光纤陀螺的原理及应用
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。
光纤陀螺概述PPT课件
图2 光纤陀螺工作原理图
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第3节光纤陀螺的工作原理
由式( 1)-( 2) 计算可得:
t 4 R2 ………………（3）
c2
进而可以求得两束光之间的相位差:
s
t
8 A c
………………(4)
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第3节光纤陀螺的工作原理
实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积, 一般将总长度为L 的
内容安排
• 光纤陀螺的定义、简介、特点； • 光纤陀螺的分类； • 光纤陀螺的工作原理； • 光纤陀螺的误差分析； • 光纤陀螺的应用与发展。
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第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
中文名：光纤陀螺 英文名:Fiber Optical Gyro 定 义：应用激光及光导纤维技术测量物体相对于
相位偏置
2
的调M制器。
调制之后干涉光强度
图4 开环I- FOG 结构框图
为:
I I0 1sin(s )………………（7）
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第4节光纤陀螺的误差分析
图5 光纤陀螺噪声来源机理
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第4节光纤陀螺的误差分析
低精度的光纤陀螺的噪声主要表现为白噪声，而在中、 高
精度光纤陀螺的输出1 噪声中，除了高斯白噪声外，还
最大敏感度, 并能分辨 的极性, 应进行 相位偏置调制, 使陀
螺工作在灵敏度和线性度均最高的区域。 2
图3 干涉式光纤陀螺的响应
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第3节光纤陀螺的工nac 相移, 并通过在光纤线圈
的一端放置压电陶瓷环PZT , 作为产生 结构如图4 所示。
惯 性空间的角速度或转动角度的无自转质量的新 型光学陀螺仪。
光纤陀螺参数 csdn
光纤陀螺参数 csdn光纤陀螺是一种利用光纤的性质来实现陀螺效应的设备。
它可以测量旋转角速度，并在导航、定位等领域中发挥重要作用。
本文将从光纤陀螺的原理、结构、工作方式以及应用等方面进行介绍，帮助读者更好地了解光纤陀螺的相关知识。
一、光纤陀螺的原理光纤陀螺利用光的传输特性和角动量守恒原理来实现测量角速度的功能。
其基本原理是利用激光的干涉效应来测量光的相位差，从而得到角速度的信息。
当光束在光纤中传播时，如果光纤受到旋转的影响，光束的传播路径会发生微小的变化，从而引起光束的光程差，进而导致光的相位差发生改变。
通过测量相位差的变化，可以得到光纤陀螺所受到的旋转角速度。
二、光纤陀螺的结构光纤陀螺由光源、光纤传输系统、光电探测器和信号处理系统等组成。
光源产生一束激光，经过光纤传输系统传输到光电探测器。
光电探测器接收到光信号后，将其转化为电信号，再经过信号处理系统进行处理和分析。
光纤陀螺的结构设计非常精密，需要保证光纤的稳定性和传输的准确性，以确保测量的精度和可靠性。
三、光纤陀螺的工作方式在光纤陀螺中，激光通过光纤传输系统被分成两束，分别沿着顺时针和逆时针方向传输。
这两束光束在光纤中传播时会发生相位差，当光纤受到旋转的影响时，两束光束的相位差会发生变化。
光电探测器接收到两束光束后，会将其转化为电信号，并通过信号处理系统进行处理，最终得到旋转角速度的测量结果。
四、光纤陀螺的应用光纤陀螺在导航、定位和惯性导航等领域有着广泛的应用。
在导航系统中，光纤陀螺可以实时测量飞行器、船舶等的旋转角速度，帮助实现精确的导航和定位。
在惯性导航系统中，光纤陀螺可以与加速度计等其他传感器结合使用，提供更加准确和可靠的导航信息。
此外，光纤陀螺还可以用于地震监测、无人机姿态控制等领域，发挥着重要的作用。
光纤陀螺是一种利用光纤的特性来实现测量角速度的设备。
它的原理是利用光的传输特性和角动量守恒原理，通过测量光的相位差来得到旋转角速度的信息。
