光纖陀螺儀-光纖一組

1、 POWERPOINT Fibre Optic Gyroscope光纖陀螺儀光纖陀螺儀劉同磊 策 世廣 歡 考？思考？Contents光纖陀螺儀簡(jiǎn)介光纖陀螺儀簡(jiǎn)介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(lèi)光纖陀螺儀的分類(lèi)3 3光纖陀螺儀的應(yīng)用光纖陀螺儀的應(yīng)用4 4光纖陀螺儀簡(jiǎn)介Q陀螺儀陀螺儀(gyroscope)(gyroscope)意即意即“旋轉(zhuǎn)指示器旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器現(xiàn)代

2、陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。Q傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。受到了很多方面的制約。Q光纖陀螺儀是廣

3、義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。Q光纖陀螺儀（光纖陀螺儀（fibre optic gyroscopefibre optic gyroscope）是一種利用薩格奈克）是一種利用薩格奈克( Sagnac ) ( Sagnac ) 效應(yīng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率效應(yīng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率的新型全固的新型全固態(tài)慣性?xún)x表。態(tài)慣性?xún)x表。 機(jī)械陀螺儀 激光陀螺儀 光纖陀螺儀Q與機(jī)械陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：與機(jī)械陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的

4、能力；零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力；繞制的光纖較長(zhǎng)，使檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；繞制的光纖較長(zhǎng)，使檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問(wèn)題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問(wèn)題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；易于采用集成光路技術(shù)，信號(hào)穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；易于采用集成光路技術(shù)，信號(hào)穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；通過(guò)改變光纖的長(zhǎng)度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬通過(guò)改變光纖的長(zhǎng)度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，

5、并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；的動(dòng)態(tài)范圍；相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無(wú)需預(yù)熱；相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無(wú)需預(yù)熱；可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；感器；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕。光纖陀螺儀簡(jiǎn)介 摘自中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)光纖陀螺儀與其他陀螺儀比較光纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng)Q 各種類(lèi)型的光纖陀螺各種類(lèi)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) , ,只是各自

6、所采用的只是各自所采用的位相或頻率解調(diào)方式不同位相或頻率解調(diào)方式不同, ,或者對(duì)光纖陀螺的噪聲補(bǔ)償方法不同?；蛘邔?duì)光纖陀螺的噪聲補(bǔ)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Q Sagnac 效應(yīng)效應(yīng)如圖1(a)所示，在無(wú)旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等，為cRcLttCWCCW2如圖1(b)所示，旋轉(zhuǎn)條件下為RcRtCCW2RcRtCW2(a) M Ml(b)CCWCCCWM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 Sagnac 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)光纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng)Q

7、Sagnac 效應(yīng)效應(yīng)傳輸時(shí)間差：224cRtttCWCCW傳輸光程差：cRctL24 傳輸相位差傳輸相位差04SRLc(a) M Ml(b)CCWCCCWM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 Sagnac 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)光纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng)Q 當(dāng)環(huán)行光路繞垂直于所在平面并通過(guò)環(huán)心的軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，則沿順 、 逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ膬刹泄獠ㄔ诃h(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的相位差為：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)光纖陀螺儀原理-Sagnac效應(yīng)光纖陀螺儀的分類(lèi)干涉式光纖陀螺干涉式

8、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 OpticGyroscope光纖陀螺儀光纖陀螺儀干涉式光纖陀螺 ( I FOG) 干涉型光纖陀螺 ( IFOG ) 是研究開(kāi)發(fā)最早、技術(shù)最為成熟的光纖陀螺，屬第1代光纖陀螺 。它利用干涉測(cè)量技術(shù)把光位相的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)度的測(cè)量，從而較簡(jiǎn)單地測(cè)出Sagnac位相變化。 按照位相偏置方式可以分為：位相差偏置方式、光外差方式和延時(shí)調(diào)制方式。 按照光路組成可以分為消偏型、全光纖型和集成光學(xué)型。 按照檢測(cè)相位的方法可分為 開(kāi)環(huán)型開(kāi)環(huán)型（左圖）和 閉環(huán)型閉環(huán)型（右圖）ASEP

