第3章第3.3节光纤陀螺
光纤陀螺原理PPT课件
I0
5
干涉式光纤陀螺基本原理
光源发出的光经过耦合器 后分为两束光，其中的一束光 进入电光相位调制器（Y波 导），经过Y波导的内部调节 后输出的两束光为满足光的相 干条件，这两束光在光纤环中 相向传播，感应外部的角速度 运动，在探测器处检测干涉信 号光强变化，经过光电信号处 理转换之后，形成闭环反馈电 压信号来调节Y波导，使Y波导 产生与外部Sagnac相移大小 相等方向相反的反馈相移，使 数字闭环光纤陀螺始终工作在 零点相移附近，在数据处理的 同时即可以获取外部的角速度 信息。
也即：
S
复位后， T 由零变为RS 。
20
闭环工作方案与实现
复位误差 为简单起见，考虑干涉仪施加偏置后的正弦响应。
当T 0 时信号为零，但在每个复位后的时间τ 内，信号变为sinRS 。
这种寄生信号可以作为一个方便的误差信号，用于在每个复位触发第二个 反馈回路，以检验相位调制器的调制效率。
J
RS
0
FB
0
J 数字相位斜波引起的相位差
t
t
J RS
b
方波偏置调制信号
0
t
24
闭环工作方案与实现
数字相位斜波的真正“魅力”，是运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值， 都能通过转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位。这样可以非常容易地实 现这项有效的技术。
A/D转换器
旋转时，则有：
I (S ,b ) I01 cos(S b ) I (S ,b ) I01 cos(S b )
两种调制态之差变为：
I (S ,b ) I0[cos(S b ) cos(S b )] 2I0 sin b sin s
光纤陀螺的原理及应用ppt课件
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。
布里渊型光纤陀螺( B— FOG)
或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺( B— FRLG) 。
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)
开环光纤陀螺是依据Sagnac原理，通过干涉光强的
变化直接检测干涉后的Sagnac相移。
优点： 明显非线性 精度差 输入范围小 电路简单
缺点： 非线性严重 精度低 动态范围窄
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干涉式光纤陀螺仪(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)
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
2
M CCW CCCW
M l
M ’
传输光程差
2 4 R L tc c
传输相位差
4 RL S 0c
(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
结构简单
光纤陀螺
EuroFOG(法国)
10゜/h到0.01 ゜/h系列化 0.05゜/h 10゜/h
Fizoptika(俄罗斯) 日立（日本）
3. 与其他陀螺的比较：
光纤陀螺是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于；①无 运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单， 零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵 敏度和分辨率极高(可达 10rad/s)；⑤可直接用数字输出并与计算机 接口联网；⑥动态范围极宽(约为 2000°/s)；⑦寿命长，信号稳定 可靠；⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来 的负效应；⑩可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。
屏幕
分光镜 光源
反射镜 1
反射镜 2
反射镜 3
萨格纳克效应已经得到广泛的应用， 由萨格纳克效应研制出的光 纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近 20 年发展较快的一种 陀螺仪。 根据sagnac效应 ，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。 以干涉式光纤陀螺为例，如图1所示，光源(SLD)发出的光经分束器 (coupler)分为两束后，进入一半径为R的单模光纤环(fiber coil) 中，分别沿顺时针方向(CW)及逆时针方向(CCW)反向传输，最后同向 回到分束器形成干涉。显然，当环形光路相对于惯性参照系静止时， 经顺、逆时针方向传播的光波回到分束器时有相同的光程，即两束光 波的光程差等于0；当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以 角速度Ω 旋转时，则沿顺、逆时针方向传播的两波列光波在环路中传 播一周产生的光程差为：
光纤陀螺
光纤陀螺及军事应用摘要：本文主要介绍了光纤陀螺，光纤陀螺的发展历史及其现状；在光纤陀螺分类的基础上分析其原理；光纤陀螺的特点；分别于陆海空三个不同的方面讲述光纤陀螺的军事应用以及光纤陀螺未来发展趋势。
