光纖陀螺儀的原理及應(yīng)用

1、 fibre optic gyroscope光電學(xué)院光電學(xué)院100108100108班班 第三組第三組組長：秦二雷組長：秦二雷 100108110 100108110組員：邢騰飛組員：邢騰飛 100108113 100108113 張福年張福年 100108114 100108114 張一銘張一銘 100108115 100108115 張張 羽羽 100108116 100108116 鄒曉東鄒曉東 100108117 100108117 指導(dǎo)老師：楊指導(dǎo)老師：楊 利利 紅紅 教授教授 2 0 2 1 年 1 1 月 1 日 星 期 一光纖陀螺儀光纖陀螺儀Contents什么是光纖陀螺儀什么

2、是光纖陀螺儀1基本原理基本原理-sagnac-sagnac效應(yīng)效應(yīng)2光纖陀螺儀的分類光纖陀螺儀的分類3 3光纖陀螺儀光纖陀螺儀應(yīng)用研究應(yīng)用研究4 4fibre optic gyroscopev光纖陀螺儀（光纖陀螺儀（fibre optic gyroscopefibre optic gyroscope）是一種利用）是一種利用薩格奈克薩格奈克( S a g n a c ) ( S a g n a c ) 效應(yīng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率效應(yīng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率的的新型全固態(tài)慣性儀表。新型全固態(tài)慣性儀表。111 孫 麗 ， 王 德釗光纖陀螺的最新 進(jìn)展 J 航 天 控 制 ， 2 0 0 3， ( 3 )：7 5 8

3、0 機(jī)械陀螺 光纖陀螺 光纖陀螺儀fibre optic gyroscopev 光纖陀螺儀與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：光纖陀螺儀與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件 壽命長壽命長 動(dòng)態(tài)范圍大動(dòng)態(tài)范圍大 瞬時(shí)啟動(dòng)瞬時(shí)啟動(dòng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 尺寸小尺寸小 重量輕重量輕 光纖陀螺彩色球fibre optic gyroscope 摘自中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)2005年10月刊 光纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng)v各種類型的光纖陀螺各種類型的光纖陀螺, ,基本原理都是利用基本原理都是利用 Sagnac Sagnac 效應(yīng)效應(yīng) , ,只是各只是各自所采用的位相或

4、頻率解調(diào)方式不同自所采用的位相或頻率解調(diào)方式不同, ,或者對(duì)光纖陀螺的噪聲補(bǔ)或者對(duì)光纖陀螺的噪聲補(bǔ)償方法不同。償方法不同。檢測(cè)器檢測(cè)器透鏡透鏡透鏡透鏡光纖線圈光纖線圈光源光源分束鏡分束鏡 光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖vSagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)22如如(a)所示，所示，在在無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等，為無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等，為cRcLttCWCCW2如如(b)所示，所示，旋轉(zhuǎn)條件下旋轉(zhuǎn)條件下為為RcRtCCW2RcRtCW2圖圖1 1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)(a)(a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 光

5、纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng) 2工程光學(xué) 西安工業(yè)大學(xué) 韓 軍、劉 鈞 編著 國防工業(yè)出版社 2012 .2vSagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)22 傳輸時(shí)間差傳輸時(shí)間差224cRtttCWCCW 傳輸光程差傳輸光程差cRctL24 傳輸相位差傳輸相位差04SRLc 圖圖1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)效應(yīng) (a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 2 工程光學(xué) 西安工業(yè)大學(xué) 韓 軍、劉 鈞 編著 國防工業(yè)出版社年 2012 . 2 光纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng)干涉式光纖陀螺儀(I-fog) 4The Fiber-Optic Gyroscope Herv

6、 C.Lefvre 著 張 貴 才 王巍 譯 國防工業(yè)出版社v 當(dāng)環(huán)行光路繞垂直于所在平面并通過環(huán)心的軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，則沿當(dāng)環(huán)行光路繞垂直于所在平面并通過環(huán)心的軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，則沿順順 、 逆時(shí)針方向傳播的兩波列光波在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的逆時(shí)針方向傳播的兩波列光波在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的相位差相位差為：為：A為光傳播路徑包圍的面積一般的向量表達(dá)為光傳播路徑包圍的面積一般的向量表達(dá)4光纖陀螺儀的分類干涉式光纖陀螺干涉式光纖陀螺 ( I FOG)諧振腔光纖陀螺諧振腔光纖陀螺 ( R FOG)布里淵型光纖陀螺布里淵型光纖陀螺( B FOG)fibre optic gyroscope干涉式光纖陀螺儀

