光纖陀螺概述課件

光纖陀螺概述光纖陀螺概述光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)；光纖陀螺的分類；光纖陀螺的工作原理；光纖陀螺的誤差分析；光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展。內(nèi)容安排光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)；內(nèi)容安排中文名：光纖陀螺英文名:FiberOpticGyro定義：應(yīng)用激光及光導(dǎo)纖維技術(shù)測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)動(dòng)角度的無自轉(zhuǎn)質(zhì)量的新型光學(xué)陀螺儀。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)中文名：光纖陀螺第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)簡(jiǎn)介：光纖陀螺是一種用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器。陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器。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。因其無活動(dòng)部件——高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)簡(jiǎn)介：第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)光纖陀螺概述課件與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：(1)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；(2)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)；(3)無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；(4)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；第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：第1節(jié)光纖陀螺的定義與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：(5)通過改變光纖的長(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，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無需預(yù)熱；(7)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；(8)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：第1節(jié)光纖陀螺的定義按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應(yīng)用最廣泛；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成：集成光學(xué)型和全光纖型光纖陀螺按回路類型：開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺第2節(jié)纖陀螺的分類按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應(yīng)用最廣泛光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac效應(yīng),如圖1所示,在同一光學(xué)回路中,沿順時(shí)針方向(CW)逆時(shí)針方向(CCW)傳播的兩束光,當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將使兩束光產(chǎn)生相位差,該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理圖1:Sagnac效應(yīng)原理圖光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac效應(yīng),如圖1所示光纖陀螺的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束,分別沿順時(shí)針方向及逆時(shí)針方向進(jìn)入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中,當(dāng)環(huán)形回路以角速度作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),由Fizeau效應(yīng)有:。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理圖2光纖陀螺工作原理圖光纖陀螺的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為由式(1)-(2)計(jì)算可得:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理進(jìn)而可以求得兩束光之間的相位差:由式(1)-(2)計(jì)算可得:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理進(jìn)實(shí)際上為了提高測(cè)量精度、減小陀螺體積,一般將總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖繞制成N匝直徑為D的線圈,則(4)式可修正為:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理式中:為環(huán)形光纖回路所圍的面積,K為光波波長(zhǎng)。通過解調(diào)相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度。實(shí)際上為了提高測(cè)量精度、減小陀螺體積,一般將總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的第干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結(jié)構(gòu)上就是如圖2所示的Sagnac干涉儀,它將角速度

的測(cè)量轉(zhuǎn)化為相位差，再通過相位解調(diào)技術(shù)，把光相位的直接測(cè)量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度測(cè)量，這樣就能比較方便地測(cè)量出Sagnac相位變化。通過檢測(cè)干涉光強(qiáng)得到光的相位變化信息。光強(qiáng)與相移的關(guān)系是一個(gè)隆起的余弦函數(shù):第3節(jié)光纖陀螺的工作原理干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結(jié)構(gòu)上就是如圖2所示的Sag第3節(jié)光纖陀螺的工作原理第3節(jié)光纖陀螺的工作原理第3節(jié)光纖陀螺的工作原理由(6)式和圖3可見,在輸入角速度很小的情況下,光探測(cè)器輸出信號(hào)的敏感度為零,而且不能辨別角速度

的方向。為了獲得輸出信號(hào)最大敏感度,并能分辨

的極性,應(yīng)進(jìn)行

相位偏置調(diào)制,使陀螺工作在靈敏度和線性度均最高的區(qū)域。圖3干涉式光纖陀螺的響應(yīng)偏置調(diào)制：提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度第3節(jié)光纖陀螺的工作原理由(6)式和圖3可見,在輸入角速度第3節(jié)光纖陀螺的工作原理開環(huán)式I-FOG直接檢測(cè)干涉后的Sagnac相移,并通過在光纖線圈的一端放置壓電陶瓷環(huán)PZT,作為產(chǎn)生

