光纤陀螺仪的原理及应用

1、 fibre optic gyroscope光电学院光电学院100108100108班班 第三组第三组组长：秦二雷组长：秦二雷 100108110 100108110组员：邢腾飞组员：邢腾飞 100108113 100108113 张福年张福年 100108114 100108114 张一铭张一铭 100108115 100108115 张张 羽羽 100108116 100108116 邹晓东邹晓东 100108117 100108117 指导老师：杨指导老师：杨 利利 红红 教授教授 2 0 2 1 年 1 1 月 1 日 星 期 一光纤陀螺仪光纤陀螺仪Contents什么是光纤陀螺仪什么

2、是光纤陀螺仪1基本原理基本原理-sagnac-sagnac效应效应2光纤陀螺仪的分类光纤陀螺仪的分类3 3光纤陀螺仪光纤陀螺仪应用研究应用研究4 4fibre optic gyroscopev光纤陀螺仪（光纤陀螺仪（fibre optic gyroscopefibre optic gyroscope）是一种利用）是一种利用萨格奈克萨格奈克( S a g n a c ) ( S a g n a c ) 效应测量旋转角速率效应测量旋转角速率的的新型全固态惯性仪表。新型全固态惯性仪表。111 孙 丽 ， 王 德钊光纤陀螺的最新 进展 J 航 天 控 制 ， 2 0 0 3， ( 3 )：7 5 8

3、0 机械陀螺 光纤陀螺 光纤陀螺仪fibre optic gyroscopev 光纤陀螺仪与传统机械陀螺仪相比，具有以下优点：光纤陀螺仪与传统机械陀螺仪相比，具有以下优点： 没有旋转部件和摩擦部件没有旋转部件和摩擦部件 寿命长寿命长 动态范围大动态范围大 瞬时启动瞬时启动 结构简单结构简单 尺寸小尺寸小 重量轻重量轻 光纤陀螺彩色球fibre optic gyroscope 摘自中国惯性技术学报2005年10月刊 光纤陀螺仪原理-Sagnac效应v各种类型的光纤陀螺各种类型的光纤陀螺, ,基本原理都是利用基本原理都是利用 Sagnac Sagnac 效应效应 , ,只是各只是各自所采用的位相或

4、频率解调方式不同自所采用的位相或频率解调方式不同, ,或者对光纤陀螺的噪声补或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同。偿方法不同。检测器检测器透镜透镜透镜透镜光纤线圈光纤线圈光源光源分束镜分束镜 光纤陀螺结构图光纤陀螺结构图vSagnacSagnac效应效应22如如(a)所示，所示，在在无旋转条件下，两束光传输时间相等，为无旋转条件下，两束光传输时间相等，为cRcLttCWCCW2如如(b)所示，所示，旋转条件下旋转条件下为为RcRtCCW2RcRtCW2图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的SagnacSagnac效应效应(a)(a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转 光

5、纤陀螺仪原理-Sagnac效应 2工程光学 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著 国防工业出版社 2012 .2vSagnacSagnac效应效应22 传输时间差传输时间差224cRtttCWCCW 传输光程差传输光程差cRctL24 传输相位差传输相位差04SRLc 图图1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的Sagnac效应效应 (a)系统静止；系统静止；(b)系统旋转系统旋转 2 工程光学 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著 国防工业出版社年 2012 . 2 光纤陀螺仪原理-Sagnac效应干涉式光纤陀螺仪(I-fog) 4The Fiber-Optic Gyroscope Herv

6、 C.Lefvre 著 张 贵 才 王巍 译 国防工业出版社v 当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以角速度旋转时，则沿当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以角速度旋转时，则沿顺顺 、 逆时针方向传播的两波列光波在环路中传播一周产生的逆时针方向传播的两波列光波在环路中传播一周产生的相位差相位差为：为：A为光传播路径包围的面积一般的向量表达为光传播路径包围的面积一般的向量表达4光纤陀螺仪的分类干涉式光纤陀螺干涉式光纤陀螺 ( I FOG)谐振腔光纤陀螺谐振腔光纤陀螺 ( R FOG)布里渊型光纤陀螺布里渊型光纤陀螺( B FOG)fibre optic gyroscope干涉式光纤陀螺仪

