惯导激光陀螺误差、光纤陀螺

1、惯性元件惯性元件激光陀螺激光陀螺惯性导航篇惯性导航篇转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺转子式陀螺工作原理工作原理牛顿力学基础上牛顿力学基础上动量矩定理动量矩定理动量矩（角动量）动量矩（角动量）H 机械旋转产生的机械旋转产生的 问题：支承问题：支承 导致：成本高导致：成本高激光陀螺激光陀螺工作原理工作原理量子力学基础上量子力学基础上特点：固体型、不需特点：固体型、不需要活动部件，不存在要活动部件，不存在支承问题支承问题光学陀螺概述光学陀螺概述1 1 激光陀螺：针对捷联惯导需求激光陀螺：针对捷联惯导需求基本原理基本原理：Sagnac效应，工作效应，工作物质是激光束，全固

2、态陀螺物质是激光束，全固态陀螺优点优点结构简单、性能稳定、动态范结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出大、可靠性高、数字输出发展发展1960 激光器出现激光器出现1963 Sperry 制成首台样机制成首台样机1970s中中 精度突破，达惯性级精度突破，达惯性级1980s 初开始应用于各个领域初开始应用于各个领域 早期研制的机构早期研制的机构Honeywell：三角谐振腔，机：三角谐振腔，机械抖动偏频械抖动偏频Litton：四边形谐振腔，机：四边形谐振腔，机械抖动偏频械抖动偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜：三角谐振腔，磁镜偏频偏频

3、国内研制、应用状况国内研制、应用状况1970s中后期中后期 开始研制，开始研制，1990前后前后 进入实用进入实用1990s中后期中后期 应用达到高峰应用达到高峰面临问题面临问题成本较高、体积偏大、不能成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求完全适应捷联系统的要求 光学陀螺概述光学陀螺概述2 2光纤陀螺仪光纤陀螺仪：适应捷联系统需求：适应捷联系统需求 基本原理基本原理：同激光陀螺，只是：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。用外部激光源，用光导纤维传播。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：1970s 光纤技术发展光纤技术发展1976 年犹它大学瓦里设

4、想和演示年犹它大学瓦里设想和演示1978 麦道研制出第一个实用产品麦道研制出第一个实用产品1980s后，后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、等公司以及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。日、苏等国也展开了研制。 国内国内1980s初，原理研究、试初，原理研究、试验（少数大学）验（少数大学）1980s末，实质性研制末，实质性研制2000s，进入实用阶段，进入实用阶段精度精度：国外国外 0.001 0/h国内国内 0.01 0/h 萨格奈克萨格奈克(Sagnac)干涉仪干涉仪光路光路Sagnac 干涉干涉 测量的基础测量的基础 提出提出：由：由 Sagnac

5、 于于 1913年年 Sagnac 干涉仪干涉仪 光路传播光路传播当干涉仪相对惯性空间无转当干涉仪相对惯性空间无转动，则动，则 A、B 两路光程两路光程 La = Lb = L 当干涉仪以当干涉仪以相对惯性空间旋相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。转，则会引起两路光程不等。推导光程差推导光程差分离点的切向线速度分离点的切向线速度 2445cos40LLvv 在分束点两侧光路的投影都为在分束点两侧光路的投影都为 845cos0Lvvn光束光束 a 逆行一周，回到分束点逆行一周，回到分束点时多走了一段光程时多走了一段光程 aanatLLtvLL8另有另有 cLtaa/SagnacSagnac干

6、涉仪干涉仪光程差光程差求解方程组，得到求解方程组，得到 8/LcLta)8/(1cLLLa类似，对光束类似，对光束 b，可求得，可求得 8/LcLtb)8/(1cLLLb两束光回到分束点时光程差两束光回到分束点时光程差 baLLL222)8/()(1)4/(cLcL因因 c 远大于远大于 L，上式近似为，上式近似为 cLcLL22)4/(44cA4光程差与输入角速度成正光程差与输入角速度成正比比该结论对其它形状该结论对其它形状的环路也成立。的环路也成立。迈克尔逊实验迈克尔逊实验：矩形面积矩形面积 A = 600300 m2光源波长光源波长= 0.7m计算得：计算得：L=0.175m，即，即 /

