光纤陀螺的应用及其发展前景2014

1、一、了解陀螺罗经发明的重要意义；一、了解陀螺罗经发明的重要意义；二、了解陀螺的起源、发展、种类；二、了解陀螺的起源、发展、种类；三、了解传统机械陀螺罗经的不足；三、了解传统机械陀螺罗经的不足；四、了解和掌握光纤陀螺工作原理及优缺点；四、了解和掌握光纤陀螺工作原理及优缺点；五、了解光纤陀螺在实际中的应用；五、了解光纤陀螺在实际中的应用；六、了解光纤陀螺罗经在现代高科技领域中的重要意义；六、了解光纤陀螺罗经在现代高科技领域中的重要意义；教学目的教学目的 一、安许茨型陀螺罗经、斯伯利型陀螺罗经、阿玛一勃朗陀螺罗经及光纤陀螺罗经四种不同陀螺罗经的发展及应用的介绍， 二、三种传统陀螺罗经的优缺点进行比较

2、及对光纤陀螺罗经的发展趋势， 三、讨论光纤陀螺罗经的应用及其不足。重点：重点：目录 陀螺罗经与磁罗经优缺点的比较陀螺罗经与磁罗经优缺点的比较传统陀螺罗经的分类及主要特点传统陀螺罗经的分类及主要特点光纤陀螺罗经光纤陀螺罗经结论结论 长期以来，磁罗经作为测定船舶方位用的的指向仪器，在各类船舶上得到广泛应用。然而随着航海事业和造船技术的发展，钢船代替了木船，特别是大中型船舶和潜水艇的出现，使船磁对罗经指北影响剧增，另一方面随着人类对极地的探索，在地球磁场影响巨大的两极地区，磁罗经完全失效，其可靠性和精确度远不能满足要求，这就促使人们寻求新的指向仪器，不久陀螺罗经问世了。一、陀螺罗经与磁罗经优缺点的比

3、较 指向精度高; 多个复示器; 主要优点 有利于船舶自动化 ; 不受磁干扰影响，指向误差小; 安装位置不受限制等。 必须有电源才能工作（可靠性较差）; 主要缺点： 工作原理、结构复杂。二、传统陀螺罗经的分类 1、安许茨型陀螺罗经 2、斯伯利型陀螺罗经 3、阿玛一勃朗陀螺罗经 1、安许茨型陀螺罗经及主要特点（1） 灵敏部分为双转子陀螺球，动量矩指北；（2） 陀螺球由支承液体支承，电磁上托线圈定位； （3） 陀螺球重心下移产生重力控制力矩； （4） 液体阻尼器在陀螺球水平轴产生 阻尼力矩，属于水平轴阻尼方式，不产生纬度误差； （5） 主要误差为速度误差，采用查表计算法消除； （6） 不能进行快速启

4、动，启动时，稳定指北的时间约为4h。2、斯伯利型陀螺罗经及主要特点 结构特点： 1、灵敏部分为、灵敏部分为单转子陀螺球单转子陀螺球，采用，采用液浮和轴承辅助支撑。液浮和轴承辅助支撑。 2、利用、利用液体连通器液体连通器产生水平控制力产生水平控制力矩；矩；陀螺房西侧陀螺房西侧阻尼重物产生垂直阻尼重物产生垂直轴阻尼力矩。轴阻尼力矩。 3、采用静止逆变器提供陀螺三相电，、采用静止逆变器提供陀螺三相电，内补尝法消除速、纬误差。内补尝法消除速、纬误差。 4、罗经小型化，可实现快速转动、罗经小型化，可实现快速转动（1）早期的斯伯利型陀螺罗经均为）早期的斯伯利型陀螺罗经均为水银器单转子摆式水银器单转子摆式罗

5、经罗经（2）近期的斯伯利系列罗经多属）近期的斯伯利系列罗经多属液体连接器单转子摆式液体连接器单转子摆式罗经罗经3、阿玛一勃朗陀螺罗经及主要特点1.一般电控呈双态，故称为双态罗经一般电控呈双态，故称为双态罗经（1）.恒向恒速航行时，工作于陀螺罗经状态恒向恒速航行时，工作于陀螺罗经状态；（2）.快速起动，机动航行，在高纬度航行时，工作于方位陀螺仪状态。快速起动，机动航行，在高纬度航行时，工作于方位陀螺仪状态。2.采用自动启动方式，罗经从启动到稳定，只需一次操作主罗经上的电源开关。（启动使采用自动启动方式，罗经从启动到稳定，只需一次操作主罗经上的电源开关。（启动使用方便，接通电源就可用）。用方便，接