光纤陀螺调制增益
光纤陀螺调制增益简介光纤陀螺是一种利用光在光纤中传播的性质来测量旋转角速度的仪器，其重要性体现在惯性导航、航天器姿态控制、地震测量等领域。
调制增益是光纤陀螺中的一个重要参数，它对于陀螺的性能和精度具有关键影响。
光纤陀螺的工作原理1.光纤陀螺基本结构–光源–光导纤维–光探测器2.光纤陀螺工作原理–利用光在光纤中传播的特性–应用 Sagnac 干涉原理–通过测量干涉信号来推断旋转速度–调制增益是干涉信号的关键参数调制增益的影响因素1.光传播特性–光纤损耗对调制增益的影响–光纤非线性对调制增益的影响2.光源特性–光源功率对调制增益的影响–光源波长对调制增益的影响3.光纤特性–光纤长度对调制增益的影响–光纤直径对调制增益的影响–光纤材料对调制增益的影响–光纤损耗对调制增益的影响调制增益的优化方法1.光源优化–使用高功率光源–选择适合的光源波长2.光纤优化–使用低损耗的光纤材料–适当选择光纤长度和直径3.调制技术优化–采用先进的调制技术–陀螺中加入增益介质来提高调制增益调制增益的重要性和应用1.提高陀螺精度和性能2.用于导航和姿态控制系统中3.用于地震测量和地质勘探中结论调制增益是光纤陀螺中的一个重要参数，它直接影响陀螺的精度和性能。
调制增益的优化可以通过优化光源、光纤和调制技术来实现。
光纤陀螺在导航、姿态控制和地震测量等领域具有广泛的应用前景，对于提高精度和稳定性具有重要作用。
未来的研究方向可以进一步探索新材料和新技术，以提高调制增益和陀螺性能。
光纤陀螺原理
光纤陀螺原理光纤陀螺是一种利用光的干涉效应来测量角速度的仪器，它利用了光的特性和旋转的惯性原理，是一种非常精密的测量装置。
光纤陀螺在惯性导航、航天器姿态控制、地震监测等领域有着广泛的应用。
在本文中，我们将深入探讨光纤陀螺的原理和工作机制。
光纤陀螺的原理基于Sagnac效应，这是一种基于相对论的效应，它是由法国物理学家Sagnac在1913年首次观察到的。
当光沿着一个闭合的路径传播时，如果这个路径发生了旋转，那么光的传播速度就会受到影响，从而产生了光程差。
利用这个原理，光纤陀螺就可以通过测量光程差来确定旋转角速度。
光纤陀螺的基本结构包括光源、分束器、光纤环、合束器和探测器。
光源发出的光经过分束器分成两束，一束沿顺时针方向，另一束沿逆时针方向通过光纤环，然后再经过合束器汇聚到探测器上。
当光纤环发生旋转时，两束光的光程差就会发生变化，这种光程差的变化就可以被探测器测量出来，从而得到旋转角速度的信息。
光纤陀螺相比于传统的机械陀螺有着许多优势，首先是精度高。
由于光的波长非常短，因此可以实现非常高的分辨率，从而可以测量非常微小的角速度变化。
其次是灵敏度高。
光纤陀螺可以测量非常小的角速度，因此在一些需要高精度测量的领域有着得天独厚的优势。
此外，光纤陀螺还具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点，使其在航天、航空等领域得到广泛应用。
然而，光纤陀螺也存在一些局限性，比如温度漂移、光纤损耗、非线性效应等问题，这些都需要在实际应用中加以解决。
此外，光纤陀螺的制造成本较高，也限制了其在一些领域的推广应用。
总的来说，光纤陀螺作为一种高精度、高灵敏度的角速度测量装置，在航天、导航、地震监测等领域有着广泛的应用前景。
随着光纤技术的不断发展和完善，相信光纤陀螺将会在更多的领域发挥重要作用，为人类的科学研究和生产生活带来更多的便利和进步。
光纤陀螺用途
光纤陀螺用途一、引言随着科技的不断发展，光纤陀螺作为一种新型的惯性导航技术，越来越受到人们的关注。
它具有高精度、高稳定性和长寿命等优点，在航空、航天、军事、海洋等领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍光纤陀螺的用途。
二、光纤陀螺概述光纤陀螺是利用光学原理实现惯性导航的一种装置，其基本原理是利用磁悬浮技术将旋转体浮起，通过角速度传感器检测旋转体的旋转角速度，再通过信号处理电路计算出姿态信息。
与传统机械式陀螺相比，光纤陀螺具有更高的精度和稳定性。
三、航空领域1.民用飞机导航系统在民用飞机中，光纤陀螺被广泛应用于惯性导航系统（INS）中。
INS是一种独立于地面设施的全球定位系统（GPS）辅助导航系统，可以提供飞机在三维空间中的位置、速度和姿态信息，具有高精度、高可靠性和长时间稳定性等优点。
光纤陀螺作为INS中的核心部件，可以实现飞机在空中的准确导航。