相位偏置

的調(diào)制器。結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4開環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)框圖調(diào)制之后干涉光強(qiáng)度為:光源SLD發(fā)出的光經(jīng)光源耦合器分光后，有一半的光進(jìn)入偏振器，并產(chǎn)生單模單偏振態(tài)的光。起偏后的光進(jìn)入光纖環(huán)耦合器，被分成順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向的兩束光滿足相干條件，并在光纖環(huán)中傳播。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理開環(huán)式I-FOG直接檢測(cè)干涉后的閉環(huán)式：利用反饋回路由相位調(diào)制器引入與Sagnac相移等值反向的非互易相移。較精密且復(fù)雜，主要用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)。開環(huán)式：直接檢測(cè)干涉后的Sagnac相移主要用作角速度傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是線性度差，動(dòng)態(tài)范圍小。閉環(huán)式：利用反饋回路由相位調(diào)制器引入與Sagnac相移等值反起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入起偏器后，從出端輸出的只有沿特定方向偏振的單一線偏振光。換言之，起偏器實(shí)際上可以看作是一個(gè)偏振模式的選擇器，即在注入而被激勵(lì)的兩個(gè)互為正交的光偏振模式中選擇其中之一導(dǎo)通，而令另一個(gè)截止。起偏器（Polarizer）的工作原理起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入起偏PZT相位調(diào)制PZT相位調(diào)制4種主要的干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)(1)開環(huán)全保偏光纖陀螺:精度低、成本低,早期采用模擬電路,現(xiàn)已基本采用數(shù)字信號(hào)處理,漂移率也提高到1°/h左右。(2)開環(huán)單模消偏光纖陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用處理電路基本和上一種相似,性能稍好于前一種。(3)閉環(huán)全保偏光纖陀螺:精度高(可達(dá)到10-4°/h)、高成本,采用數(shù)字電路,主要應(yīng)用于空間技術(shù)、軍事應(yīng)用和科學(xué)研究。(4)閉環(huán)單模光纖陀螺:成本相對(duì)前一種光纖陀螺低,精度高(可達(dá)到0.0035°/h),采用特殊消偏技術(shù),數(shù)字電路,制作難度大。4種主要的干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)(1)開環(huán)全保偏光纖陀螺:精度低單光纖光纖陀螺制作技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括光纖環(huán)和PZT的纏繞技術(shù)、偏振器和耦合器的拉制作技術(shù)、發(fā)光模塊和光電接收模塊的制作技術(shù)等。制作過程首先在光纖陀螺和相位調(diào)制器殼體上纏繞光纖，然后制作光纖環(huán)耦合器、光源耦合器和偏振器，接著制作發(fā)光模塊，并使SLD尾纖與光纖軸對(duì)準(zhǔn)，最后使光纖的另一端與光電探測(cè)器連接，并形成光電接收模塊。單光纖光纖陀螺制作技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)光纖環(huán)纏繞技術(shù)（l）采用對(duì)稱纏繞法。對(duì)稱纏繞法可以減小外界環(huán)境變化對(duì)光纖陀螺性能的影響。（2）涂緩沖膠層。由于光纖環(huán)殼體和光纖的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖環(huán)殼體和光纖環(huán)沿徑向產(chǎn)生不同的形變，使光纖環(huán)受到應(yīng)力的作用，從而引入光纖陀螺輸出誤差。