6、通电源就可用）。3采用新型电路采用新型电路（1）摆信号控制电路摆信号控制电路（2）压降保护电路：随动系统根据陀螺马达的转速自动投入和切断。压降保护电路：随动系统根据陀螺马达的转速自动投入和切断。机械陀螺罗经的特点 1、均需要液体或轴承进行支撑 2、均需要控制力矩，阻尼重物等，保持指北稳定，结构较为笨重。 3、安许茨型主要误差为速度误差，采用查表计算法消除。 斯伯利型采用静止逆变器提供陀螺三相电内补偿法消除速、纬误差。 阿玛一勃朗型外补偿法、内补偿法、查表计算法消除纬度误差，速度误差。 4、正常启动仪器会花费很长时间。陀螺的种类机械式陀螺光学陀螺液浮陀螺仪气浮陀螺仪磁悬浮陀螺仪静电陀螺仪动力调谐

7、陀螺仪微机械陀螺激光陀螺仪光纤陀螺仪60年代后，陀螺仪的发展年代后，陀螺仪的发展趋势呈现出两种分支：趋势呈现出两种分支： q 追求更高的精度追求更高的精度q 低成本小型化低成本小型化 (for SINS)对更高精度的追求对更高精度的追求框架支撑系统的改进框架支撑系统的改进 液浮液浮, 气浮气浮, 磁悬浮磁悬浮精度优于精度优于 10 e-7 deg/h 三、光纤陀螺罗经三、光纤陀螺罗经1、光纤陀螺的简介 光纤陀螺是一种用于光纤陀螺是一种用于惯性导航惯性导航的光的光纤传感器。纤传感器。 陀螺仪陀螺仪(gyroscope)(gyroscope)意即意即“旋转指旋转指示器示器”，是指敏感，是指敏感角速

8、率角速率和和角偏差角偏差的的一种传感器。一种传感器。 光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其效应的传感器。因其无活动部件无活动部件高速转子高速转子，称为固态陀螺仪。，称为固态陀螺仪。光纤陀螺光纤陀螺(FOG): 更好地适应更好地适应 SINS 的需求的需求原理和特点原理和特点: Sagnac 效应效应, 外部激光源外部激光源, 介质为光纤介质为光纤.优点优点: 成本低、体积小、重量轻成本低、体积小、重量轻发展：发展：q 1967 - 由由 Pircher 和和 Hepner 首次提出首次提出

9、q 1970s - 光纤技术的发展光纤技术的发展q 1976 - Utah 大学的大学的 Vali 教授第一次演示教授第一次演示.q 1978 - McDonnell Douglas 制造出首批产品制造出首批产品自自 1980s 后后, 美国的美国的 Litton, Honeywell, Draper 和英国和英国, 法国法国, 德德国国, 日本和前苏联也迅速跟进日本和前苏联也迅速跟进.国内情况国内情况q 1980s 早期早期, 原理性研究原理性研究 (大学中大学中)q 1980s 后期后期, 产品研制产品研制q 2000s, 行业应用行业应用Precision:q 国外国外: 0.001 0

10、/hq 国内国内: 0.01 0/h 2、光纤陀螺的工作原理 光纤陀螺的基本原理是光纤陀螺的基本原理是基于基于Sagnac Sagnac 效应效应, , 如图如图1 1所示所示, ,在同在同一光学回路中一光学回路中, , 沿顺时针方向沿顺时针方向( CW) ( CW) 逆时针方向逆时针方向( CCW) ( CCW) 传播传播的两束光的两束光, , 当回路绕垂直于自当回路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生身的轴转动时将使两束光产生相位差相位差, , 该相位差的大小与光该相位差的大小与光回路的旋转速率成比例。回路的旋转速率成比例。图1:Sagnac 效应原理图3、光纤陀螺的分类 干涉型光纤陀螺仪

11、(IFOG)，目前应用最广泛； 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)； 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)光学系统的构成 ：集成光学型集成光学型和全光纤型全光纤型光纤陀螺结构：单轴和多轴单轴和多轴光纤陀螺 回路类型：开环光纤陀螺开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺闭环光纤陀螺 干涉型光纤陀螺是研究开发最早、技术最为成熟的光纤陀螺，属第一代光纤陀螺，它是利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光，把光相位的直接测量转化成光强度测量，这样就能比较简单地测出萨格纳克相位变化。干涉型光纤陀螺的光纤元器件一般都用单模光纤或保偏光纤制作。 目前，低、中性能的干涉型光纤陀螺已经实用化，而高性能干涉型光纤陀螺正处于研制

12、之中。1.干涉型光纤陀螺(IFOG)2. 谐振型光纤陀螺(RFOG) 谐振型光纤陀螺是第二代光纤陀螺，它是通过检测旋转非互易性造成的顺、逆时针两行波的频率差来测量角速率。采用无源谐振腔的RFOG的基本结构是由光纤构成一个谐振腔，其谐振频率随萨格纳克效应的大小而改变，由此测量旋转角速度。 谐振型光纤陀螺的研究较晚，主要用来解决光源的波长稳定性，对光源的要求十分苛刻，在技术上还不太成熟，但是很多研究人员认为它能提供最大潜在的精度。3. 布里渊型光纤陀螺(BFOG) 布里渊型光纤陀螺是第三代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺，或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺。 采用有源谐振腔的布里渊光纤陀螺是利用高功率

