干涉式光纖陀螺儀

1、干涉式光纖陀螺儀 引 言自從1963年制造出第一個(gè)基于Sagnac效應(yīng)的環(huán)形激光陀螺儀（RLG）以來(lái)，大量光學(xué)陀螺儀得到發(fā)展，同時(shí)其性能也得到驗(yàn)證，其中包括光纖陀螺儀（FOG）1。從20世紀(jì)60年代末，位于華盛頓的美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室就開始研究光纖陀螺技術(shù)，目的是研制出比氦氖環(huán)形激光陀螺儀成本更低、制造流程更簡(jiǎn)單、精度更高的光纖角速率傳感器。經(jīng)過(guò)近幾十年各國(guó)學(xué)者開展的大量研究工作，光纖陀螺儀在航海、軍事、空間和民用方面都有較大的應(yīng)用價(jià)值。本報(bào)告簡(jiǎn)單介紹了干涉式光纖陀螺儀原理，類型以及應(yīng)用等方面。一、 Sagnac效應(yīng)所有的光學(xué)陀螺儀的工作原理均基于Sagnac效應(yīng)，即利用繞垂直于環(huán)面的軸旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干

2、涉儀中兩束相反傳播的光信號(hào)間相移，或利用在光腔繞垂直于自身的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)分別沿順時(shí)針（CW）和逆時(shí)針（CCW）方向傳播的諧振模式間的頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)陀螺儀的測(cè)量作用。1為簡(jiǎn)便分析，首先考慮環(huán)形干涉儀內(nèi)為真空的情況。在光路中一點(diǎn)放置分光器，當(dāng)光從該點(diǎn)進(jìn)入干涉儀后，被分為沿順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向傳播的信號(hào)。當(dāng)干涉儀相對(duì)于慣性坐標(biāo)系靜止時(shí)，沿相反方向傳播的兩束光光程相等，且傳播速度均等于c（c為真空中光速）。經(jīng)過(guò)時(shí)間r，兩束光同時(shí)回到分光器位置，可求得傳播時(shí)間r為：r = 2Rc式中：R為環(huán)形干涉儀半徑 若環(huán)形干涉儀以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則分光器在時(shí)間r內(nèi)的位移l=Rr。當(dāng)光在干涉儀中完成一次往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，

3、由于干涉儀轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)小角度，環(huán)形干涉儀在順時(shí)針方向光束（與方向相同）的光程將略微大于2R，而逆時(shí)針方向光束的光程就將稍小于2R，順時(shí)針光程LCW與逆時(shí)針光程LCCW間的光程差為L(zhǎng)=LCW-LCCW=2l=2Rr=4R2c由于兩束光的傳播速度相同，均等于真空中的光速c，所以沿逆時(shí)針方向的光波先到達(dá)分光器處，兩束光到達(dá)分光器處的時(shí)間差等于t=Lc=4R2c2由干涉儀轉(zhuǎn)動(dòng)引起的兩束光相移可表示為=t2c=82R2c式中：為光的波長(zhǎng)當(dāng)在有效折射率neff>1的真實(shí)光纖中時(shí)，不能直接將cm=cneff 代入上式。因?yàn)楣庠陟o止介質(zhì)中傳播是，對(duì)于靜止的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，光相對(duì)介質(zhì)的傳播速度cm=cneff；

4、如果介質(zhì)以速度vt運(yùn)動(dòng)，對(duì)于隨介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)的觀察著來(lái)說(shuō)，光仍以速度cm=cneff傳播，但對(duì)于靜止的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，光在介質(zhì)中的傳播速度卻會(huì)由于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而變化。在這種情形下，會(huì)產(chǎn)生斐索牽引或多普勒效應(yīng)，補(bǔ)償了折射率的效應(yīng)，因此上式仍成立，即在折射率為n的均勻介質(zhì)中引起的相移與真空條件下的相移相等。2干涉儀的旋轉(zhuǎn)也可以引起光腔中兩個(gè)相反傳播的共振模的頻率差。在一個(gè)光腔為真空且靜止的光學(xué)諧振器中，光模的諧振頻率滿足下面的關(guān)系式式中：q為整數(shù)（諧振階次）；p為諧振器周長(zhǎng)。對(duì)于環(huán)形腔中所激發(fā)出的兩個(gè)相反傳播的q階諧振模式，干涉儀的轉(zhuǎn)動(dòng)使其諧振頻率被分為 式中：p+和p-代表兩個(gè)諧振頻率模光路的周長(zhǎng)，兩者