关键词：光纤陀螺；发展历史；原理；分类；特点；军事应用；发展趋势Fiber Gyroscope and Military ApplicationXu Rui(School of Economy and Administration, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: This paper mainly introduces the development history and present situation of fiber optic gyroscope, optical fiber gyroscope; analyze its principle based on the classification of the characteristics of fog; fog; military application and development trends in the future about the fiber optic gyroscope fog on three different aspects of armed respectivelyKeywords: Fiber gyroscope；History；principle；Classification；Characteristic；Military application；Development trend.1 前言现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性制导仪器，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。
光纤陀螺学术报告
Detector
影响光纤陀螺精度的主要因素
• 互易性 • 偏振态 • 寄生效应
影响光纤陀螺精度的主要因素
互易性
互易性是光纤陀螺在光路部分的结构设计中必须遵循的原则，所谓的 互易性就是要保证在Sagnac 光纤干涉仪中，沿相反方向传播的两束光，不 产生非转动因素引起的相移 。
耦合器 2 光源
Detector SLD
光纤环
Detector
光纤陀螺的研究现状
受激布里渊散射型光纤陀螺（B-FOG）也被称为第三代光纤陀螺，是利用高 输出功率，并在光纤环中能够引起布里渊散射的激光器构成的陀螺仪，是通过检测 受激布里渊散射（SBS）的拍频来检测旋转角速率，是环型激光陀螺（RLG）的光 纤化产品。由于B-FOG所用光器件较少，而且理论上的检测精度高，特别是比例因 子的线性度是三种光纤陀螺中最好的，因此倍受人们的关注。目前B-FOG的研究还 处于基础阶段，主要集中于B-FOG中的偏振态、散射琐定、Kerr效应、Faraday效 应和各种噪声源对陀螺仪精度的影响方面。同样在研制B-FOG中，大功率，且具有 较长的相干长度的光源（即光纤光源）是其关键部件。目前该种光源在国内还处于 研制阶段，因此对B-FOG的研究还处于理论研究阶段 SLD
CW Detector Ω
CCW
光纤陀螺的特点
光纤陀螺是无运动部件的全固态设计的一种光学陀螺， 具有重量轻、启动快、动态范围大，寿命长，抗冲击和振 动的能力强。虽然在精度上目前还不如静电陀螺和液浮陀 螺，但是光纤陀螺具有其它陀螺不可替代的的特殊优点， 在车辆定位导航、火箭的姿态和飞行控制、船姿系统，舰 船的导航、火箭的发射以及机器人的控制方面都具有广泛 的应用前景。目前，光纤陀螺正朝着高精度、低成本和实 用化方面发展，而且光纤陀螺的技术日趋成熟，应用覆盖 面大，实际用量逐年增多，使得光纤陀螺已成为代表当前 惯性仪表发展趋势的一种典型的光电惯性器件，必将成为 21世纪陀螺仪市场的主导产品之一。
光纤陀螺
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪的分类
按工作原理：
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，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，也势必会使整体结构更加复杂； 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用 环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因 此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源来增 强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应， 如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。； 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。
陀螺仪
有关专家认为：精度在10-2 º/h或者更高的光纤陀螺将代替激光陀螺， 这是发展趋势。在军用方面，飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光 纤陀螺用以导航和制导，而且卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺 仪用于与地形跟踪匹配和导向，火箭发射场上光纤陀螺仪用于火箭升 空发射跟踪及测定等。
在民用方面，光纤陀螺仪 可用于飞机导航和石油勘察、 钻井导向(确定下钻的位置)， 特别是在工业上的应用具有 极大的发展潜力。
陀螺仪
3) 低精度陀螺仪 低精度陀螺仪指精度范围超过10-1 º/h的陀螺仪。目前有发展前景的 是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前 景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、 天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。
光纤陀螺仪
微机械框架式陀螺仪的工作原理
