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光纖陀螺儀簡介光纖陀螺儀簡介1基本原理基本原理-sagnac-sagnac效應效應2光纖陀螺儀的分類光纖陀螺儀的分類3 3光纖陀螺儀的應用光纖陀螺儀的應用4 4光纖陀螺儀簡介Q陀螺儀陀螺儀(gyroscope)(gyroscope)意即意即“旋轉指示器旋轉指示器”，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動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器，確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國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)展對一個國家的工業(yè)，國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械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，它的精度傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，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)近代物理學原理制成的具有陀螺效應的傳感器。光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學原理制成的具有陀螺效應的傳感器。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 ) 效應測量旋轉角速率效應測量旋轉角速率的新型全固的新型全固態(tài)慣性儀表。態(tài)慣性儀表。 機械陀螺儀 激光陀螺儀 光纖陀螺儀Q與機械陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：與機械陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點：零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強的抗沖擊和抗加速運動的

4、能力；零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強的抗沖擊和抗加速運動的能力；繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數(shù)量級；繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數(shù)量級；無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；易于采用集成光路技術，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計算機接口聯(lián)接；易于采用集成光路技術，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計算機接口聯(lián)接；通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實現(xiàn)不同的精度，并具有較寬通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實現(xiàn)不同的精度，

5、并具有較寬的動態(tài)范圍；的動態(tài)范圍；相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預熱；相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預熱；可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構成各種慣導系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的傳可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構成各種慣導系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的傳感器；感器；結構簡單、價格低，體積小、重量輕。結構簡單、價格低，體積小、重量輕。光纖陀螺儀簡介 摘自中國慣性技術學報光纖陀螺儀與其他陀螺儀比較光纖陀螺儀原理-Sagnac效應Q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 效應效應 , ,只是各自所

6、采用只是各自所采用的位相或頻率解調方式不同的位相或頻率解調方式不同, ,或者對光纖陀螺的噪聲補償方法不同?；蛘邔饫w陀螺的噪聲補償方法不同。檢測器檢測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 光纖陀螺結構圖Q Sagnac 效應效應如圖1(a)所示，在無旋轉條件下，兩束光傳輸時間相等，為cRcLttCWCCW2如圖1(b)所示，旋轉條件下為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 效應效應 (a) (a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉系統(tǒng)旋轉光纖陀螺儀原理-Sagnac效應Q

7、Sagnac 效應效應傳輸時間差：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 效應效應 (a) (a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉系統(tǒng)旋轉光纖陀螺儀原理-Sagnac效應Q當環(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時，則沿順 、 逆時針方向傳播的兩波列光波在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的相位差為：A為光傳播路徑包圍的面積一般的向量表達為光傳播路徑包圍的面積一般的向量表達光纖陀螺儀原理-Sagnac效應光纖陀螺儀的分類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 ) 是研究開發(fā)最早、技術最為成熟的光纖陀螺，屬第1代光纖陀螺 。它利用干涉測量技術把光位相的測量轉變?yōu)楣鈴姸鹊臏y量，從而較簡單地測出Sagnac位相變化。 按照位相偏置方式可以分為：位相差偏置方式、光外差方式和延時調制方式。 按照光路組成可以分為消偏型、全光纖型和集成光學型。 按照檢測相位的方法可分為 開環(huán)型開環(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干涉光強信號調制電壓信號轉速信號寬帶光源光電檢測器耦合器Y波導 閉環(huán)型 開環(huán)型v開環(huán)光纖陀螺是指依據(jù)Sagnac原理，通過干涉光強的變化直接檢測干涉后的Sagnac相移，從而得到旋轉角速率。v開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是電路簡單，但是開環(huán)光纖陀螺輸出響應存在非線性，因而動態(tài)范圍較窄，檢測精度低。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償相移，以抵消由于光纖環(huán)旋轉產(chǎn)生的Sagnac相移，補償相移與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附近，可以從補償相移中獲得陀螺的輸出信號，這時陀螺的動態(tài)范圍取決于引入補償位相的器件性能。