為了消除此誤差，在纏繞光纖前，在光纖環(huán)的凹槽內(nèi)涂一層膠。（3）應(yīng)力控制。在纏繞光纖時(shí)，通過對(duì)緩沖線圈軸上的力矩進(jìn)行控制，使纏繞到光纖環(huán)上的光纖受到相同的應(yīng)力。這樣做有三個(gè)好處：纏繞光纖時(shí)不會(huì)時(shí)緊時(shí)松，可保證光纖環(huán)的纏繞質(zhì)量；光纖環(huán)中光纖間的應(yīng)力分布均勻，不會(huì)引入額外誤差；通過控制PZT上的繞線張力，能達(dá)到較好的相位調(diào)制效果。光纖環(huán)纏繞技術(shù)（l）采用對(duì)稱纏繞法。對(duì)稱纏繞法可以減小外界耦合器制作技術(shù)靠近光源一側(cè)的耦合器稱為光源耦合器，其分束比的穩(wěn)定性將影響到光纖陀螺的標(biāo)度系數(shù)?？拷饫w環(huán)一側(cè)的耦合器稱為光纖環(huán)耦合器，它的作用是產(chǎn)生兩束功率相同、符合相干條件的光波。其分束比的大小和穩(wěn)定性都有嚴(yán)格要求。（l）熔融拉錐技術(shù)（2）附加拉力控制耦合器制作技術(shù)靠近光源一側(cè)的耦合器稱為光源耦合器，其分束比的偏振器制作技術(shù)制作過程先把光纖拉細(xì)，然后把拉偏振器的這段光纖固定到石英基底上，最后用雙折射晶體包住光纖拉細(xì)的部分。（l）光纖拉制長(zhǎng)度控制。（2）選擇雙折射晶體。（3）溫度控制。偏振器制作技術(shù)制作過程先把光纖拉細(xì)，然后把拉偏振器的這段光纖第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析圖5光纖陀螺噪聲來源機(jī)理第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析圖5光纖陀螺噪聲來源機(jī)理低精度的光纖陀螺的噪聲主要表現(xiàn)為白噪聲，而在中、高精度光纖陀螺的輸出噪聲中，除了高斯白噪聲外，還包含了具有自相似性的分型噪聲。分形噪聲是一種具有長(zhǎng)程相似性、自相似性及類型普度特點(diǎn)的非平穩(wěn)噪聲。第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析低精度的光纖陀螺的噪聲主要表現(xiàn)為白噪聲，而在中、高第4節(jié)光纖從誤差特性的角度來分析，光纖陀螺的噪聲主要包括量化噪聲、隨機(jī)游走、偏置不穩(wěn)定性和速率隨機(jī)游走。其中，隨機(jī)游走系數(shù)的主要來源是光源的的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、探測(cè)器的電噪聲和散粒噪聲以及相關(guān)時(shí)間比采樣時(shí)間短的其他高頻噪聲項(xiàng)和光線陀螺中的二階背向散射，這些噪聲均可用白噪聲描述。零偏不穩(wěn)定性源于法拉第磁場(chǎng)效應(yīng)、溫度波動(dòng)引起的飄移或其他低頻環(huán)境噪聲以光纖陀螺中的偏振演變和探測(cè)器的閃爍噪聲。第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析從誤差特性的角度來分析，光纖陀螺的噪聲主要包括量化噪聲、隨機(jī)由于光纖陀螺的種種優(yōu)點(diǎn)的存在,使其取得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展圖6陀螺的零偏穩(wěn)定性由于光纖陀螺的種種優(yōu)點(diǎn)的存在,使其取得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。第陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域主要是由陀螺零偏穩(wěn)定性決定的,由此可見光纖陀螺的應(yīng)用幾乎覆蓋了目前所需要的全部領(lǐng)域,見表1。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域主要是由陀螺零偏穩(wěn)定性決定的,由此可見光纖陀第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展