5、的差p+ - p-用p表示。兩個(gè)q階諧振模的頻率差為聯(lián)立得諧振器中的光束，無(wú)論在折射率為n的均勻介質(zhì)中傳播，還是在有效折射率為neff的光波導(dǎo)中傳播，上式給出的分頻表達(dá)式不變。對(duì)于圓環(huán)形諧振器，由于，所以可改寫為式中：R為諧振器半徑。對(duì)于任意形狀的光腔，頻率差為為式中：a表示光路圍成的面積。二、 光纖陀螺儀的基本種類目前，按照工作原理劃分光纖陀螺主要有三種類型：即干涉型光纖陀螺儀(IFOG)、諧振型光纖陀螺儀(RFOG)1和布里淵型光纖陀螺儀(BFOG)2, 3。其中，對(duì)諧振型光纖陀螺儀和布里淵型光纖陀螺儀的研究尚不成熟，還分別處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和基礎(chǔ)理論研究階段，而干涉型光纖陀螺則是研究最成熟、

6、應(yīng)用最廣泛的光纖陀螺儀。中、低精度的干涉型光纖陀螺儀已實(shí)現(xiàn)商品化批量生產(chǎn)并在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。4三、 干涉式光纖陀螺儀基本原理與結(jié)構(gòu)圖一給出了干涉式光纖陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)圖。入射光被分束器分成兩束，由于分束器2在兩束光束間引入了/2的相移，靜止時(shí)順、逆時(shí)針信號(hào)將產(chǎn)生的相移，故要引入分束器1形成互易結(jié)構(gòu)以保證陀螺儀輸入角速率為零時(shí)兩束輸出光同相。由Sagnac效應(yīng)，由旋轉(zhuǎn)引起的相位差可表示為=t2c=82R2ck=4LRc式中：為兩束反向傳播的光波長(zhǎng)（傳感器工作波長(zhǎng)）；R為光纖線圈半徑；c為真空中的光速；k為光纖線圈匝數(shù)；L為光纖總長(zhǎng)度。陀螺儀的標(biāo)尺因數(shù)1取決于光波長(zhǎng)，線圈半徑和線圈匝數(shù)k。在給

7、定尺寸增加匝數(shù)可提高陀螺儀靈敏度。1 圖一 干涉式光纖陀螺儀基本結(jié)構(gòu)圖4干涉式光纖陀螺儀又分為開環(huán)結(jié)構(gòu)與閉環(huán)結(jié)構(gòu)。開環(huán)光纖陀螺是通過(guò)相位調(diào)制補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac相移，并通過(guò)模擬或者數(shù)字的信號(hào)處理電路，獲得旋轉(zhuǎn)引起的相移；閉環(huán)光纖陀螺是在陀螺中添加了一個(gè)反饋回路，使產(chǎn)生一個(gè)和旋轉(zhuǎn)引起相移相反的反饋相移，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)形成陀螺輸出。圖二 IFOG結(jié)構(gòu)圖4在開環(huán)結(jié)構(gòu)中，光電探測(cè)器檢測(cè)的光信號(hào)是兩束反向傳播的光之間干涉的結(jié)果，通過(guò)對(duì)順逆時(shí)針信號(hào)的調(diào)制，可以使光電探測(cè)器對(duì)角速率的靈敏度達(dá)到最大值，從而保持陀螺儀一直工作在對(duì)角速率最靈敏的工作點(diǎn)上。在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，負(fù)反

