干涉式光纤陀螺仪

1、干涉式光纤陀螺仪 引 言自从1963年制造出第一个基于Sagnac效应的环形激光陀螺仪（RLG）以来，大量光学陀螺仪得到发展，同时其性能也得到验证，其中包括光纤陀螺仪（FOG）1。从20世纪60年代末，位于华盛顿的美国海军实验室就开始研究光纤陀螺技术，目的是研制出比氦氖环形激光陀螺仪成本更低、制造流程更简单、精度更高的光纤角速率传感器。经过近几十年各国学者开展的大量研究工作，光纤陀螺仪在航海、军事、空间和民用方面都有较大的应用价值。本报告简单介绍了干涉式光纤陀螺仪原理，类型以及应用等方面。一、 Sagnac效应所有的光学陀螺仪的工作原理均基于Sagnac效应，即利用绕垂直于环面的轴旋转的环形干

2、涉仪中两束相反传播的光信号间相移，或利用在光腔绕垂直于自身的轴旋转时，两个分别沿顺时针（CW）和逆时针（CCW）方向传播的谐振模式间的频移来实现陀螺仪的测量作用。1为简便分析，首先考虑环形干涉仪内为真空的情况。在光路中一点放置分光器，当光从该点进入干涉仪后，被分为沿顺时针和逆时针两个方向传播的信号。当干涉仪相对于惯性坐标系静止时，沿相反方向传播的两束光光程相等，且传播速度均等于c（c为真空中光速）。经过时间r，两束光同时回到分光器位置，可求得传播时间r为：r = 2Rc式中：R为环形干涉仪半径 若环形干涉仪以角速度顺时针旋转，则分光器在时间r内的位移l=Rr。当光在干涉仪中完成一次往返运动时，

3、由于干涉仪转动了一个小角度，环形干涉仪在顺时针方向光束（与方向相同）的光程将略微大于2R，而逆时针方向光束的光程就将稍小于2R，顺时针光程LCW与逆时针光程LCCW间的光程差为L=LCW-LCCW=2l=2Rr=4R2c由于两束光的传播速度相同，均等于真空中的光速c，所以沿逆时针方向的光波先到达分光器处，两束光到达分光器处的时间差等于t=Lc=4R2c2由干涉仪转动引起的两束光相移可表示为=t2c=82R2c式中：为光的波长当在有效折射率neff>1的真实光纤中时，不能直接将cm=cneff 代入上式。因为光在静止介质中传播是，对于静止的观测者来说，光相对介质的传播速度cm=cneff；

4、如果介质以速度vt运动，对于随介质一起运动的观察着来说，光仍以速度cm=cneff传播，但对于静止的观测者来说，光在介质中的传播速度却会由于介质的运动而变化。在这种情形下，会产生斐索牵引或多普勒效应，补偿了折射率的效应，因此上式仍成立，即在折射率为n的均匀介质中引起的相移与真空条件下的相移相等。2干涉仪的旋转也可以引起光腔中两个相反传播的共振模的频率差。在一个光腔为真空且静止的光学谐振器中，光模的谐振频率满足下面的关系式式中：q为整数（谐振阶次）；p为谐振器周长。对于环形腔中所激发出的两个相反传播的q阶谐振模式，干涉仪的转动使其谐振频率被分为 式中：p+和p-代表两个谐振频率模光路的周长，两者

5、的差p+ - p-用p表示。两个q阶谐振模的频率差为联立得谐振器中的光束，无论在折射率为n的均匀介质中传播，还是在有效折射率为neff的光波导中传播，上式给出的分频表达式不变。对于圆环形谐振器，由于，所以可改写为式中：R为谐振器半径。对于任意形状的光腔，频率差为为式中：a表示光路围成的面积。二、 光纤陀螺仪的基本种类目前，按照工作原理划分光纤陀螺主要有三种类型：即干涉型光纤陀螺仪(IFOG)、谐振型光纤陀螺仪(RFOG)1和布里渊型光纤陀螺仪(BFOG)2, 3。其中，对谐振型光纤陀螺仪和布里渊型光纤陀螺仪的研究尚不成熟，还分别处于实验室验证和基础理论研究阶段，而干涉型光纤陀螺则是研究最成熟、