13、光在光纤中激发布里渊散射光的光纤陀螺仪。当光纤环中传输的光强达到一定程度时就会产生布里渊散射，散射光的频率由于受萨格奈克效应的影响，顺、逆时针的两束布里渊散射光的频差与旋转角速度成正比。检测顺逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行拍频处理，就可以得到光纤环的旋转角速度。光纤陀螺的实现如图光纤陀螺的实现如图2 2 所示所示 , , 从光源发出的光经分束器后分为两束从光源发出的光经分束器后分为两束, , 分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中, , 当环形回路以角速度作顺时针旋转时当环形回路以角速度作顺时针旋转时, ,

14、 由由Fizeau Fizeau 效应有效应有: :。图2 光纤陀螺工作原理图21(1)cwcCRnn（1）c21(1)c wcCRnn（2）3、光纤陀螺的工作原理由式由式( 1)-( 2) ( 1)-( 2) 计算可得计算可得: :224 Rtc （3）进而可以求得两束光之间的相位差:8(4)sAtc 3、光纤陀螺的工作原理实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积, , 一般将总长度为一般将总长度为L L的的光纤绕制成光纤绕制成N N匝直径为匝直径为D D的线圈的线圈, , 则则(4) (4) 式可修正为式可修正为: :82sALDNcc （5）式中式中: :

15、 为环形光纤回路所围的面积为环形光纤回路所围的面积, K, K为光波波长。通过解为光波波长。通过解调相位差调相位差 , , 就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度 。2ARs3、光纤陀螺的工作原理 干涉型光纤陀螺（干涉型光纤陀螺（I-FOGI-FOG）在结构上就是如图在结构上就是如图2 2 所示的所示的Sagnac Sagnac 干涉仪干涉仪, , 通过检测干涉光强得到光的相位变化信息。光强与相移的通过检测干涉光强得到光的相位变化信息。光强与相移的关系是一个隆起的余弦函数关系是一个隆起的余弦函数: :01 cos()sII（6）3、光纤陀螺的工作原理光纤罗经的特征

16、光纤罗经的特征无转动部件，采用固态技术，很少维修无转动部件，采用固态技术，很少维修 利用操作单元菜单操作利用操作单元菜单操作精度高，启动时间短精度高，启动时间短 符合符合IMO要求有转向速率输出要求有转向速率输出 结构紧凑，重量轻，耗能小结构紧凑，重量轻，耗能小 可自校基线误差，用串口输出数据可自校基线误差，用串口输出数据提供航向、纵摇、横摇信息提供航向、纵摇、横摇信息 光纤陀螺采用的是光纤环，具有普通的机械陀螺所不具有的独特优点：结构简单、耐振动、工作寿命长、响应速度快、精度高、动态范围大、抗电磁干扰、无加速度引 起的漂移且重量轻、成本低、可靠性优于机械陀螺等，因光纤陀螺具有更多的优势。图为

17、各种类型的光纤陀螺。 光纤陀螺的应用领域在立足陆用的同时光纤陀螺的应用领域在立足陆用的同时, , 向航空、航海和航天向航空、航海和航天领域发展领域发展, , 如布撒器、制导导弹、舰载火炮以及潜艇、卫星等。将如布撒器、制导导弹、舰载火炮以及潜艇、卫星等。将来光纤陀螺必将在更为广泛的领域发挥重要的作用。来光纤陀螺必将在更为广泛的领域发挥重要的作用。 光纤陀螺代表着未来惯性器件的发展方向光纤陀螺代表着未来惯性器件的发展方向, , 世界各国都在不断加世界各国都在不断加大对光纤陀螺的研究大对光纤陀螺的研究, , 我国也已将其列为惯性技术领域重点发展的我国也已将其列为惯性技术领域重点发展的技术之一。随着光

18、纤制造技术和集成光路技术的不断发展技术之一。随着光纤制造技术和集成光路技术的不断发展, , 光纤陀光纤陀螺产品将向着螺产品将向着多元化、小型化、实用化多元化、小型化、实用化方向发展方向发展, , 并会在国防军事、并会在国防军事、科学研究、以及人们的生产生活等方面拥有越来越广阔的应用前景。科学研究、以及人们的生产生活等方面拥有越来越广阔的应用前景。4、光纤陀螺的应用光纤陀螺应用领域光纤陀螺应用领域l 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；l 卫星定向和跟踪；卫星定向和跟踪；l 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；l 各种运载火箭应用；各种运载火箭应用；l 舰

19、船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；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；光学罗盘及高精度寻北系统；l 战术武器制导与控制系统；战术武器制导与控制系统；l 陆地导航系统陆地导航系统(+GPS)(+GPS)；l 姿态航向基准系统；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。人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。光纤陀螺应用级别划分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1010000.11%战术级0.110101000 ppm惯性级0.015 ppm战略级0.0011 ppm 速率级速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、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。精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。 战术级战术级光纤陀螺具有寿命长、