7、(I-fog) 干涉型光纤陀螺干涉型光纤陀螺 ( I F O G) ( I F O G) 是研究开发最早是研究开发最早 、 技术最为成熟的光纤陀技术最为成熟的光纤陀螺螺 ，属第，属第 1 1代光纤陀螺代光纤陀螺 。33 按照检测相位的方法可分为按照检测相位的方法可分为 开环型开环型（左图）和（左图）和闭环型闭环型（右图）（右图） 3 王惠文光纤传感技术与应用 M 北京 ： 国防工业出版社 2001 4 左图右图干涉式光纤陀螺仪(I-fog)v 开环光纤陀螺是依据开环光纤陀螺是依据SagnacSagnac原理，通过干涉光强的原理，通过干涉光强的变化直接检测干涉后的变化直接检测干涉后的Sagnac

8、Sagnac相移。相移。 优点：优点： 缺点缺点： 明显非线性明显非线性 非线性严重非线性严重 精度差精度差 精度低精度低 输入范围小输入范围小 动态范围窄动态范围窄 电路简单电路简单 Company Logo干涉式光纤陀螺仪(I-fog)u干涉式陀螺首次应于道尼尔328客机上，目前应用于波音777飞机的姿态和空气数据系统(SAARU)Company Logo 道尼尔328客机 干涉光线仪装置安放处谐振腔光纤陀螺 ( R FOG)谐振腔光纤陀螺（谐振腔光纤陀螺（R-FOG）是第）是第 2代光纤陀螺。代光纤陀螺。谐振腔光纤陀螺结构图谐振腔光纤陀螺结构图谐振腔光纤陀螺 ( R FOG)与与 IFO

9、GIFOG相比，相比，R FOGR FOG具有以下特点：具有以下特点：l 光纤长度短光纤长度短 ，降低了成本；，降低了成本； l 采用高相干光源，波长稳定性高；采用高相干光源，波长稳定性高；l 检测精度高，动态范围大等。检测精度高，动态范围大等。注意：R-FOG研究起步较晚，且对光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG还处于实验室研究阶段，但是和I-FOG相比有上述优势，因此各国都投入大量人力对其进行研究，相信在不久的将来，R-FOG一定可以在惯性导航与制导等诸多领域得到广泛应用。布里渊型光纤陀螺( B FOG) 布里渊型光纤陀螺是第布里渊型光纤陀螺是第 3 3 代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺代

10、光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺( F RLG)( F RLG)，或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺( B FRLG) ( B FRLG) 。光纤陀螺仪的应用fibre optic gyroscope陆地交通导航陆地交通导航战术导弹制导战术导弹制导航天器姿态调整航天器姿态调整精密航天器应用精密航天器应用卫星定位卫星定位还有很多很多光纤陀螺仪的应用5蔡 青.保偏光纤温度特性研究A 中国光学学会.展望 21 世纪初光电技术发展趋势研讨会论文集C 海口:中国光学学会光电技术委员会 , 20001169 - 172.5光纤陀螺仪的应用光纤陀螺仪的应用光纤陀螺仪的应用状况1.

11、1.战略导弹系统和潜艇导航应用；战略导弹系统和潜艇导航应用；2.2.卫星定向和跟踪；卫星定向和跟踪；3.3.战术武器制导与控制系统；战术武器制导与控制系统；4.4.各种运载火箭应用；各种运载火箭应用；5.5.姿态航向基准系统；姿态航向基准系统； 6.6.舰船舰船、导弹和军民用飞机导弹和军民用飞机的的惯性导航；惯性导航；7.7.陆地导航系统陆地导航系统(+GPS)(+GPS)；8.8.天体观测望远镜的稳定和调向；天体观测望远镜的稳定和调向；9.9.汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业

12、和民用领域。的控制置等工业和民用领域。v光纤陀螺研制状况我国我国国内国内目前目前光纤陀螺光纤陀螺研制状况研制状况： 据不完全统计，国内从事光纤陀螺研究的研究所、院校、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：民营单位共有几十家，其中比较著名的有：z航天时代电子公司航天时代电子公司z航天三院三十三所航天三院三十三所z北京航空航天大学北京航空航天大学z哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 z浙江大学浙江大学、清华大学、清华大学z兵器兵器205205所所z船舶船舶707707所所z航天工业总公司所属航天工业总公司所属1313所和上海所和上海803803所所、航空航空618618所所 光纤陀螺仪的应用 天将降大任于是人也，必先苦其心志，劳其筋天