光纤陀螺

光纤陀螺基本原理哈尔滨工程大学张勇刚1光纤陀螺的发展2光学基础知识3Sagnac效应4光纤陀螺（FOG）原理5光纤陀螺指标1光纤陀螺的发展与动态四个里程碑：一、1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转角速率对光的干涉现象的影响，这就启发人们，利用光的干涉现象来测量旋转角速率。二、1960年，美国科学家梅曼发明了激光器，产生了单色相干光，解决了光源的问题。三、1966年，英籍华人科学家高锟提出了只要解决玻璃纯度和成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说。四、1976年，美国犹他大学两位教授利用Sagnac效应研制出世界上第一个光纤陀螺原理样机。二十多年来，世界各发达国家的许多科研机构和著名大学都投入了很多的经费来研究光纤陀螺。随着光纤陀螺主要光器件（保偏光纤，Y型电—光调制波导，光源等）技术及半导体工业的飞速发展，光纤陀螺的发展已经有了突破性进展,，高精度光纤陀螺已达到低于0.0001o/h的精度，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。1光纤陀螺的发展与动态目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很大的差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。1光纤陀螺的发展与动态1913年，萨格奈克（Sagnac）论证了运用无运动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋转。他采用了一个环形干涉仪，并证实在两个反向传播光路中，旋转产生一个相位差。2Sagnac效应理想条件下，环形光路系统中的Sagnac效应如图1所示。一束光经分束器M进入同一光学回路中，分成完全相同的两束光CCW和CCCW，分别沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)相向传播，当回路绕垂直于自身的轴转动时，将使两束光产生相位差，该相位差的大小与光回路的旋转速率成比例。(a)MMl(b)CCWCCCWM’图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转2Sagnac效应(a)MMl(b)CCWCCCWM’图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转cRcLttCWCCW2RcRtCCW2如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为如(b)所示，旋转条件下，RcRtCW22Sagnac效应(a)MMl(b)CCWCCCWM’图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转04SRLc224cRtttCWCCWcRctL24传输时间差传输光程差传输相位差2Sagnac效应(a)MMl(b)CCWCCCWM’图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转04SRLc传输相位差2Sagnac效应如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定)cos1(0sII通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。问题：旋转角速率产生的光程差太小，很难被检测。3光纤陀螺基本原理及特点•光纤陀螺实现原理光纤陀螺本质上就是一个环形干涉仪，通过采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。其实现如图2所示。LightSourceScreenInputLightOutputLightFiberCoilSplitter图2光纤陀螺实现原理图cRLNS043光纤陀螺基本原理及特点•光纤陀螺结构及工作原理ASEPIN光纤环逻辑电路A/DD/A干涉光强信号调制电压信号转速信号宽带光源光电检测器耦合器Y波导主要信号处理技术：图3数字闭环I-FOG结构示意图A偏置调制：提高信号检测灵敏度ssssIIIIII00002sin2]sin1[)]2cos(1[相邻时间内光强差3光纤陀螺基本原理及特点•光纤陀螺结构及工作原理ASEPIN光纤环逻辑电路A/DD/A干涉光强信号调制电压信号转速信号宽带光源光电检测器耦合器Y波导主要信号处理技术：图3数字闭环I-FOG结构示意图00)]2cos(1[IIIfsB闭环控制：降低光电检测器工作范围，提高检测精度3光纤陀螺基本原理及特点•光纤陀螺实物图3光纤陀螺基本原理及特点•光纤陀螺实物图3光纤陀螺基本原理及特点•光纤陀螺优点与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活，生产工艺简单，应用范围广。与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁”用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的新型全固态惯性器件。4光纤陀螺研制及应用状况•光纤陀螺应用级别划分级别零偏稳定性(度/小时)标度因数稳定性速率级10~10000.1~1%战术级0.1~1010~1000ppm惯性级0.015ppm战略级0.0011ppm4光纤陀螺研制及应用状况•光纤陀螺应用级别划分速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。4光纤陀螺研制及应用状况•光纤陀螺应用领域l战略导弹系统和潜艇导航应用；l卫星定向和跟踪；l天体观测望远镜的稳定和调向；l各种运载火箭应用；l舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；l光学罗盘及高精度寻北系统；l战术武器制导与控制系统；l陆地导航系统(+GPS)；l姿态／航向基准系统；l汽车导航仪、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。4光纤陀螺研制及应用状况•国外光纤陀螺发展及应用国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界上研制光纤陀螺的单位已有40多家，包括美国霍尼韦尔(Honeywell)、利顿(Litton)、史密斯(Smith)、诺思若普(Northrops)、联信(AliedSignal)等，日本日本航空电子工业有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司，日立公司，德国利铁夫(LITEF)公司，法国法国光子（IXSEA）公司世界著名的惯导公司，精度范围覆盖了从战术级到惯性级、战略(精密)级的各种应用。法国光子（IXSEA）公司部分光纤陀螺惯测组合产品4光纤陀螺研制及应用状况4光纤陀螺研制及应用状况•国内光纤陀螺研制状况国外据不完全统计，国内从事光纤陀螺研究的研究所、院校、民营单位共有几十家，其中比较著名的有：航天时代电子公司航天三院三十三所北京航空航天大学哈尔滨工程大学浙江大学兵器205所船舶707所航空618所