光纤陀螺罗经的研制与应用研究进展.doc

光纤陀螺罗经的研制与应用研究进展摘要本文描述了SFIM研制的单轴光纤陀螺和惯性测量装置。描述了光纤陀螺罗经的应用领域和它在各种领域中被广泛应用的理由。光纤陀螺仪的应用程序实现了从机械陀螺仪向集成混合导航系统的转变更新。经过不断发展和攻关努力，现正专注小型化多轴的陀螺仪的研究。最有希望的子系统是将旋转速率传感器与光纤陀螺仪巧妙的结合在一起的惯性测量组合。1、 引言单轴光纤陀螺仪的基本设计已经被完成。而在研制领域中仍然需要在实际设计和现有的生产条件下提高限制和分析误差的性能，光纤陀螺仪不断更新发展的主要驱动力是降低成本的需要。已知的设计有很多共同的特点，但也有不同的解决方案，以应对不同的应用领域中的具体问题。单轴陀螺仪的销售机会是直截了当的替换在此之前的单轴机械陀螺仪；使用在极端特殊的二维导航任务中，作为无人飞行器的导向罗经；作为经典惯性传感器组件中的传感器由三个单独的陀螺仪和三个加速计组成；应对古典式陀螺仪在灵活性和环境条件都完成不了的极端特殊的测量工作。新设计的驱动程序的多轴陀螺仪仍属于高功耗光纤陀螺仪，相比纯机械陀螺，其仍存在相当大的尺寸，而且造价又一次成为考虑的因素。所有这些都是多轴光纤陀螺仪朝着解决信号处理的多路复用和光学组件的普遍应用的方向发展的原因。2、 单轴光纤陀螺仪2.1 设计和基本配置众所周知，在实际的FOG 中，光学部分是最小的配置。电子信号的读取和处理高度的集成在一起，以联合的模拟和数字ASIC实现。为了完成，简单的总结和重复设计的主要特点，如下所示：1、 低成本的多模激光二极管作为光源，波长820nm，多达15mw的光功率射入单模光纤尾纤。它安装在热电冷却器、唯独传感器和显示器二极管半蝴蝶包中。2、 多功能集成光学模块包括一个含有偏光片的辫状射出或输入通道、Y型分叉管和一对与钛非漫射波导安装在Z切理铌酸盐底片上的调相器。3、 保偏光纤用来做尾纤和纤维线圈，其长度为100m，一个Sagnac相移大约为1rad，输入速率为1 / h。4、 探测器模块由一个SI-PIN 光电二极管和混合前置放大器组成。5、 矩形波相位调制在其固有频率1MHZ，以数字解调方案提供所需的灵敏度提高。G位转换器和无任何射频混频滤波的调频技术已经实现于ASIC的第一次内部模拟调节技术设计。6、 新的AISC与模拟和数字功能现在已经被用于生成调制信号，解调探测器的输出，并给出改进的比例因子。开环和闭环的操作是可以选择的。偏心校准比例因子、偏心温度误差模型和比例因子由单片微控制器执行。7、 陀螺已经扩展内置测试功能，包括电源位，启动位，和定期位监测在运行中的临界参数。最小数目的使用机械化光学和电子元件，从而提高设备的可靠性。在820nm波长范围内操作目前的光纤陀螺罗经是基于这个范围的光源造价最低、而且具有最高可靠性、可大批量生产出可用波长光源的事实基础上。偏振保持光纤获选的原因很多：它提供了一个最清洁的光学概念，与一个光纤回路有两个消偏器的单模光纤环路相比它有最少的光线接头。它缓解了光源相当不连贯的调制需求量，使至少在初指令时陀螺仪对磁场不敏感。成本的考虑与使用纤维长度紧紧的结合在一起。如果单模光纤纤维被使用，最高成本必须与劳动力成本做比较，例如4或6的额外接头数量。2、2 包装和生产配置现在有两种单轴光纤陀螺罗经产品是可用的。都基于同样的概念，由相同的光学模块和相同的ASIC、混合和微控制器组成。它们有不同包装，已经发展到符合不同客户的要求。FOG-I-B是一种有单独的传感器和电子信号处理的陀螺。它的机械设计是为了应用于传感器安装在传感器区和电子板安装在航空设备箱的PCB隔断中的母板上的。这个传感器有一个圆柱的形状，并且连接到一个灵活的打印表电子版上。欧洲标准大小的电子版。 FOG-PI-A是一个完整的软件包，包括传感器、电子与电力调节。它已被设计在在形状、试用、和功能上置换机械速率陀螺的软件包。因此它可以传递模拟输出来代替规律的连续数字信号输出。