光學(xué)陀螺儀課件

第四章光學(xué)角速度敏感器

10/26/20221旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和振動(dòng)陀螺是以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的機(jī)電式慣性器件，其基本特性在于運(yùn)動(dòng)物體在慣性空間中的動(dòng)量守恒。光學(xué)角速度敏感器是以光的慣性特性為基礎(chǔ)的另一類角速度敏感器光學(xué)角速度敏感器-----光學(xué)陀螺儀§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

10/26/20222光學(xué)陀螺諧振型（頻率式）光學(xué)陀螺干涉型（相位式）光學(xué)陀螺干涉式多匝光纖陀螺連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)制方式運(yùn)轉(zhuǎn)有源諧振腔型光學(xué)陀螺無(wú)源諧振腔型光學(xué)陀螺四頻差動(dòng)激光陀螺二頻差動(dòng)激光陀螺§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

一分類

10/26/20223二基本原理---Sagnac效應(yīng)

§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

ΩRStcwtccw10/26/20225二基本原理---Sagnac效應(yīng)

§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

Sagnac效應(yīng)相位差

干涉條紋移動(dòng)距離

10/26/20226二基本原理---Sagnac效應(yīng)

§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一個(gè)觀察點(diǎn)發(fā)出的一對(duì)光波沿相反方向運(yùn)行又回到該觀察點(diǎn)時(shí)，這對(duì)光波的相位（光程）將因閉合環(huán)形光路相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同。其相位差（或光程差）的大小與光路的轉(zhuǎn)動(dòng)速率成正比。

10/26/20227二基本原理---Sagnac干涉儀

§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

平臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝像頭反射鏡分束器光源旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪靈敏度：

10/26/20228正反向行波間的頻差其中：

：比例因子

§4.1

光學(xué)角速度敏感器的一般原理

二基本原理---環(huán)形諧振腔及其頻差10/26/202210§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

目前在慣性技術(shù)領(lǐng)域已獲得卓有成效實(shí)際應(yīng)用的非機(jī)電式高精度慣性敏感儀表，作為一種光電式慣性敏感器，它無(wú)需機(jī)電式陀螺所必需的高速轉(zhuǎn)子，性能優(yōu)勢(shì)明顯。特別適用于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的機(jī)電式陀螺及其它類型的陀螺相比，具有突出優(yōu)點(diǎn)和性能特征：

性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，精度較高，動(dòng)態(tài)范圍寬。

無(wú)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件，壽命長(zhǎng),可靠性好，啟動(dòng)迅速，不需恒溫。既是速率陀螺又是積分陀螺，成本較低。

一性能特征與基本組成

10/26/202212§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

環(huán)形激光陀螺是以雙向行波激光器為核心的量子光學(xué)儀表。依靠環(huán)形行波激光器內(nèi)雙向行波間的諧振頻差來(lái)測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角速度。一性能特征與基本組成

由環(huán)形激光器、偏頻組件、程長(zhǎng)控制組件、信號(hào)讀出系統(tǒng)、邏輯電路、電源組件及安裝結(jié)構(gòu)和電磁屏蔽罩等組成。10/26/202214§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

激光陀螺的核心部件，由它形成的正反向行波激光振蕩是激光陀螺實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的基礎(chǔ)。決定激光陀螺的性能，所有激光器中，只有環(huán)形行波激光器才可能由Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生出反映角速度的差頻信號(hào)。二環(huán)形激光器

環(huán)形激光器必須滿足一定的條件才能用于激光陀螺，并非所有的環(huán)形激光器都可以用于激光陀螺。

10/26/202215§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

環(huán)形激光器是由三面或四面以上的反射鏡構(gòu)成的環(huán)形行波諧振腔和置至于腔內(nèi)的激光介質(zhì)組成的一種激光器。反射鏡的幾何位置保證行波模在環(huán)形腔內(nèi)能自洽運(yùn)行，其反射率提供行波振蕩所需的正反饋，激光增益介質(zhì)提供受激越遷以維持腔內(nèi)的行波振蕩光場(chǎng)。

1．環(huán)形激光諧振腔穩(wěn)定工作條件

10/26/202216§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

激光陀螺的增益介質(zhì)的小信號(hào)增益系數(shù)相當(dāng)小，有效增益長(zhǎng)度較短，因此只有用穩(wěn)定諧振腔（簡(jiǎn)稱穩(wěn)定腔）方能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。激光陀螺標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定需采用主動(dòng)穩(wěn)頻方法穩(wěn)定諧振腔光程長(zhǎng)。為此，通常也必須采用穩(wěn)定腔。所謂穩(wěn)定腔是指能保持一個(gè)以上模式的光線在該腔內(nèi)經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次周而復(fù)始的運(yùn)行后也不偏離腔體軸線而橫向逸出的光學(xué)諧振腔。

1．環(huán)形激光諧振腔穩(wěn)定工作條件

M3M1M2M2M2M1M1M3M310/26/202217§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

（1）必須在環(huán)形激光器內(nèi)維持相向行波模對(duì)

