光学陀螺仪教材
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光纤陀螺原理PPT课件
I
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
I0
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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
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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
光学陀螺仪教材
2018/8/10
RB
4A RB L
速率偏频的量级为100°/s， 换向周期10s，采用无刷直流 力矩电机驱动，利用霍尔效 应控制的电子开关进行换向。
21
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---磁镜偏频
由于磁光效应，反射镜的磁光介质反射膜层在外加横向磁场作用下，使入 射的p偏振光反射后产生附加相位，而s光不产生相移，磁场交变时产生的 B c 频差为： 2018/8/10 22
（1）必须在环形激光器内维持相向行波模对
dx
ccw 0 2 A 0 ccw L
（2）相向行波模对应以单横模和单纵模运转 （3）环形激光器的工作波长应有利于光电探测
2018/8/10
18
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术 偏频就是给环形激光器输入一个特定的偏频量，以克服低转速条件下 的闭锁效应。 偏频方法主要有： • • • • 机械小幅高频抖动交变偏频 机械式大幅低频交变旋转速率偏频 磁镜式高频磁光效应偏频 四频差动偏频技术
2018/8/10
15
§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
2018/8/10
7
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
RB
4A RB L
速率偏频的量级为100°/s， 换向周期10s，采用无刷直流 力矩电机驱动，利用霍尔效 应控制的电子开关进行换向。
21
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---磁镜偏频
由于磁光效应，反射镜的磁光介质反射膜层在外加横向磁场作用下，使入 射的p偏振光反射后产生附加相位，而s光不产生相移，磁场交变时产生的 B c 频差为： 2018/8/10 22
（1）必须在环形激光器内维持相向行波模对
dx
ccw 0 2 A 0 ccw L
（2）相向行波模对应以单横模和单纵模运转 （3）环形激光器的工作波长应有利于光电探测
2018/8/10
18
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术 偏频就是给环形激光器输入一个特定的偏频量，以克服低转速条件下 的闭锁效应。 偏频方法主要有： • • • • 机械小幅高频抖动交变偏频 机械式大幅低频交变旋转速率偏频 磁镜式高频磁光效应偏频 四频差动偏频技术
2018/8/10
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
2018/8/10
7
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
光学陀螺仪教材42页PPT
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
光学陀螺仪教材
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
拉
60、生活的道路一旦选定ห้องสมุดไป่ตู้就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
15、机会是不守纪律的。——雨果
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
光学陀螺仪教材
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
拉
60、生活的道路一旦选定ห้องสมุดไป่ตู้就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
陀螺仪工作原理 ppt课件
当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴与Z轴成 角 的轴以角速度 旋转时．则将有陀螺力矩Mg 作用于框架上，陀螺力矩Mg为：
Mg Hsin
陀螺仪工作原理