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。 迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种 类十分繁多。 液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺 仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。 随着光电技术、微米／纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光 纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近 代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—高速 转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导 产品，具有广泛的发展前途和应用前景。
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
光纤陀螺
Lecture 14 -- Fiber Optic Gyro
1
Outline
1. 光纤陀螺概述 2. 光程差, 相位差和互易性 光程差 3. 相位偏置和相位调制 4. 开环、闭环光纤陀螺, 谐振光纤陀螺 开环、闭环光纤陀螺 5. 其它问题
Lecture 14 -- Fiber Optic Gyro
~ fm
D PSD SF
引入放大器 SF 和相位 形成闭环. 变换器 PT, 形成闭环
Lecture 14 -- Fiber Optic Gyro
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4.3 谐振型光纤陀螺
PSD1 D1 SL LR SL1 PSD2 D2 L2 SL2 C L1
光纤线圈
分成两束, 谐振器). 来自 LR 的激光被 SL 分成两束 从两端进入线圈 (谐振器 谐振器 当光纤陀螺旋转, 两束光的谐振频率变化. 当光纤陀螺旋转 两束光的谐振频率变化 频率差和输入角速度成正比, 测量. 频率差和输入角速度成正比 由两个检测器和 PSD 测量
π π
2
−π
−
π
2
0
∆ϕ
当输入的相移 ∆φ=0，检测器的输出 ， 如左图所示. 如左图所示 I
ϕm
当 ∆φ≠0, 检测器的输出如右图所 示. 输出信号的均值取决于当前曲线下 的面积. 的面积
−π −
π
2
0
π π
2
∆ϕ
ϕm
Lecture 14 -- Fiber Optic Gyro
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3.3*交变相位偏置 交变相位偏置
5
2.1 Sagnac 干涉仪 静止 干涉仪:
环形 Sagnac 干涉仪
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三．光纤陀螺的光路系统－－耦合器
光纤耦合器在光纤陀螺干涉光路中起分束 与合束的作用。
三．光纤陀螺的光路系统－－偏振器
三．光纤陀螺的光路系统－－调制器
实现π /2的相位偏置使系统处在光纤应变状态下改变其长度和 折射率，对光纤中传输的光波进行相位调制。
也逐渐得到应用。 • 美国汽车制造厂考虑将陀螺用于汽车防滑系统和动态驾
驶控制。
• 治克威尔公司打算将小型综合全球定位／导航系统用于 应急车辆，如救护车、救火车、警车等。惯性测量装置使 车辆在高楼等阻塞GPS信号时继续保持预定的行车路线， 克服了“都市峡谷”的影响。这家公司1994年的一次展览
会上展示了装在货车上的导航系统。
四．光纤陀螺的应用
1．制导
制导是指自动控制和引导飞行体按预定轨道或飞行路 线准确到达目标的过程。 所谓导弹，是依靠反作用原理推进，可以控制和引导 并装有战斗部的无人驾驶飞行器。导弹必须有制导设备， 以对它飞行的全过程或某些阶段进行控制
2．导航
3．民用
随着成本的降低和技术的发展，在国民经济的其它部门
通过检测相位差Δ Φ （即干涉光强）就可以获 得角速率Ω 的信息，其中4π LR/cλ 项就是陀螺的 标度因数。
例：已知光纤圈面积A＝100cm2，旋转角速率 Ω ＝10－3Ω E（Ω E为地球自转速率l 5 0／h)，即 0.0150／h，求：此单匝光纤环上得到的光程差 为多少？ 解：Δ L=10－15 cm。
二．光纤陀螺
• 当光纤圈处于静止状态 时从光纤圈两端出来的两 束光，光程差为零。
•当光纤 圈以角 速率 Ω 旋 转时由于Sagnac效应，顺、 逆时针方向传播的两束光 产生光程差△L。
式中 CW——表示顺时针方向； CCW——表示逆时针方向； R——光纤圈半径； L——光纤长度； A——光纤光路所包含的面积，A＝πR2； N——光纤圈匝数； λ——光的波长； C——光在介质中传播速度。
与氢原子直径10 －8cm相比较，可发现单 匝光纤环的Sagnac效应是很小的。显然，要提 高干涉仪的灵敏度就必须大大增加光纤匝数， 也就是说增加光纤的几何参数LR 。通常LR取 值在10一100m2之间。
三．光纤陀螺的光路系统
1、光源
高功率、宽光谱的SLED
2、探测器 灵敏度高、响应快、小型、低能耗的PIN型光电二极管
§3.3.3 光纤陀螺
光纤陀螺是近十多年发展起来的一种组合光电器 件，它可以满足动载器从智能式制导导航与控制系统 发展为分布式制导/导航和控制系统的要求，目前光 纤陀螺正进一步从军用向军民两用方向发展。
一．Sagnac 效应
P ω
Sagnac 效应是指在任意几何形状的闭合光路中， 从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周 后又回到该观察点时，这对光波的相位（或它们经历 的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋 转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的 转速速率成正比。