光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域在立足陸用的同時(shí),向航空、航海和航天領(lǐng)域發(fā)展,如布撒器、制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦載火炮以及潛艇、衛(wèi)星等。將來光纖陀螺必將在更為廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。光纖陀螺代表著未來慣性器件的發(fā)展方向,世界各國(guó)都在不斷加大對(duì)光纖陀螺的研究,我國(guó)也已將其列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。隨著光纖制造技術(shù)和集成光路技術(shù)的不斷發(fā)展,光纖陀螺產(chǎn)品將向著多元化、小型化、實(shí)用化方向發(fā)展,并會(huì)在國(guó)防軍事、科學(xué)研究、以及人們的生產(chǎn)生活等方面擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展光纖陀螺的應(yīng)光纖陀螺民用技術(shù)現(xiàn)狀作為角速率傳感器的光纖陀螺，用做定位、導(dǎo)航和姿態(tài)控制在許多精度要求不高的民用場(chǎng)合有很大的市場(chǎng)。為了降低光纖陀螺成本,主要從以下幾方面人手：(1)光源方面。首先考慮使用短波長(zhǎng)(SLD)光源，理論上Sagnac效應(yīng)與波長(zhǎng)成反比，在相同靈敏度下可以縮短光纖長(zhǎng)度。同時(shí)，單模光纖的直徑正比于波長(zhǎng)，所以光纖環(huán)直徑更小，與之匹配的光電管加工要求也遠(yuǎn)低于長(zhǎng)波長(zhǎng)器件的要求。(2)光纖環(huán)方面。伴隨著光纖通信的發(fā)展，單模光纖的性能有了很大提高，耗損降低，價(jià)格低廉，與之配套的光源、探測(cè)器等各種光纖器件逐漸成熟，成為去偏器件研制的基礎(chǔ)，單模去偏光纖陀螺成本低、體積小、傳感線圈小，易加長(zhǎng)光纖用以提高靈敏度、抗輻射，制作簡(jiǎn)單，但與保偏光纖陀螺相比，偏置穩(wěn)定性差。(3)信號(hào)調(diào)制與解調(diào)方面。用開環(huán)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化光纖陀螺結(jié)構(gòu)，省掉復(fù)雜昂貴的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。光纖陀螺民用技術(shù)現(xiàn)狀作為角速率傳感器的光纖陀螺，用做KVH工業(yè)集團(tuán)（KVHIndustries，Inc.）KVH工業(yè)集團(tuán)的光纖陀螺研制是于1997年在原有的導(dǎo)航與慣性測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上收購(gòu)Andrew公司的光纖陀螺技術(shù)而開始的,主要集中在中、低等精度級(jí)研究。該集團(tuán)在數(shù)字信號(hào)處理、降低隨機(jī)游走角、光纖陀螺的小型化方面取得了很大的成就,并獲得相關(guān)技術(shù)的專利,逐漸成為光纖陀螺生產(chǎn)的重要機(jī)構(gòu),其所開發(fā)的DSP系列和TG系列光纖陀螺在商業(yè)上和軍事上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Honeywell公司NorthropGrumman公司國(guó)外研究機(jī)構(gòu)KVH工業(yè)集團(tuán)（KVHIndustries，Inc.）Ho國(guó)外研究機(jī)構(gòu)日本是光纖陀螺研究生產(chǎn)的大國(guó)。在干涉式光纖陀螺的實(shí)用化,特別是中、低精度級(jí)別的實(shí)用化方面走在世界的前列,如應(yīng)用在車載導(dǎo)航、環(huán)保、工業(yè)控制、機(jī)器人控制、農(nóng)業(yè)等。日立（Hitachi）公司強(qiáng)調(diào)把低精度開環(huán)IFOG投入應(yīng)用，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，著重降低成本。日本航天航空電子公司(JAE)、Mitsubishi精密儀器、日立電纜(HitachiCable)等都已經(jīng)批量生產(chǎn)多級(jí)別的光纖陀螺。如HitachiCable在1991年成功研發(fā)世界上第1套用于警車的FOG導(dǎo)航系統(tǒng)。另外,JAE公司還積極開發(fā)航天航空用的高性能光纖陀螺,主要集中在三軸干涉式光纖陀螺的集成技術(shù)和EDAASE光源的研制。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)日本是光纖陀螺研究生產(chǎn)的大國(guó)。在干涉式光纖陀螺光纖陀螺概述光纖陀螺概述光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)；光纖陀螺的分類；光纖陀螺的工作原理；光纖陀螺的誤差分析；光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展。內(nèi)容安排光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)；內(nèi)容安排中文名：光纖陀螺英文名:FiberOpticGyro定義：應(yīng)用激光及光導(dǎo)纖維技術(shù)測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)動(dòng)角度的無自轉(zhuǎn)質(zhì)量的新型光學(xué)陀螺儀。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)中文名：光纖陀螺第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)簡(jiǎn)介：光纖陀螺是一種用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器。陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器。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。因其無活動(dòng)部件——高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)簡(jiǎn)介：第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)光纖陀螺概述課件與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：(1)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；(2)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)；(3)無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；(4)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；第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：第1節(jié)光纖陀螺的定義與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：(5)通過改變光纖的長(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，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無需預(yù)熱；(7)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；(8)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕。第1節(jié)光纖陀螺的定義、簡(jiǎn)介、特點(diǎn)與機(jī)電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點(diǎn)：第1節(jié)光纖陀螺的定義按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應(yīng)用最廣泛；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成：集成光學(xué)型和全光纖型光纖陀螺按回路類型：開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺第2節(jié)纖陀螺的分類按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應(yīng)用最廣泛光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac效應(yīng),如圖1所示,在同一光學(xué)回路中,沿順時(shí)針方向(CW)逆時(shí)針方向(CCW)傳播的兩束光,當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將使兩束光產(chǎn)生相位差,該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理圖1:Sagnac效應(yīng)原理圖光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac效應(yīng),如圖1所示光纖陀螺的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束,分別沿順時(shí)針方向及逆時(shí)針方向進(jìn)入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中,當(dāng)環(huán)形回路以角速度作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),由Fizeau效應(yīng)有:。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理圖2光纖陀螺工作原理圖光纖陀螺的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為由式(1)-(2)計(jì)算可得:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理進(jìn)而可以求得兩束光之間的相位差:由式(1)-(2)計(jì)算可得:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理進(jìn)實(shí)際上為了提高測(cè)量精度、減小陀螺體積,一般將總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖繞制成N匝直徑為D的線圈,則(4)式可修正為:第3節(jié)光纖陀螺的工作原理式中:為環(huán)形光纖回路所圍的面積,K為光波波長(zhǎng)。通過解調(diào)相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度。實(shí)際上為了提高測(cè)量精度、減小陀螺體積,一般將總長(zhǎng)度為L(zhǎng)的第干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結(jié)構(gòu)上就是如圖2所示的Sagnac干涉儀,它將角速度