三自由度陀螺结构原理如图所示。 三自由度陀螺具有以下主要特性：
1)定轴性 2)进动性 3)无惯性
(2)微分陀螺仪作用原理
图中标注直角坐标系Oxyz，X轴沿框 架轴旋转方向。Y轴称为陀螺仪的输 入轴。因为微分陀螺仪就是测量它 的壳体绕Y轴转动的角速度，故又 称为测量轴。Z0的方向为主轴起始 位置，即当＝0时，Z轴应与Z0重合。
4. 加速度积分法和位移微分法
陀螺仪工作原理
光束切断法
光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度 检测。这是一种非接触式测量，测量精度较高。 图2所示它是由两个固定距离为L的检测器实现速 度检测的。检测器由光源和光接收元件构成。被测 物体以速度v行进时，它的前端在通过第一个检测 器的时刻，由于物体遮断光线而产生输出信号，由 这信号驱动脉冲计数器，计数器计数至物体到达第 二个检测器时刻．检测器发出停止脉冲计数。由检 测器间距L和计数脉冲的周期T、个数N，可求出物 体的行进速度。
速度、转速、加速度测量
陀螺仪工作原理
速度测量
速度 测量
线速度测量（m/s，km/h)
角速度测量(rad/s) （转速测量(转/分）
Linear Velocity Rotary speed：revolutions per minute (r.p.m.) Angular Velocity
2n 陀螺仪工作原理
皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞 行体的测速。图6为皮托管测流速原理图，图中所示从滞 止点一直到压力表液面上的空间是一个内管，在它的外面 包着外管，且与压力表的另一个液面上的空间相通，外管 的壁上开有小孔，就是静压孔。在测量时，只要把皮托管 对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压 力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。
Mg Hsin
陀螺仪工作原理
三自由度陀螺结构原理如图所示。 三自由度陀螺具有以下主要特性：
1)定轴性 2)进动性 3)无惯性
(2)微分陀螺仪作用原理
图中标注直角坐标系Oxyz，X轴沿框 架轴旋转方向。Y轴称为陀螺仪的输 入轴。因为微分陀螺仪就是测量它 的壳体绕Y轴转动的角速度，故又 称为测量轴。Z0的方向为主轴起始 位置，即当＝0时，Z轴应与Z0重合。
4. 加速度积分法和位移微分法
陀螺仪工作原理
光束切断法
光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度 检测。这是一种非接触式测量，测量精度较高。 图2所示它是由两个固定距离为L的检测器实现速 度检测的。检测器由光源和光接收元件构成。被测 物体以速度v行进时，它的前端在通过第一个检测 器的时刻，由于物体遮断光线而产生输出信号，由 这信号驱动脉冲计数器，计数器计数至物体到达第 二个检测器时刻．检测器发出停止脉冲计数。由检 测器间距L和计数脉冲的周期T、个数N，可求出物 体的行进速度。
速度、转速、加速度测量
陀螺仪工作原理
速度测量
速度 测量
线速度测量（m/s，km/h)
角速度测量(rad/s) （转速测量(转/分）
Linear Velocity Rotary speed：revolutions per minute (r.p.m.) Angular Velocity
2n 陀螺仪工作原理
皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞 行体的测速。图6为皮托管测流速原理图，图中所示从滞 止点一直到压力表液面上的空间是一个内管，在它的外面 包着外管，且与压力表的另一个液面上的空间相通，外管 的壁上开有小孔，就是静压孔。在测量时，只要把皮托管 对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压 力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。
现代导航技术第八章(陀螺仪的测试、标定与补偿)
17
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验 测试方法
在典型的测试中，速率转台的转动速率从零开始，逐级分成 一系列角速率值，同时记录每一级的数据。 旋转速度对于每一级设定的周期上保持常量，使得敏感器的 输出在记录前已处于稳定状态。 施加的角速率在最大和最小的期望值之间递增变化。
23
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （3）温度试验
如：全温范围 下的某型号光 纤陀螺标度因 数漂移特性
24
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （4）摇摆速率转台试验