7、(I-fog) 干涉型光纖陀螺干涉型光纖陀螺 ( I F O G) ( I F O G) 是研究開發(fā)最早是研究開發(fā)最早 、 技術(shù)最為成熟的光纖陀技術(shù)最為成熟的光纖陀螺螺 ，屬第，屬第 1 1代光纖陀螺代光纖陀螺 。33 按照檢測(cè)相位的方法可分為按照檢測(cè)相位的方法可分為 開環(huán)型開環(huán)型（左圖）和（左圖）和閉環(huán)型閉環(huán)型（右圖）（右圖） 3 王惠文光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用 M 北京 ： 國防工業(yè)出版社 2001 4 左圖右圖干涉式光纖陀螺儀(I-fog)v 開環(huán)光纖陀螺是依據(jù)開環(huán)光纖陀螺是依據(jù)SagnacSagnac原理，通過干涉光強(qiáng)的原理，通過干涉光強(qiáng)的變化直接檢測(cè)干涉后的變化直接檢測(cè)干涉后的Sagnac

8、Sagnac相移。相移。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 明顯非線性明顯非線性 非線性嚴(yán)重非線性嚴(yán)重 精度差精度差 精度低精度低 輸入范圍小輸入范圍小 動(dòng)態(tài)范圍窄動(dòng)態(tài)范圍窄 電路簡(jiǎn)單電路簡(jiǎn)單 Company Logo干涉式光纖陀螺儀(I-fog)u干涉式陀螺首次應(yīng)于道尼爾328客機(jī)上，目前應(yīng)用于波音777飛機(jī)的姿態(tài)和空氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(SAARU)Company Logo 道尼爾328客機(jī) 干涉光線儀裝置安放處諧振腔光纖陀螺 ( R FOG)諧振腔光纖陀螺（諧振腔光纖陀螺（R-FOG）是第）是第 2代光纖陀螺。代光纖陀螺。諧振腔光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖諧振腔光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖諧振腔光纖陀螺 ( R FOG)與與 IFO

9、GIFOG相比，相比，R FOGR FOG具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)：l 光纖長度短光纖長度短 ，降低了成本；，降低了成本； l 采用高相干光源，波長穩(wěn)定性高；采用高相干光源，波長穩(wěn)定性高；l 檢測(cè)精度高，動(dòng)態(tài)范圍大等。檢測(cè)精度高，動(dòng)態(tài)范圍大等。注意：R-FOG研究起步較晚，且對(duì)光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但是和I-FOG相比有上述優(yōu)勢(shì)，因此各國都投入大量人力對(duì)其進(jìn)行研究，相信在不久的將來，R-FOG一定可以在慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。布里淵型光纖陀螺( B FOG) 布里淵型光纖陀螺是第布里淵型光纖陀螺是第 3 3 代光纖陀螺，又稱光纖環(huán)形激光陀螺代

10、光纖陀螺，又稱光纖環(huán)形激光陀螺( F RLG)( F RLG)，或受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺或受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺( B FRLG) ( B FRLG) 。光纖陀螺儀的應(yīng)用fibre optic gyroscope陸地交通導(dǎo)航陸地交通導(dǎo)航戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)航天器姿態(tài)調(diào)整航天器姿態(tài)調(diào)整精密航天器應(yīng)用精密航天器應(yīng)用衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位還有很多很多光纖陀螺儀的應(yīng)用5蔡 青.保偏光纖溫度特性研究A 中國光學(xué)學(xué)會(huì).展望 21 世紀(jì)初光電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研討會(huì)論文集C 海口:中國光學(xué)學(xué)會(huì)光電技術(shù)委員會(huì) , 20001169 - 172.5光纖陀螺儀的應(yīng)用光纖陀螺儀的應(yīng)用光纖陀螺儀的應(yīng)用狀況1.

11、1.戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；2.2.衛(wèi)星定向和跟蹤；衛(wèi)星定向和跟蹤；3.3.戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；4.4.各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；5.5.姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)；姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)； 6.6.艦船艦船、導(dǎo)彈和軍民用飛機(jī)導(dǎo)彈和軍民用飛機(jī)的的慣性導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航；7.7.陸地導(dǎo)航系統(tǒng)陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)(+GPS)；8.8.天體觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；天體觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；9.9.汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器人控制、各種極限作業(yè)油鉆井定向、機(jī)器人控制、各種極限作業(yè)的控制置等工業(yè)

12、和民用領(lǐng)域。的控制置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。v光纖陀螺研制狀況我國我國國內(nèi)國內(nèi)目前目前光纖陀螺光纖陀螺研制狀況研制狀況： 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)從事光纖陀螺研究的研究所、院校、據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)從事光纖陀螺研究的研究所、院校、民營單位共有幾十家，其中比較著名的有：民營單位共有幾十家，其中比較著名的有：z航天時(shí)代電子公司航天時(shí)代電子公司z航天三院三十三所航天三院三十三所z北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)z哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué) z浙江大學(xué)浙江大學(xué)、清華大學(xué)、清華大學(xué)z兵器兵器205205所所z船舶船舶707707所所z航天工業(yè)總公司所屬航天工業(yè)總公司所屬1313所和上海所和上海803803所所、航空航空618618所所 光纖陀螺儀的應(yīng)用 天將降大任于是人也，必先苦其心志，勞其筋天