9、IN光纖環(huán)邏輯電路A/DD/A干涉光強(qiáng)信號(hào)調(diào)制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)寬帶光源光電檢測(cè)器耦合器Y波導(dǎo) 閉環(huán)型 開(kāi)環(huán)型v開(kāi)環(huán)光纖陀螺是指依據(jù)Sagnac原理，通過(guò)干涉光強(qiáng)的變化直接檢測(cè)干涉后的Sagnac相移，從而得到旋轉(zhuǎn)角速率。v開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但是開(kāi)環(huán)光纖陀螺輸出響應(yīng)存在非線性，因而動(dòng)態(tài)范圍較窄，檢測(cè)精度低。v閉環(huán)光纖陀螺的基本原理是在光纖環(huán)中人為地引入一非互易的補(bǔ)償相移，以抵消由于光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的Sagnac相移，補(bǔ)償相移與Sagnac相移大小相等，方向相反。光纖陀螺始終工作在靈敏度最高的零位相差點(diǎn)附近，可以從補(bǔ)償相移中獲得陀螺的輸出信號(hào)，這時(shí)陀螺的動(dòng)態(tài)范圍取決于引入補(bǔ)償位相的器件性能。

10、v較之開(kāi)環(huán)陀螺，閉環(huán)光纖陀螺避免了陀螺輸出的非線性，動(dòng)態(tài)范圍廣，檢測(cè)精度高。另外，閉環(huán)方案的使用，使得光纖陀螺能自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化狀態(tài)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)追蹤。 干涉式光纖陀螺 ( I FOG)Q 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)。 道尼爾328客機(jī) 干涉光線儀裝置安放處干涉式光纖陀螺 ( I FOG)Q 諧振腔光纖陀螺（諧振腔光纖陀螺（R-FOGR-FOG）是第）是第2 2代光纖陀螺。它利用一個(gè)循環(huán)的環(huán)形代光纖陀螺。它利用一個(gè)循環(huán)的環(huán)形諧振腔來(lái)增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克效應(yīng)。諧振腔來(lái)增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克效應(yīng)。諧振腔光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖諧振腔光纖陀螺

11、 ( R FOG)Q與 IFOG相比，R FOG具有以下特點(diǎn)：光纖長(zhǎng)度短 ，降低了成本； 采用高相干光源，波長(zhǎng)穩(wěn)定性高；檢測(cè)精度高，動(dòng)態(tài)范圍大。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(guó)都投入大量人力對(duì)其進(jìn)行研究，相信在不久的將來(lái)，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。諧振腔光纖陀螺 ( R FOG)Q 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(chēng)光纖環(huán)形激光陀螺代光纖陀螺，又稱(chēng)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

12、受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺( B FRLG) ( B FRLG) 。采用有源諧振腔的布里。采用有源諧振腔的布里淵光纖陀螺是利用高功率光在光纖中激發(fā)布里淵散射光（淵光纖陀螺是利用高功率光在光纖中激發(fā)布里淵散射光（SBSSBS）的光纖陀螺）的光纖陀螺儀。儀。Q 當(dāng)光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生布里淵散射，散射光的頻率當(dāng)光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生布里淵散射，散射光的頻率由于受薩格奈克效應(yīng)的影響，順、逆時(shí)針的兩束布里淵散射光的頻差與旋轉(zhuǎn)由于受薩格奈克效應(yīng)的影響，順、逆時(shí)針的兩束布里淵散射光的頻差與旋轉(zhuǎn)角速度成正比。角速度成正比。Q 檢測(cè)順、逆時(shí)針?lè)较蚬獠óa(chǎn)生的散射光的頻率，

13、并進(jìn)行拍頻處理，就可以得檢測(cè)順、逆時(shí)針?lè)较蚬獠óa(chǎn)生的散射光的頻率，并進(jìn)行拍頻處理，就可以得到光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)角速度。到光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)角速度。Q 由于這種光纖陀螺能直接給出頻率輸出，所以適合于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它由于這種光纖陀螺能直接給出頻率輸出，所以適合于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它是隨著光纖式光源的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型光纖陀螺。是隨著光纖式光源的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型光纖陀螺。布里淵型光纖陀螺 ( B FOG)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)星定位光纖陀螺儀的應(yīng)用 光纖陀螺儀的應(yīng)用（國(guó)

14、外） 光纖陀螺光纖陀螺儀的儀的應(yīng)用狀況應(yīng)用狀況1.1.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(chē)導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石汽車(chē)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)和民用領(lǐng)域。的控制置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。光纖陀螺儀的應(yīng)用 我國(guó)我國(guó)國(guó)內(nèi)國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)從事光纖陀螺研究的研究所、院校、民營(yíng)單位共