的測(cè)量轉(zhuǎn)化為相位差，再通過相位解調(diào)技術(shù)，把光相位的直接測(cè)量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度測(cè)量，這樣就能比較方便地測(cè)量出Sagnac相位變化。通過檢測(cè)干涉光強(qiáng)得到光的相位變化信息。光強(qiáng)與相移的關(guān)系是一個(gè)隆起的余弦函數(shù):第3節(jié)光纖陀螺的工作原理干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結(jié)構(gòu)上就是如圖2所示的Sag第3節(jié)光纖陀螺的工作原理第3節(jié)光纖陀螺的工作原理第3節(jié)光纖陀螺的工作原理由(6)式和圖3可見,在輸入角速度很小的情況下,光探測(cè)器輸出信號(hào)的敏感度為零,而且不能辨別角速度

的方向。為了獲得輸出信號(hào)最大敏感度,并能分辨

的極性,應(yīng)進(jìn)行

相位偏置調(diào)制,使陀螺工作在靈敏度和線性度均最高的區(qū)域。圖3干涉式光纖陀螺的響應(yīng)偏置調(diào)制：提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度第3節(jié)光纖陀螺的工作原理由(6)式和圖3可見,在輸入角速度第3節(jié)光纖陀螺的工作原理開環(huán)式I-FOG直接檢測(cè)干涉后的Sagnac相移,并通過在光纖線圈的一端放置壓電陶瓷環(huán)PZT,作為產(chǎn)生