FOG-PI-A的性能是其最准确的版本，类似于FOG-1-B的性能标准。它的性能版本标准是10-50 / h，比例因子在其射程500-2000ppm内。性能级别取决于校准误差的度数和误差模型应用到单位的精度。不太准确的值不能达到对陀螺仪的单独校准。此罗经是完全限定的产品。2、3 单轴光纤陀螺罗经的应用2、3、1 机械陀螺仪的制造 通常这个市场的机会是更换单轴机械陀螺仪，大多数情况下是速率陀螺仪。机械陀螺可以被取代在两个不同级别由于这些现有的陀螺仪被用在陀螺包，它可以是单、双或三个轴包，也可以作为一个与子系统或系统集合在一起的纯粹的机械传感器，想一个相机方向悬挂架。因此改造可以在包装级别上也可以在传感器级别上。 第一种方法对于今天的组件、FOGS的大小、小型化水平，简单可行。两个典型的例子是航空电子设备的应用程序，广泛的应用于任何飞行器的运动控制、阻尼和中轴线稳定性的单轴速率陀螺包。第二个例子是单轴包陀螺仪应用于坦克的火炮稳定性。这些现有的候选尺寸大约为 65x50x115mm 没有很大的安装凸缘。FOG-PI-A如上所诉已经被研发并开发这个市场。它已经被成功测试并集成坦克武器稳定系统。轻松的满足性能要求、工作安全系数、改进已被论证。FOG包与其作用相当的机械包有一个极好的偏见和特有的比例因子。大的FOG宽带有利于稳定回路的设计。自从FOG包不得不替换旧式的设计，一个模拟输出信号就可以呗添加到FOG电子包正常的数字信号处理和输出。FOG在市场上的突破点取决于进一步的降低传感器的成本和改变使用者的成本估算和价值观。FOG是竞争的候选者如果其生命周期成本是选择的标准而不是一个对机械速率陀螺和光纤陀螺罗经在传感器和备件采购等级成本比较的实例。 第二种可能性是更换传感器本身。包内机械陀螺的典型大小是一个50mm长、直径25mm的圆柱，重量小于140克。由于它的执行和特定机械陀螺规格参数表，这些陀螺只需要一些驱动信号和截止信号从主机系统输入，并且提供一个输出功率它可以直接的使用而不经过进一步的信号处理。它通常是解调电子系统内部的交流输出。为了接近这个更新机会，FOG必须被结合到它的汽缸容积，并且不得不赶上就得机械陀螺信号的输入输出精度，尽管它们有完全不同的感觉机制和信号处理。已经进行了研究，并对此卷内的光纤陀螺仪的可行性连同一卷分配的电子包进行了说明。在电子学方面有意思的减缩尺寸和整合将是很必要的。这只有当存在足够数量的相同或者至少非常相似模型的陀螺能够被视为替代品时才能实现。2、3、2 地面车辆导航FOG的一个非常有吸引力的应用是用于陆地交通工具或车辆导航系统，尤其是私人汽车。一种非常特殊的陆地导航或汽车导航形式是无人地面交通工具在有限的近距离的二维环境中的导航与定位，例如工厂车间或货柜码头。引导车辆是叉升降机、刀架、搬运车、卡车等。传感器曾经是导向陀螺、里程计、距离测量传感器、位标器和使车辆直线行驶的方法。陀螺仪指北的必要因素是设法克服其它因素的干扰。在某些情况下，距离更大并且在建筑物外，GPS是首选的解决方法，除了里程表以外，陀螺仪的安装仅仅为了协助和保证100%时间和位置覆盖。相比较之下，速率陀螺的改造相对于这些陀螺仪应用程序的性能要求有着更多的要求。通过位置的更新，偏性能调整需要量也减轻了，零速度更新等陀螺仪比例因数的准确性不得不与300-500ppm一致，90 或180 的旋转在车辆更新之前执行。另一方面这些系统是新生产的、现代的,，因此FOG的数据接口、其位能力和简单的机械误差和误差模型都是被系统设计人员公认的。这就意味着今天FOG的性价比数字式非常具有竞争力的。2.3.3 惯性传感器组件的航姿系统、 外接程序和衍生品航姿系统或外接程序的经典方法是单独更换传感器的光型传感器组。自从FOG作为单机传感器以来，仍有8-12立方英寸，另外要求类似的电子信号处理量作为在ISA中的可更换部件，今天限制这些功能的是传感器的大小和重量而不是主要的驱动因素