光纖陀螺的應(yīng)用及其發(fā)展前景2014

組員：王湛楊軍鄭浩潘明明黃宇航光纖陀螺的應(yīng)用及其發(fā)展前景一、了解陀螺羅經(jīng)發(fā)明的重要意義；二、了解陀螺的起源、發(fā)展、種類(lèi)；三、了解傳統(tǒng)機(jī)械陀螺羅經(jīng)的不足；四、了解和掌握光纖陀螺工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)；五、了解光纖陀螺在實(shí)際中的應(yīng)用；六、了解光纖陀螺羅經(jīng)在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域中的重要意義；教學(xué)目的一、安許茨型陀螺羅經(jīng)、斯伯利型陀螺羅經(jīng)、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)及光纖陀螺羅經(jīng)四種不同陀螺羅經(jīng)的發(fā)展及應(yīng)用的介紹，二、三種傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較及對(duì)光纖陀螺羅經(jīng)的發(fā)展趨勢(shì)，三、討論光纖陀螺羅經(jīng)的應(yīng)用及其不足。重點(diǎn)：目錄

陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較1傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類(lèi)及主要特點(diǎn)2光纖陀螺羅經(jīng)3結(jié)論4長(zhǎng)期以來(lái)，磁羅經(jīng)作為測(cè)定船舶方位用的的指向儀器，在各類(lèi)船舶上得到廣泛應(yīng)用。然而隨著航海事業(yè)和造船技術(shù)的發(fā)展，鋼船代替了木船，特別是大中型船舶和潛水艇的出現(xiàn)，使船磁對(duì)羅經(jīng)指北影響劇增，另一方面隨著人類(lèi)對(duì)極地的探索，在地球磁場(chǎng)影響巨大的兩極地區(qū)，磁羅經(jīng)完全失效，其可靠性和精確度遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，這就促使人們尋求新的指向儀器，不久陀螺羅經(jīng)問(wèn)世了。一、陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較

指向精度高;

多個(gè)復(fù)示器;主要優(yōu)點(diǎn)

有利于船舶自動(dòng)化;

不受磁干擾影響，指向誤差小;

安裝位置不受限制等。

必須有電源才能工作（可靠性較差）;主要缺點(diǎn)：

工作原理、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。二、傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類(lèi)

1、安許茨型陀螺羅經(jīng)

2、斯伯利型陀螺羅經(jīng)

3、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)1、安許茨型陀螺羅經(jīng)及主要特點(diǎn)（1）靈敏部分為雙轉(zhuǎn)子陀螺球，動(dòng)量矩指北；（2）陀螺球由支承液體支承，電磁上托線(xiàn)圈定位；（3）陀螺球重心下移產(chǎn)生重力控制力矩；（4）液體阻尼器在陀螺球水平軸產(chǎn)生阻尼力矩，屬于水平軸阻尼方式，不產(chǎn)生緯度誤差；（5）主要誤差為速度誤差，采用查表計(jì)算法消除；（6）不能進(jìn)行快速啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定指北的時(shí)間約為4h。2、斯伯利型陀螺羅經(jīng)及主要特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、靈敏部分為單轉(zhuǎn)子陀螺球，采用液浮和軸承輔助支撐。2、利用液體連通器產(chǎn)生水平控制力矩；陀螺房西側(cè)阻尼重物產(chǎn)生垂直軸阻尼力矩。3、采用靜止逆變器提供陀螺三相電，內(nèi)補(bǔ)嘗法消除速、緯誤差。4、羅經(jīng)小型化，可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動(dòng)（1）早期的斯伯利型陀螺羅經(jīng)均為水銀器單轉(zhuǎn)子擺式羅經(jīng)（2）近期的斯伯利系列羅經(jīng)多屬液體連接器單轉(zhuǎn)子擺式羅經(jīng)3、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)及主要特點(diǎn)機(jī)械陀螺羅經(jīng)的特點(diǎn)1、均需要液體或軸承進(jìn)行支撐2、均需要控制力矩，阻尼重物等，保持指北穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為笨重。3、安許茨型主要誤差為速度誤差，采用查表計(jì)算法消除。斯伯利型采用靜止逆變器提供陀螺三相電內(nèi)補(bǔ)償法消除速、緯誤差。阿瑪一勃朗型外補(bǔ)償法、內(nèi)補(bǔ)償法、查表計(jì)算法消除緯度誤差，速度誤差。4、正常啟動(dòng)儀器會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。陀螺的種類(lèi)機(jī)械式陀螺光學(xué)陀螺液浮陀螺儀氣浮陀螺儀磁懸浮陀螺儀靜電陀螺儀動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀微機(jī)械陀螺激光陀螺儀光纖陀螺儀60年代后，陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出兩種分支：