此类试验的目的是确定陀螺仪及其相关电子控制电路对施加 于敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性 测试设备与速率变换测试中所述的速率转台非常类似。 在该情况下，转台同样安装在合适的基座上以提供稳定性， 并施加各种预先设定频率的角运动。
28
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （7）冲击试验
试验的目的是测量陀螺仪对于施加的冲击 的响应，并确定该敏感器对于施加的极短 周期(一般为毫秒级)的加速度的恢复能力。 敏感器要安装到金属台上，并将该台从给 定的距离上落到一合适形状的铅块上。 在施加冲击过程中且同样在冲击后的一定 时间内记录输出信号。陀螺仪在冲击前后 漂移均值的对比能够表明该陀螺仪特性的 瞬态或永久性变化。
20
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验
输出角速率偏差（deg/s）
数据分析
与实际相比的输出偏差曲线
IFOG标度因数测试情况（10℃）
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验 测试方法
在典型的测试中，速率转台的转动速率从零开始，逐级分成 一系列角速率值，同时记录每一级的数据。 旋转速度对于每一级设定的周期上保持常量，使得敏感器的 输出在记录前已处于稳定状态。 施加的角速率在最大和最小的期望值之间递增变化。
23
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （3）温度试验
如：全温范围 下的某型号光 纤陀螺标度因 数漂移特性
24
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （4）摇摆速率转台试验
此类试验的目的是确定陀螺仪及其相关电子控制电路对施加 于敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性 测试设备与速率变换测试中所述的速率转台非常类似。 在该情况下，转台同样安装在合适的基座上以提供稳定性， 并施加各种预先设定频率的角运动。
28
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （7）冲击试验
试验的目的是测量陀螺仪对于施加的冲击 的响应，并确定该敏感器对于施加的极短 周期(一般为毫秒级)的加速度的恢复能力。 敏感器要安装到金属台上，并将该台从给 定的距离上落到一合适形状的铅块上。 在施加冲击过程中且同样在冲击后的一定 时间内记录输出信号。陀螺仪在冲击前后 漂移均值的对比能够表明该陀螺仪特性的 瞬态或永久性变化。
20
§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验
输出角速率偏差（deg/s）
数据分析
与实际相比的输出偏差曲线
IFOG标度因数测试情况（10℃）
陀螺PPT课件
当陀螺仪相对于地球静止时 ，其敏感轴与地球重力加速 度平行分量重合，此时陀螺 仪输出为零。
当陀螺仪绕地球旋转时，其 敏感轴与地球重力加速度平 行分量之间产生夹角，通过 测量这个夹角可以计算出陀 螺仪相对于地球的角度变化 。
角度测量通常采用加速度计 或倾斜传感器等技术，将重 力加速度分量转换为电信号 进行测量。
成本问题
光纤陀螺仪的制造成本较 高，难以在低端市场广泛 应用。
原子陀螺仪技术展望与挑战
超高精度测量
原子陀螺仪有望实现超高精度的角速度测量，满足高精度导航等应用需求。
长期稳定性好
原子陀螺仪具有长期稳定性好的特点，适用于长时间连续工作的场景。
原子陀螺仪技术展望与挑战
• 无机械运动部件：原子陀螺仪无需机械运动部件，具有更高的 可靠性和寿命。
大动态范围
光纤陀螺仪具有较大的动态范围，适用于高速旋转等应用场 景。
光纤陀螺仪技术进展与挑战
• 抗干扰能力强：光纤陀螺仪对外部干扰具有较强 的抵抗能力，保证了测量结果的稳定性。
光纤陀螺仪技术进展与挑战
光源稳定性问题
光纤陀螺仪对光源的稳定 性要求较高，需要采取特 殊措施进行保障。
光纤环圈制造难度
高精度光纤环圈的制造难 度较大，限制了光纤陀螺 仪的进一步发展。
工作原理
当陀螺受到外力作用时，其自转轴将 绕某一定点（称为极点）作进动，且 进动角速度与外力矩成正比，而与陀 螺的转动惯量成反比。
陀螺仪组成与结构
组成
陀螺仪主要由转子、支承系统、 驱动系统、测量系统和控制系统 等组成。
结构
陀螺仪的结构形式多种多样，根 据支承方式的不同可分为液浮式 、气浮式、挠性式、静电式和磁 悬浮式等。
未来发展趋势预测与展望
陀螺及惯性技术课件1-4
基本概念
光程差
L (4 A / c ) ,
L ( L d / c ) ,
L n d
基本概念
光路的互易性
基本概念
光路的灵敏度
干涉型光纤陀螺仪
开环光纤陀螺仪
干涉型光纤陀螺仪
全光纤陀螺仪
集成光学光纤陀螺仪
多功能光学波导芯片(MIOC)示意图
干涉型光纤陀螺仪
集成光学光纤陀螺仪结构示意图
