多领域得到广泛应用。
摘自《中国惯性技术学报》
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
各种类型的光纤陀螺,基本原理都是利用式不同,或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同。
检测器
分束镜 光源
透镜
透镜
光纤线圈
光纤陀螺结构图
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
Sagnac 效应
POWERPOINT
Fibre Optic Gyroscope 光纤陀螺仪
刘同磊 邹策 靳世广 刘欢 S15085203001 S15085203002 S15085203003 S15085203004
思考？
Contents
1 2 3 4
光纤陀螺仪简介
基本原理-sagnac效应
光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪的应用