2.军用飞机导航系统在军用飞机中，光纤陀螺也被广泛应用于INS中。
与民用飞机不同的是，军用飞机需要更高的安全性和隐蔽性。
光纤陀螺具有高精度、高稳定性和防干扰能力强等特点，可以满足军用飞机对导航系统的严格要求。
四、航天领域1.卫星姿态控制在卫星上，光纤陀螺可以作为卫星姿态控制系统（ACS）中的一部分，实现卫星在轨道上的精确定位和精确控制。
ACS可以通过调整卫星各个部分的姿态来实现多种功能，如通信、遥感、导航等。
光纤陀螺具有高精度、长寿命和抗辐射能力强等特点，在卫星姿态控制方面具有重要应用价值。
2.空间望远镜空间望远镜是一种用于观测天体的装置，需要具备高精度、高稳定性和长时间稳定性等特点。
光纤陀螺可以作为空间望远镜的姿态控制系统，实现望远镜的精确定位和精确控制，提高观测精度和可靠性。
五、军事领域1.导弹制导系统在导弹制导系统中，光纤陀螺可以作为惯性导航系统（INS）中的核心部件。
利用INS可以实现导弹的准确制导和打击目标。
光纤陀螺具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强等特点，在军事领域具有重要应用价值。
光纤陀螺技术参数选型
光纤陀螺技术参数选型1.光纤陀螺工作原理光纤陀螺是一种利用回波光纤中光信号相位差变化来测量转动角速度的设备。
其基本原理是通过光纤传输光信号的相位差变化来实现转动角速度的测量。
2.光纤陀螺技术参数光纤陀螺的技术参数包括测量范围、分辨率、精度、稳定性等。
2.1测量范围光纤陀螺的测量范围是指其能够测量的转动角速度的上下限。
根据具体应用的需求，需要选用合适的测量范围，以保证光纤陀螺可以满足实际测量需要。
2.2分辨率光纤陀螺的分辨率是指其能够测量的最小角速度变化，也可以理解为陀螺仪的感知能力。
分辨率越高，表示光纤陀螺对微小的角速度变化更加敏感。
2.3精度光纤陀螺的精度是指其输出值与实际值之间的误差。
精度越高，表示光纤陀螺的测量结果与实际值之间的偏差越小。
2.4稳定性光纤陀螺的稳定性是指其在长期工作过程中输出值的稳定性能。
稳定性越好，表示光纤陀螺的测量结果在不同环境条件下的波动较小。
3.光纤陀螺技术参数选型方法在确定光纤陀螺的技术参数时，需要综合考虑实际应用需求、成本和技术可行性等因素。
以下是一些常用的光纤陀螺技术参数选型方法：3.1根据应用需求确定测量范围根据实际测量需求，确定光纤陀螺的测量范围。
需要考虑转动角速度的最大值和最小值，以保证光纤陀螺能够满足实际测量需求。
3.2根据应用场景确定分辨率根据应用场景的需求，确定光纤陀螺的分辨率。
一般来说，对于需要测量微小角速度变化的应用，需要选择具有高分辨率的光纤陀螺。
3.3根据应用精度确定精度要求根据应用的精度要求，确定光纤陀螺的精度。
对于需要高精度测量的应用，需要选择具有高精度的光纤陀螺。
3.4根据应用稳定性确定稳定性要求根据应用的稳定性要求，确定光纤陀螺的稳定性。
对于需要长期稳定工作的应用，需要选择具有良好稳定性的光纤陀螺。
4.光纤陀螺技术参数选型的注意事项在进行光纤陀螺技术参数选型时，需要注意以下几个方面：4.1应用需求的准确把握需要充分了解实际应用需求，使技术参数选型更加准确。
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）
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光纤陀螺仪的应用
光纤陀螺仪的应用
光纤陀螺仪的应用状况
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。
战术导弹制导
B
陆地交通导航 A
fibre optic gyroscope
C 航天器姿态调整
精密航天器应用 E
D
卫星定位
还有很多很多……
光纤陀螺仪的应用
[5]
[5]蔡 青.保偏光纤温度特性研究[A ]中国光学学会.展望 21 世纪初光电技术发展趋势研讨会论文集[C] 海口:中国光学学会光电技术委员会 , 2000116Sagnac效应
(a)系统静止；(b)系统旋转
[2 ]《工程光学》 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著 国防工业出版社年 2012 . 2
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)
❖ 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