陀螺及惯性技术
王雷
wanglei@
2010年11月
第四章
新型角速度敏感器
4.1 概述
4.2 光学陀螺仪基础
一、无源萨格奈克干涉仪 二、有源环形激光干涉仪
无源萨格奈克干涉仪
无源萨格奈克干涉仪
L 2 R R t , ct 2 R R t , t t t 2 R [ t 4 R
L L L
c/ f
f f f (4 A / L )
t2 t1
fd t S
t2 t1
dt,
N S
4.3 环形激光陀螺仪
一、环形激光陀螺仪的构成 二、激光陀螺的误差源
环形激光陀螺仪的构成
L (4 A / c ) ,
简化模型
S (T ) S o S 1 (T T o ) D D o A (T T o ) B T c
4.6微机电(MEMS)器件简介
ADXL202的外形
ADXL202的电路版图
ADXL202的功能框图
作业
P92-2,3
1、工程模型 2、考虑温度模型 3、简化模型
陀螺仪光学陀螺.pptx
一段光程
➢Sagnac 干涉仪 光路传播 当干涉仪相对惯性空间无转动，则 正反绕行的 A、B 两路光程
La
L vnta
L
L
8
ta
La = Lb = L
另有
ta La / c
第2页/共21页
Sagnac干涉仪 光程差
求解方程组，得到
L
ta c L / 8
La
L
1 L /(8c)
类似地，对于光束 b，可以求得
PM 相位调制器 PSD 相敏解调器
开环干涉型 缺点：存在明显非线性
测量范围较小 精度较低
第18页/共21页
光纤陀螺 器PT， 构成闭环系统
闭环测量原理： ➢检测器 D 的输出经 PSD 解调 ➢解调信号经 SF 放大 ➢驱动相位变换器 PT ➢相位变换器 PT 产生相移Δθ ➢Δθ和ω产生的相移Δφ抵消 ➢解调器输出被控制在零位附近 ➢PT 产生的相移Δθ作为光纤陀螺的 输出
4R 2
c
4RlN c
K
➢K 称为光纤陀螺的标度因数 ➢在光纤线圈半径一定的情况下，可通 过增加线圈的匝数提高测量的灵敏度
直径 10 cm内可缠绕500～2500米
两束光之间的相位差
第15页/共21页
光纤陀螺 相位偏置
光纤陀螺原理图，光路分析： ➢当光纤线圈绕中心轴无旋转，
检测器上产生峰值干涉条纹 检测器输出电流最大
7.29
10 5
7.43Hz
第6页/共21页
激光陀螺 结构工艺
➢激光介质：氦氖气体（频谱纯度高、 反向散射小） ➢腔体材料：熔凝石英、Cer-vit陶瓷 ➢谐振腔尺寸：周长200～450mm ➢谐振腔形状：三角形、四边形
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2018/8/10 14
§4.2
环形激光陀螺仪
二 环形激光器
激光陀螺的核心部件，由它形成的正反向行波激光振荡 是激光陀螺实现转速测量的基础。决定激光陀螺的性能，所 有激光器中，只有环形行波激光器才可能由Sagnac效应产生 出反映角速度的差频信号。 环形激光器必须满足一定的条件才能用于激光陀螺， 并非所有的环形激光器都可以用于激光陀螺。
2018/8/10
7
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
分束器
反射镜 摄 像 头
ED E(1 cos Δ j sin Δ )
I D ED
2
2 I (1 cos Δ )
光源
旋转驱动 轮
2018/8/10
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
tccw
L tcw L/(c RΩ ) ( 1 c t L/(c RΩ ) L ( 1 ccw c
RΩ ) c tcw RΩ ) c
R
Ω
t N (tcw tccw ) 4 NR Ω/ c (4NA / c )Ω
灵敏度：
2018/8/10
dI / dΔ 2I sin Δ
8
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
Lcw q cw Lccw q ccw
qc cw L cw qc ccw Lccw
2018/8/10
2 A Lcw qcw L c 2 A Lccw qccw L c
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
L L L 4A(1 )
2018/8/10 13
§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
环形激光陀螺是以双向行波激光器为核心的量子光学仪表。 由环形激光器、偏频组件、 程长控制组件、信号读出 系统、逻辑电路、电源组 件及安装结构和电磁屏蔽 罩等组成。 依靠环形行波激光器内双向 行波间的谐振频差来测量载 体相对惯性空间的角速度。
2
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺
谐振型（频率式）光学陀螺
干涉型（相位式）光学陀螺 干涉式多匝光纤陀螺
有源谐振腔型光学陀螺