相位偏置

的調(diào)制器。結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4開環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)框圖調(diào)制之后干涉光強(qiáng)度為:光源SLD發(fā)出的光經(jīng)光源耦合器分光后，有一半的光進(jìn)入偏振器，并產(chǎn)生單模單偏振態(tài)的光。起偏后的光進(jìn)入光纖環(huán)耦合器，被分成順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向的兩束光滿足相干條件，并在光纖環(huán)中傳播。第3節(jié)光纖陀螺的工作原理開環(huán)式I-FOG直接檢測(cè)干涉后的閉環(huán)式：利用反饋回路由相位調(diào)制器引入與Sagnac相移等值反向的非互易相移。較精密且復(fù)雜，主要用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)。開環(huán)式：直接檢測(cè)干涉后的Sagnac相移主要用作角速度傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是線性度差，動(dòng)態(tài)范圍小。閉環(huán)式：利用反饋回路由相位調(diào)制器引入與Sagnac相移等值反起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入起偏器后，從出端輸出的只有沿特定方向偏振的單一線偏振光。換言之，起偏器實(shí)際上可以看作是一個(gè)偏振模式的選擇器，即在注入而被激勵(lì)的兩個(gè)互為正交的光偏振模式中選擇其中之一導(dǎo)通，而令另一個(gè)截止。起偏器（Polarizer）的工作原理起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入起偏PZT相位調(diào)制PZT相位調(diào)制4種主要的干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)(1)開環(huán)全保偏光纖陀螺:精度低、成本低,早期采用模擬電路,現(xiàn)已基本采用數(shù)字信號(hào)處理,漂移率也提高到1°/h左右。(2)開環(huán)單模消偏光纖陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用處理電路基本和上一種相似,性能稍好于前一種。(3)閉環(huán)全保偏光纖陀螺:精度高(可達(dá)到10-4°/h)、高成本,采用數(shù)字電路,主要應(yīng)用于空間技術(shù)、軍事應(yīng)用和科學(xué)研究。(4)閉環(huán)單模光纖陀螺:成本相對(duì)前一種光纖陀螺低,精度高(可達(dá)到0.0035°/h),采用特殊消偏技術(shù),數(shù)字電路,制作難度大。4種主要的干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)(1)開環(huán)全保偏光纖陀螺:精度低單光纖光纖陀螺制作技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括光纖環(huán)和PZT的纏繞技術(shù)、偏振器和耦合器的拉制作技術(shù)、發(fā)光模塊和光電接收模塊的制作技術(shù)等。制作過程首先在光纖陀螺和相位調(diào)制器殼體上纏繞光纖，然后制作光纖環(huán)耦合器、光源耦合器和偏振器，接著制作發(fā)光模塊，并使SLD尾纖與光纖軸對(duì)準(zhǔn)，最后使光纖的另一端與光電探測(cè)器連接，并形成光電接收模塊。單光纖光纖陀螺制作技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)光纖環(huán)纏繞技術(shù)（l）采用對(duì)稱纏繞法。對(duì)稱纏繞法可以減小外界環(huán)境變化對(duì)光纖陀螺性能的影響。（2）涂緩沖膠層。由于光纖環(huán)殼體和光纖的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖環(huán)殼體和光纖環(huán)沿徑向產(chǎn)生不同的形變，使光纖環(huán)受到應(yīng)力的作用，從而引入光纖陀螺輸出誤差。為了消除此誤差，在纏繞光纖前，在光纖環(huán)的凹槽內(nèi)涂一層膠。（3）應(yīng)力控制。在纏繞光纖時(shí)，通過對(duì)緩沖線圈軸上的力矩進(jìn)行控制，使纏繞到光纖環(huán)上的光纖受到相同的應(yīng)力。