2．用于激光陀螺的環(huán)形激光器應(yīng)滿足的條件

（2）相向行波模對(duì)應(yīng)以單橫模和單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)

（3）環(huán)形激光器的工作波長(zhǎng)應(yīng)有利于光電探測(cè)

10/26/202218§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

1．偏頻技術(shù)---機(jī)械小幅高頻抖動(dòng)交變偏頻10/26/202220速率偏頻通常是以恒定值的速率繞輸入軸沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)T/2的時(shí)間，再換一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)周期，在每半個(gè)周期內(nèi)，激光陀螺的偏置是一個(gè)恒量。速率偏頻的量級(jí)為100°/s，換向周期10s，采用無(wú)刷直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用霍爾效應(yīng)控制的電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行換向?！?.2

環(huán)形激光陀螺儀

三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

1．偏頻技術(shù)---速率偏頻10/26/202221在同一諧振腔內(nèi)維持兩對(duì)互不影響的相向行波膜對(duì)，再利用某種光學(xué)方法使每一行波模對(duì)的正反向行波之間形成一固定的偏頻量，而且在進(jìn)行信號(hào)處理中能使兩對(duì)行波的偏頻量互相抵消，則可以實(shí)現(xiàn)完全無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的激光陀螺?！?.2

環(huán)形激光陀螺儀

三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

1．偏頻技術(shù)---多頻激光陀螺10/26/202223§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

任何一個(gè)環(huán)形激光腔的面積和振蕩于其中的激光波長(zhǎng)都取決于環(huán)形腔的程長(zhǎng)，程長(zhǎng)決定著標(biāo)度因數(shù)的精度及其穩(wěn)定性。三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

2．程長(zhǎng)控制技術(shù)

程長(zhǎng)控制的基本方法

：引起程長(zhǎng)變化的最直接、最重要的原因是腔體本身及腔內(nèi)介質(zhì)的熱脹冷縮。采用熱脹系數(shù)極低的石英玻璃或微晶玻璃制作腔體，可以減小因溫度變化所致的程長(zhǎng)波動(dòng)，但卻很難達(dá)到高精度激光陀螺所要求的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。因此，必須采用有效的主動(dòng)手段來(lái)控制波長(zhǎng)。

通常采用激光增益曲線穩(wěn)頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。10/26/202224§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

2．程長(zhǎng)控制技術(shù)

10/26/202226§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

2．程長(zhǎng)控制技術(shù)

調(diào)制信號(hào)發(fā)生器校正網(wǎng)絡(luò)相敏檢波帶通濾波強(qiáng)度包絡(luò)檢測(cè)溫度檢測(cè)PZT驅(qū)動(dòng)電源放大器10/26/202227§4.2

環(huán)形激光陀螺儀

三環(huán)形激光陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)

3．信號(hào)讀出與處理技術(shù)

環(huán)形激光陀螺對(duì)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)的敏感信息包含于環(huán)形激光器內(nèi)相向運(yùn)行的行波模對(duì)的頻差之中。采用光學(xué)拍頻方法可以檢測(cè)。但普通的拍頻只能檢測(cè)出頻差的絕對(duì)值，而反映轉(zhuǎn)動(dòng)方向的符號(hào)卻不能檢測(cè)。只有采用特殊的合光棱鏡和光電對(duì)管相結(jié)合，構(gòu)成信號(hào)讀出系統(tǒng)，才能同時(shí)檢測(cè)頻差大小和正負(fù)，解算出環(huán)形激光陀螺敏感的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)信息。

利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，是目前RLG信號(hào)處理的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

10/26/202228§4.3干涉式光纖陀螺二IFOG的光纖環(huán)10/26/202230§4.3干涉式光纖陀螺三IFOG的其它光學(xué)元件10/26/202231§4.3干涉式光纖陀螺四開(kāi)環(huán)IFOG10/26/202232§4.3干涉式光纖陀螺四開(kāi)環(huán)IFOGHitachiFiber-OpticGyro10/26/202233§4.3干涉式光纖陀螺五閉環(huán)IFOG10/26/202234§4.4諧振式光纖陀螺用單模光纖構(gòu)成環(huán)形諧振腔，通過(guò)檢測(cè)諧振腔中順、逆時(shí)針傳播的兩光束之間由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的諧振頻差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速率的度量，即構(gòu)成諧振器型光纖陀螺。在該陀螺中，為了抵消諧振腔長(zhǎng)隨溫度變化和機(jī)械變化帶來(lái)的影響，必須采用順、逆時(shí)針傳播的兩路光，此外，還應(yīng)采取各種措施抑制噪聲、提高零點(diǎn)穩(wěn)定性。諧振腔型光纖陀螺與干涉型光纖陀螺相反，要求使用相干性高的光源。諧振腔型光纖陀螺存在一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，且不過(guò)幾米到幾十米，因此，用極短的光纖就可以構(gòu)成這種光纖陀螺，使之更易小型化。10/26/202235§4.4諧振式光纖陀螺10/26/202236§4.4諧振式光纖陀螺10/2