8、饋回路中包含了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），一個(gè)專用數(shù)字信號(hào)處理集成電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和集成光學(xué)器件（包括分光器、相位調(diào)制器、偏振片等），探測(cè)器。通過(guò)處理與調(diào)制，使傳感器工作在最靈敏區(qū)，也有效地減小了響應(yīng)的非線性特性。四、 主要影響干涉式光纖陀螺儀性能的因素 干涉式光纖陀螺儀的性能受限于光纖線圈的非互易性效應(yīng)。二氧化硅的折射率取決于光束的光功率，由于順逆時(shí)針光信號(hào)功率不同，二氧化硅折射率的類克爾非線性特性2將可能引入兩個(gè)光束間的相移。采用寬帶光源可以大大減小這種負(fù)面效應(yīng)的影響。二氧化硅的折射率與溫度有關(guān)，1K的溫度變化將引起約10-5的折射率變化，光纖線圈的溫度梯度將由Shupe效應(yīng)2引起傳感

9、器的誤差，光纖總長(zhǎng)越長(zhǎng)，該效應(yīng)越明顯，可采用特殊的繞線方法來(lái)解決，例如二極對(duì)稱繞線法，四極對(duì)稱繞線法等。順逆兩束光的偏振不穩(wěn)定性也會(huì)使光纖陀螺儀的性能大打折扣，可采用保偏光纖來(lái)解決該問(wèn)題。此外，振動(dòng)也會(huì)嚴(yán)重影響干涉式光纖陀螺儀的精度。五、 干涉式光纖陀螺儀的性能圖三 光纖陀螺儀與其他陀螺儀性能比較5干涉式光纖陀螺儀可以達(dá)到很高的精度。對(duì)于航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的光纖陀螺，其陀螺儀性能參數(shù)可以達(dá)到常值漂移小于3×10-4°h，隨機(jī)游走系數(shù)小于8×10-5°h。但干涉式光纖陀螺儀仍存在對(duì)溫度變化以及振動(dòng)的高度敏感問(wèn)題，尚未像氦-氖 RLG那樣完全解決，所以干涉式光

10、纖陀螺儀在高精度應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。六、 光纖陀螺儀發(fā)展現(xiàn)狀以及前景 光纖陀螺儀能廣泛應(yīng)用于航天航空,機(jī)器人系統(tǒng),機(jī)車導(dǎo)航,天線與望遠(yuǎn)鏡平臺(tái)穩(wěn)定,深海導(dǎo)航,礦物勘采甚至是地震探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。又由于其在航空航天，機(jī)載系統(tǒng)和軍事技術(shù)上有良好的應(yīng)用前景，光纖陀螺儀的研究備受用戶特別是軍方的重視，國(guó)外的中低精度光纖陀螺（主要是干涉式光纖陀螺）已經(jīng)商品化，高精度的光纖陀螺正在走向成熟。國(guó)內(nèi)光纖陀螺的研究與國(guó)外有一定的差距，中低精度的正在走向產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中。6近年來(lái)我國(guó)發(fā)射的部分試驗(yàn)衛(wèi)星上就已經(jīng)應(yīng)用了光纖陀螺儀。今后光纖陀螺儀的研究方向?qū)⑹切⌒突?biāo)準(zhǔn)化和多路復(fù)用。2, 6, 71.Mario N.Armenise, C.C., Francesco Dell'Olio,Vittorio M. N. Passaro, Advances in Gyroscope Technologies. 2013. 119.2.張桂才, 光纖陀螺原理與技術(shù). 2008, 國(guó)防工業(yè)出版社. 384.3.董永康, et al., 布里淵光纖環(huán)形激光器及其應(yīng)用. 激光技術(shù), 2004(05): p. 498-502.4.王麗琴, 光纖陀螺儀及其應(yīng)用. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2013(05): p. 132-133+135