无源谐振腔型光学陀螺 连续波运转 调制方式运转
四频差动激光陀螺
二频差动激光陀螺
2018/8/10
3
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺与机电式陀螺有着不同的工作机理，没有机电 式陀螺中机械转子产生的机械噪声和信号器产生的电气噪声， 光学陀螺的噪声通常只处于量子效应水平。相对而言，光学 陀螺的测量阈值一般要比机电陀螺高，但光学陀螺的长期稳 定性要好于机电式陀螺。
2 2 2
2018/8/10
S
ΔL cΔt 4 ANΩ / c ( Ld / c)Ω
5
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
Sagnac效应相位差
Δ 2 Δt / T 2 fΔt (8 AN / c)
干涉条纹移动距离
x (4 AN / c) (4dL / c) Ko
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
激光陀螺的增益介质的小信号增益系数相当小，有效增益长度较短， 因此只有用稳定谐振腔（简称稳定腔）方能稳定运转。激光陀螺标度因数 的稳定需采用主动稳频方法稳定谐振腔光程长。为此，通常也必须采用稳 定腔。所谓稳定腔是指能保持一个以上模式的光线在该腔内经过无数次周 而复始的运行后也不偏离腔体轴线而横向逸出的光学谐振腔。
第 四 章 光学角速度敏感器
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
旋转质量和振动陀螺是以牛顿运动定律为基础的机 电式惯性器件，其基本特性在于运动物体在惯性空间中 的动量守恒。光学角速度敏感器是以光的惯性特性为基 础的另一类角速度敏感器 光学角速度敏感器-----光学陀螺仪
2018/8/10
性能稳定，抗干扰能力强，精度较高，动态范围宽。 无高速转动部件，寿命长,可靠性好，启动迅速 ，不需恒温。 既是速率陀螺又是积分陀螺 ，成本较低。
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
实际上，当输入角速 度较小时，输出特性将 偏离直线，当输入角速 度小于某一临界值时输 出拍频信号为零。这时， 激光陀螺对输入角速度 无反应，输出信号被闭 锁。
正、反向行波频差 的时间积分：
可以用光学拍频的方 法检测频差和脉冲数， 求得每一瞬时的转速 和转动角度
4A 4A N dt dt L 0 L 0
t
t
L
4A
L
4A
N
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
目前在惯性技术领域已获得卓有成效实际应用的非机 电式高精度惯性敏感仪表，作为一种光电式惯性敏感器， 它无需机电式陀螺所必需的高速转子，性能优势明显。特 别适用于捷联式惯性导航系统。 与传统的机电式陀螺及其它类型的陀螺相比，具有突 出优点和性能特征：
Байду номын сангаас
L L
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
正反向行波间的频差
cw ccw
其中：
4A L
4A L
：比例因子
cw ccw
2
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cw ccw
2
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
在任意几何形状的闭合光路中，从某一个观察点发出 的一对光波沿相反方向运行又回到该观察点时，这对光波 的相位（光程）将因闭合环形光路相对惯性空间的旋转而 不同。其相位差（或光程差）的大小与光路的转动速率成 正比。
§4.2
环形激光陀螺仪
二 环形激光器
激光陀螺的核心部件，由它形成的正反向行波激光振荡 是激光陀螺实现转速测量的基础。决定激光陀螺的性能，所 有激光器中，只有环形行波激光器才可能由Sagnac效应产生 出反映角速度的差频信号。 环形激光器必须满足一定的条件才能用于激光陀螺， 并非所有的环形激光器都可以用于激光陀螺。
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
分束器
反射镜 摄 像 头
ED E(1 cos Δ j sin Δ )
I D ED
2
2 I (1 cos Δ )
光源
旋转驱动 轮
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
tccw
L tcw L/(c RΩ ) ( 1 c t L/(c RΩ ) L ( 1 ccw c
RΩ ) c tcw RΩ ) c
R
Ω
t N (tcw tccw ) 4 NR Ω/ c (4NA / c )Ω
灵敏度：
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dI / dΔ 2I sin Δ