10、v較之開環(huán)陀螺，閉環(huán)光纖陀螺避免了陀螺輸出的非線性，動態(tài)范圍廣，檢測精度高。另外，閉環(huán)方案的使用，使得光纖陀螺能自動調整優(yōu)化狀態(tài)，進行動態(tài)探測追蹤。 干涉式光纖陀螺 ( I FOG)Q 干涉式陀螺首次應于道尼爾328客機上，目前應用于波音777飛機的姿態(tài)和空氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(SAARU)。 道尼爾328客機 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。它利用一個循環(huán)的環(huán)形代光纖陀螺。它利用一個循環(huán)的環(huán)形諧振腔來增強旋轉引起的薩格奈克效應。諧振腔來增強旋轉引起的薩格奈克效應。諧振腔光纖陀螺結構圖諧振腔光纖陀螺

11、( R FOG)Q與 IFOG相比，R FOG具有以下特點：光纖長度短 ，降低了成本； 采用高相干光源，波長穩(wěn)定性高；檢測精度高，動態(tài)范圍大。注意：R-FOG 研究起步較晚，且對光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG還處于實驗室研究階段，但是和I-FOG相比有上述優(yōu)勢，因此各國都投入大量人力對其進行研究，相信在不久的將來，R-FOG一定可以在慣性導航與制導等諸多領域得到廣泛應用。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，又稱光纖環(huán)形激光陀螺代光纖陀螺，又稱光纖環(huán)形激光陀螺( F ( F RLG)RLG)，或受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺，或受

12、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。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（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（SBSSBS）的光）的光纖陀螺儀。纖陀螺儀。Q當光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴娺_到一定程度時就會產(chǎn)生布里淵散射，散射光的頻當光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴娺_到一定程度時就會產(chǎn)生布里淵散射，散射光的頻率由于受薩格奈克效應的影響，順、逆時針的兩束布里淵散射光的頻差與旋率由于受薩格奈克效應的影響，順、逆時針的兩束布里淵散射光的頻差與旋轉角速度成正比。轉角速度成正比。Q檢測順、逆時針方向光波產(chǎn)生的散射光的頻率，并進行

13、拍頻處理，就可以檢測順、逆時針方向光波產(chǎn)生的散射光的頻率，并進行拍頻處理，就可以得到光纖環(huán)的旋轉角速度。得到光纖環(huán)的旋轉角速度。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)慣性導航系統(tǒng)，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。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。布里淵型光纖陀螺 ( B FOG)fibre optic gyroscope陸地交通導航陸地交通導航戰(zhàn)術導彈制導戰(zhàn)術導彈制導航天器姿態(tài)調整航天器姿態(tài)調整精密航天器應用精密航天器應用衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位光纖陀螺儀的應用 光纖陀螺儀的應用（國外） 光

14、纖陀螺儀的應用狀況光纖陀螺儀的應用狀況1.1.戰(zhàn)略導彈系統(tǒng)和潛艇導航應用；戰(zhàn)略導彈系統(tǒng)和潛艇導航應用；2.2.衛(wèi)星定向和跟蹤；衛(wèi)星定向和跟蹤；3.3.戰(zhàn)術武器制導與控制系統(tǒng)；戰(zhàn)術武器制導與控制系統(tǒng)；4.4.各種運載火箭應用；各種運載火箭應用；5.5.姿態(tài)航向基準系統(tǒng)；姿態(tài)航向基準系統(tǒng)； 6.6.艦船、導彈和軍民用飛機的慣性導航；艦船、導彈和軍民用飛機的慣性導航；7.7.陸地導航系統(tǒng)陸地導航系統(tǒng)(+GPS)(+GPS)；8.8.天體觀測望遠鏡的穩(wěn)定和調向；天體觀測望遠鏡的穩(wěn)定和調向；9.9.汽車導航儀、天線攝像機的穩(wěn)定、石汽車導航儀、天線攝像機的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機器人控制、各種極限作業(yè)油鉆井定向、機器人控制、各種極限作業(yè)的控制置等工業(yè)和民用領域。的控制置等工業(yè)和民用領域。光纖陀螺儀的應用 我國我國國內國內目前目前光纖陀螺研制狀況光纖陀螺研制狀況： 據(jù)不完全統(tǒng)計，國內從事光纖陀螺研究的研究所、院校、據(jù)不完全統(tǒng)計，國內從事光纖陀螺研究的研究所、院校、民營單位共有