6、应用最广泛的光纤陀螺仪。中、低精度的干涉型光纤陀螺仪已实现商品化批量生产并在许多领域得到了应用。4三、 干涉式光纤陀螺仪基本原理与结构图一给出了干涉式光纤陀螺仪的基本结构图。入射光被分束器分成两束，由于分束器2在两束光束间引入了/2的相移，静止时顺、逆时针信号将产生的相移，故要引入分束器1形成互易结构以保证陀螺仪输入角速率为零时两束输出光同相。由Sagnac效应，由旋转引起的相位差可表示为=t2c=82R2ck=4LRc式中：为两束反向传播的光波长（传感器工作波长）；R为光纤线圈半径；c为真空中的光速；k为光纤线圈匝数；L为光纤总长度。陀螺仪的标尺因数1取决于光波长，线圈半径和线圈匝数k。在给

7、定尺寸增加匝数可提高陀螺仪灵敏度。1 图一 干涉式光纤陀螺仪基本结构图4干涉式光纤陀螺仪又分为开环结构与闭环结构。开环光纤陀螺是通过相位调制补偿旋转引起的Sagnac相移，并通过模拟或者数字的信号处理电路，获得旋转引起的相移；闭环光纤陀螺是在陀螺中添加了一个反馈回路，使产生一个和旋转引起相移相反的反馈相移，通过模数转换器将探测器检测到的信号转换为数字信号形成陀螺输出。图二 IFOG结构图4在开环结构中，光电探测器检测的光信号是两束反向传播的光之间干涉的结果，通过对顺逆时针信号的调制，可以使光电探测器对角速率的灵敏度达到最大值，从而保持陀螺仪一直工作在对角速率最灵敏的工作点上。在闭环结构中，负反

8、馈回路中包含了模数转换器（ADC），一个专用数字信号处理集成电路，数模转换器（DAC）和集成光学器件（包括分光器、相位调制器、偏振片等），探测器。通过处理与调制，使传感器工作在最灵敏区，也有效地减小了响应的非线性特性。四、 主要影响干涉式光纤陀螺仪性能的因素 干涉式光纤陀螺仪的性能受限于光纤线圈的非互易性效应。二氧化硅的折射率取决于光束的光功率，由于顺逆时针光信号功率不同，二氧化硅折射率的类克尔非线性特性2将可能引入两个光束间的相移。采用宽带光源可以大大减小这种负面效应的影响。二氧化硅的折射率与温度有关，1K的温度变化将引起约10-5的折射率变化，光纤线圈的温度梯度将由Shupe效应2引起传感

9、器的误差，光纤总长越长，该效应越明显，可采用特殊的绕线方法来解决，例如二极对称绕线法，四极对称绕线法等。顺逆两束光的偏振不稳定性也会使光纤陀螺仪的性能大打折扣，可采用保偏光纤来解决该问题。此外，振动也会严重影响干涉式光纤陀螺仪的精度。五、 干涉式光纤陀螺仪的性能图三 光纤陀螺仪与其他陀螺仪性能比较5干涉式光纤陀螺仪可以达到很高的精度。对于航空航天领域应用的光纤陀螺，其陀螺仪性能参数可以达到常值漂移小于3×10-4°h，随机游走系数小于8×10-5°h。但干涉式光纤陀螺仪仍存在对温度变化以及振动的高度敏感问题，尚未像氦-氖 RLG那样完全解决，所以干涉式光

10、纤陀螺仪在高精度应用领域无明显优势。六、 光纤陀螺仪发展现状以及前景 光纤陀螺仪能广泛应用于航天航空,机器人系统,机车导航,天线与望远镜平台稳定,深海导航,矿物勘采甚至是地震探测技术领域。又由于其在航空航天，机载系统和军事技术上有良好的应用前景，光纤陀螺仪的研究备受用户特别是军方的重视，国外的中低精度光纤陀螺（主要是干涉式光纤陀螺）已经商品化，高精度的光纤陀螺正在走向成熟。国内光纤陀螺的研究与国外有一定的差距，中低精度的正在走向产业化过程中。6近年来我国发射的部分试验卫星上就已经应用了光纤陀螺仪。今后光纤陀螺仪的研究方向将是小型化、标准化和多路复用。2, 6, 71.Mario N.Armenise, C.C., Francesco Dell'Olio,Vittorio M. N. Passaro, Advances in Gyroscope Technologies. 2013. 119.2.张桂才, 光纤陀螺原理与技术. 2008, 国防工业出版社. 384.3.董永康, et al., 布里渊光纤环形激光器及其应用. 激光技术, 2004(05): p. 498-502.4.王丽琴, 光纤陀螺仪及其应用. 自动化与仪器仪表, 2013(05): p. 132-133+135