光纤陀螺彩色球
fibre optic gyroscope
摘自《中国惯性技术学报》2005年10月刊
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 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。
检测器
分束镜 光源
透镜
透镜
为：
R
8A c
[4]
※A为光传播路径包围的面积一般的向量表达
[4]《The Fiber-Optic Gyroscope 》 HervéC.Lefèvre 著 张 贵 才 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 螺 ，属第 1代光纤陀螺 。[3]
➢ 按照检测相位的方法可分为 开环型（左图）和闭环型（右图）
宽带光源
ASE
光电检测器
PIN
耦合器
Y波导
光纤环
干涉光强信号 调制电压信号
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
2020年3月25日星期三
(a)系统静止；(b)系统旋转
[2]《工程光学》 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著 国防工业出版社 2012 .2
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
❖Sagnac效应[2]
传输时间差
t
tCCW
tCW
4R2
c2
传输光程差
L t c 4R 2
c
M CCW
CCCW
M
l
M ’
传输相位差
S
4 RL 0c
光纤陀螺仪的应用
Contents
1
什么是光纤陀螺仪
2
基本原理-sagnac效应
3
光纤陀螺仪的分类
4
光纤陀螺仪应用研究
fibre optic gyroscope
❖光纤陀螺仪（fibre optic gyroscope）是一种利用 萨格奈克( S a g n a c ) 效应测量旋转角速率ω的 新型全固态惯性仪表。[1]
A/
逻辑电路
D/
D
A
转速信号
左图
右图
[3] 王惠文．光纤传感技术与应用 [ M] ．北京 ： 国防工业出版社 2001 ．4
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
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)
➢ 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)， 或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺( B— FRLG) 。
光纤陀螺仪的应用
➢ 谐振腔光纤陀螺（R-FOG）是第 2代光纤陀螺。
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：
A. 光纤长度短 ，降低了成本； B. 采用高相干光源，波长稳定性高； C. 检测精度高，动态范围大等。
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
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 ➢ 结构简单 ➢ 尺寸小 ➢ 重量轻 ➢ ……
光纤线圈
光纤陀螺结构图
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
❖Sagnac效应[2]
如(a)所示，在无旋转条件下，两束光传输时间相等，为
tCCW
tCW
L c
2R
c
M CCW
M
l
M ’
如(b)所示，ω旋转条件下为
CCCW
tCCW
2R
c R
tCW
2R
c R
(a)
(b)
图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应
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)
干涉光线仪 装置安放处
道尼尔328客机
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谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)