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
Lcw q cw Lccw q ccw
qc cw L cw qc ccw Lccw
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2 A Lcw qcw L c 2 A Lccw qccw L c
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
L L L 4A(1 )
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
环形激光陀螺是以双向行波激光器为核心的量子光学仪表。 由环形激光器、偏频组件、 程长控制组件、信号读出 系统、逻辑电路、电源组 件及安装结构和电磁屏蔽 罩等组成。 依靠环形行波激光器内双向 行波间的谐振频差来测量载 体相对惯性空间的角速度。
2
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺
谐振型（频率式）光学陀螺
干涉型（相位式）光学陀螺 干涉式多匝光纤陀螺
有源谐振腔型光学陀螺
无源谐振腔型光学陀螺 连续波运转 调制方式运转
四频差动激光陀螺
二频差动激光陀螺
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺与机电式陀螺有着不同的工作机理，没有机电 式陀螺中机械转子产生的机械噪声和信号器产生的电气噪声， 光学陀螺的噪声通常只处于量子效应水平。相对而言，光学 陀螺的测量阈值一般要比机电陀螺高，但光学陀螺的长期稳 定性要好于机电式陀螺。
2 2 2
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S
ΔL cΔt 4 ANΩ / c ( Ld / c)Ω
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
Sagnac效应相位差
Δ 2 Δt / T 2 fΔt (8 AN / c)
干涉条纹移动距离
x (4 AN / c) (4dL / c) Ko
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
激光陀螺的增益介质的小信号增益系数相当小，有效增益长度较短， 因此只有用稳定谐振腔（简称稳定腔）方能稳定运转。激光陀螺标度因数 的稳定需采用主动稳频方法稳定谐振腔光程长。为此，通常也必须采用稳 定腔。所谓稳定腔是指能保持一个以上模式的光线在该腔内经过无数次周 而复始的运行后也不偏离腔体轴线而横向逸出的光学谐振腔。
第 四 章 光学角速度敏感器
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
旋转质量和振动陀螺是以牛顿运动定律为基础的机 电式惯性器件，其基本特性在于运动物体在惯性空间中 的动量守恒。光学角速度敏感器是以光的惯性特性为基 础的另一类角速度敏感器 光学角速度敏感器-----光学陀螺仪
2018/8/10
性能稳定，抗干扰能力强，精度较高，动态范围宽。 无高速转动部件，寿命长,可靠性好，启动迅速 ，不需恒温。 既是速率陀螺又是积分陀螺 ，成本较低。
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
实际上，当输入角速 度较小时，输出特性将 偏离直线，当输入角速 度小于某一临界值时输 出拍频信号为零。这时， 激光陀螺对输入角速度 无反应，输出信号被闭 锁。
正、反向行波频差 的时间积分：
可以用光学拍频的方 法检测频差和脉冲数， 求得每一瞬时的转速 和转动角度
4A 4A N dt dt L 0 L 0
t
t
L
4A
L
4A
N
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
目前在惯性技术领域已获得卓有成效实际应用的非机 电式高精度惯性敏感仪表，作为一种光电式惯性敏感器， 它无需机电式陀螺所必需的高速转子，性能优势明显。特 别适用于捷联式惯性导航系统。 与传统的机电式陀螺及其它类型的陀螺相比，具有突 出优点和性能特征：
Байду номын сангаас
L L
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
正反向行波间的频差
cw ccw
其中：
4A L
4A L
：比例因子
cw ccw
2
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cw ccw
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
在任意几何形状的闭合光路中，从某一个观察点发出 的一对光波沿相反方向运行又回到该观察点时，这对光波 的相位（光程）将因闭合环形光路相对惯性空间的旋转而 不同。其相位差（或光程差）的大小与光路的转动速率成 正比。