這樣做有三個(gè)好處：纏繞光纖時(shí)不會(huì)時(shí)緊時(shí)松，可保證光纖環(huán)的纏繞質(zhì)量；光纖環(huán)中光纖間的應(yīng)力分布均勻，不會(huì)引入額外誤差；通過控制PZT上的繞線張力，能達(dá)到較好的相位調(diào)制效果。光纖環(huán)纏繞技術(shù)（l）采用對(duì)稱纏繞法。對(duì)稱纏繞法可以減小外界耦合器制作技術(shù)靠近光源一側(cè)的耦合器稱為光源耦合器，其分束比的穩(wěn)定性將影響到光纖陀螺的標(biāo)度系數(shù)。靠近光纖環(huán)一側(cè)的耦合器稱為光纖環(huán)耦合器，它的作用是產(chǎn)生兩束功率相同、符合相干條件的光波。其分束比的大小和穩(wěn)定性都有嚴(yán)格要求。（l）熔融拉錐技術(shù)（2）附加拉力控制耦合器制作技術(shù)靠近光源一側(cè)的耦合器稱為光源耦合器，其分束比的偏振器制作技術(shù)制作過程先把光纖拉細(xì)，然后把拉偏振器的這段光纖固定到石英基底上，最后用雙折射晶體包住光纖拉細(xì)的部分。（l）光纖拉制長(zhǎng)度控制。（2）選擇雙折射晶體。（3）溫度控制。偏振器制作技術(shù)制作過程先把光纖拉細(xì)，然后把拉偏振器的這段光纖第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析圖5光纖陀螺噪聲來源機(jī)理第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析圖5光纖陀螺噪聲來源機(jī)理低精度的光纖陀螺的噪聲主要表現(xiàn)為白噪聲，而在中、高精度光纖陀螺的輸出噪聲中，除了高斯白噪聲外，還包含了具有自相似性的分型噪聲。分形噪聲是一種具有長(zhǎng)程相似性、自相似性及類型普度特點(diǎn)的非平穩(wěn)噪聲。第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析低精度的光纖陀螺的噪聲主要表現(xiàn)為白噪聲，而在中、高第4節(jié)光纖從誤差特性的角度來分析，光纖陀螺的噪聲主要包括量化噪聲、隨機(jī)游走、偏置不穩(wěn)定性和速率隨機(jī)游走。其中，隨機(jī)游走系數(shù)的主要來源是光源的的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、探測(cè)器的電噪聲和散粒噪聲以及相關(guān)時(shí)間比采樣時(shí)間短的其他高頻噪聲項(xiàng)和光線陀螺中的二階背向散射，這些噪聲均可用白噪聲描述。零偏不穩(wěn)定性源于法拉第磁場(chǎng)效應(yīng)、溫度波動(dòng)引起的飄移或其他低頻環(huán)境噪聲以光纖陀螺中的偏振演變和探測(cè)器的閃爍噪聲。第4節(jié)光纖陀螺的誤差分析從誤差特性的角度來分析，光纖陀螺的噪聲主要包括量化噪聲、隨機(jī)由于光纖陀螺的種種優(yōu)點(diǎn)的存在,使其取得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展圖6陀螺的零偏穩(wěn)定性由于光纖陀螺的種種優(yōu)點(diǎn)的存在,使其取得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。第陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域主要是由陀螺零偏穩(wěn)定性決定的,由此可見光纖陀螺的應(yīng)用幾乎覆蓋了目前所需要的全部領(lǐng)域,見表1。第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域主要是由陀螺零偏穩(wěn)定性決定的,由此可見光纖陀第5節(jié)光纖陀螺的應(yīng)用與發(fā)展

光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域在立足陸用的同時(shí),向航空、航海和航天領(lǐng)域發(fā)展,如布撒器、制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦載火炮以及潛艇、衛(wèi)星等。將來光纖陀螺必將在更為廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。光纖陀螺代表著未來慣性器件的發(fā)展方向,世界各國(guó)都在不斷加大對(duì)光纖陀螺的研究,我國(guó)也已將其列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。隨著光纖制造技術(shù)和集成光路技術(shù)的不斷