追求更高的精度低成本小型化(forSINS)對(duì)更高精度的追求框架支撐系統(tǒng)的改進(jìn)–液浮,氣浮,磁懸浮精度優(yōu)于10e-7deg/h三、光纖陀螺羅經(jīng)1、光纖陀螺的簡(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(wú)活動(dòng)部件——高速轉(zhuǎn)子，稱(chēng)為固態(tài)陀螺儀。光纖陀螺(FOG):更好地適應(yīng)SINS的需求原理和特點(diǎn):Sagnac效應(yīng),外部激光源,介質(zhì)為光纖.優(yōu)點(diǎn):成本低、體積小、重量輕發(fā)展：1967---由Pircher和Hepner首次提出1970s--光纖技術(shù)的發(fā)展1976---Utah大學(xué)的Vali教授第一次演示.1978---McDonnellDouglas制造出首批產(chǎn)品自1980s后,美國(guó)的Litton,Honeywell,Draper和英國(guó),法國(guó),德國(guó),日本和前蘇聯(lián)也迅速跟進(jìn).國(guó)內(nèi)情況1980s早期,原理性研究(大學(xué)中)1980s后期,產(chǎn)品研制2000s,行業(yè)應(yīng)用Precision:國(guó)外:0.0010/h

國(guó)內(nèi):0.010/h2、光纖陀螺的工作原理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?lè)较?CW)逆時(shí)針?lè)较?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。圖1:Sagnac效應(yīng)原理圖3、光纖陀螺的分類(lèi)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)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結(jié)構(gòu)：?jiǎn)屋S和多軸光纖陀螺回路類(lèi)型：開(kāi)環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺干涉型光纖陀螺是研究開(kāi)發(fā)最早、技術(shù)最為成熟的光纖陀螺，屬第一代光纖陀螺，它是利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位調(diào)制光轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹{(diào)制光，把光相位的直接測(cè)量轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)度測(cè)量，這樣就能比較簡(jiǎn)單地測(cè)出薩格納克相位變化。干涉型光纖陀螺的光纖元器件一般都用單模光纖或保偏光纖制作。目前，低、中性能的干涉型光纖陀螺已經(jīng)實(shí)用化，而高性能干涉型光纖陀螺正處于研制之中。1.干涉型光纖陀螺(IFOG)2.諧振型光纖陀螺(RFOG)諧振型光纖陀螺是第二代光纖陀螺，它是通過(guò)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)非互易性造成的順、逆時(shí)針兩行波的頻率差來(lái)測(cè)量角速率。采用無(wú)源諧振腔的R—FOG的基本結(jié)構(gòu)是由光纖構(gòu)成一個(gè)諧振腔，其諧振頻率隨薩格納克效應(yīng)的大小而改變，由此測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度。諧振型光纖陀螺的研究較晚，主要用來(lái)解決光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，對(duì)光源的要求十分苛刻，在技術(shù)上還不太成熟，但是很多研究人員認(rèn)為它能提供最大潛在的精度。3.布里淵型光纖陀螺(BFOG)布里淵型光纖陀螺是第三代光纖陀螺，又稱(chēng)光纖環(huán)形激光陀螺，或受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺。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)布里淵散射光的光纖陀螺儀。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)角速度成正比。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。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?lè)较蚣澳鏁r(shí)針?lè)较蜻M(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:。圖2光纖陀螺工作原理圖3、光纖陀螺的工作原理由式(1)-(2)計(jì)算可得:進(jìn)而可以求得兩束光之間的相位差:3、光纖陀螺的工作原理實(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(xiàn)圈,則(4)式可修正為:式中:為環(huán)形光纖回路所圍的面積,K為光波波長(zhǎng)。通過(guò)解調(diào)相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度。3、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Sagnac干涉儀,通過(guò)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):3、光纖陀螺的工作原理光纖羅經(jīng)的特征無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，采用固態(tài)技術(shù)，很少維修利用操作單元菜單操作精度高，啟動(dòng)時(shí)間短符合IMO要求有轉(zhuǎn)向速率輸出結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，耗能小可自?；€(xiàn)誤差，用串口輸出數(shù)據(jù)提供航向、縱搖、橫搖信息光纖陀螺采用的是光纖環(huán)，具有普通的機(jī)械陀螺所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐振動(dòng)、工作壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾、無(wú)加速度引起的漂移且重量輕、成本低、可靠性?xún)?yōu)于機(jī)械陀螺等，因光纖陀螺具有更多的優(yōu)勢(shì)。圖為各種類(lèi)型的光纖陀螺。

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(lái)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(lái)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(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。4、光纖陀螺的應(yīng)用光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域l

戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；l

衛(wèi)星定向和跟蹤；l

天體觀(guān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；l

各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；l

艦船、巡航導(dǎo)彈和軍、民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；l

光學(xué)羅盤(pán)及高精度尋北系統(tǒng)；l

戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；l

陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)；l

姿態(tài)／航向基準(zhǔn)系統(tǒng)；

l

汽車(chē)導(dǎo)航儀、天線(xiàn)／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)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分

速率級(jí)光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機(jī)器人、地下建造隧道、管道路徑勘測(cè)裝置和汽車(chē)導(dǎo)航等對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。日本、法國(guó)等國(guó)家研制、生產(chǎn)的這種精度的陀螺儀，已大批量應(yīng)用到民用領(lǐng)域。

戰(zhàn)術(shù)級(jí)光纖陀螺具有壽命長(zhǎng)、可靠性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、近程/中程導(dǎo)彈和商用飛機(jī)的姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)參考系統(tǒng)中。

慣性級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開(kāi)發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國(guó)有關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級(jí)別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分5、影響光纖陀螺誤差的因素五、結(jié)論