7、 4干涉条纹只移动了干涉条纹只移动了 1/ 4 条条纹间距纹间距如果用来测量如果用来测量 0.015 0/h 的的角速度，角速度，测量精度无法保测量精度无法保证证 激光陀螺激光陀螺结构结构激光陀螺相对干涉仪的改进激光陀螺相对干涉仪的改进无源谐振腔无源谐振腔激光谐振腔激光谐振腔测量光程差测量光程差谐振频率差谐振频率差 谐振腔谐振腔(Resonating Cavity)结构结构：激光管激光管(光源光源) + 反射镜反射镜(光路光路)激光管激光管 = 氦氖气体氦氖气体 + 端面镜片端面镜片谐振腔结构及原理谐振腔结构及原理介质受激介质受激从基态到高能态从基态到高能态粒粒子数反转分布子数反转分布光通过激

8、活物质光通过激活物质获得增益获得增益环环形腔形腔获得足够大的增益获得足够大的增益反射膜厚度反射膜厚度/ 4 获得所需波长获得所需波长选择环路周长选择环路周长形成同相驻波形成同相驻波端面镜片端面镜片获得偏振光获得偏振光 设激光环绕一周光程设激光环绕一周光程 L，是，是波长波长的整数倍的整数倍 q，即，即 = L / q 激光频率为激光频率为 Vq，则，则 Vq= c 故故 Vq = cq / L当谐振腔以当谐振腔以绕法线旋转绕法线旋转Va = cq / LaVb = cq / Lb两束激光的频差：两束激光的频差：aabaabLLqcLLVVV)(224LqccALqcLKLALAq442激光频差

9、正比于输入角速度激光频差正比于输入角速度干涉条纹以一定的速度移动干涉条纹以一定的速度移动 激光陀螺激光陀螺 频差（拍频）产生频差（拍频）产生激光陀螺激光陀螺 频差测量频差测量例：三角谐振腔边长例：三角谐振腔边长=111.76mm 激光波长激光波长= 0.6328m 用来测地球转动角速度用来测地球转动角速度 LAV456021029. 7106328. 011176. 032/60sin11176. 04Hz43. 7激光陀螺激光陀螺 结构工艺结构工艺 激光介质激光介质：氦氖气体（频谱：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）纯度高、反向散射小） 腔体材料腔体材料：熔凝石英、陶瓷：熔凝石英、陶瓷 腔体

10、尺寸腔体尺寸：周长：周长200450mm 谐振腔形状谐振腔形状：三角、四边：三角、四边 （优缺点：（优缺点： K = 4A / L） 装配组合装配组合：分离、：分离、整体式整体式 整体式激光陀螺介绍整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路谐振腔和光路 反射镜（反射膜、凹面、半透）反射镜（反射膜、凹面、半透） 氦氖气体氦氖气体 阴阳电极：双阳极阴阳电极：双阳极 控制回路：凹镜、激励电压控制回路：凹镜、激励电压 激光陀螺激光陀螺 三轴整体三轴整体三轴整体式三轴整体式：适应捷联系统，：适应捷联系统， 集三个谐振腔于一块材料集三个谐振腔于一块材料 两种三轴整体式光路方案两种三轴整体式光路方案1. 三角形方案（

11、三角形方案（9反射镜）反射镜） 2.四边形方案（四边形方案（6反射镜）反射镜）优点：体积小重量轻、结构简优点：体积小重量轻、结构简单、可靠性好（第二代技术）单、可靠性好（第二代技术） 工艺改进对陀螺性能的影响工艺改进对陀螺性能的影响：Cer-vit陶瓷取代石英，提高了陶瓷取代石英，提高了稳定性并解决了氦气泄漏稳定性并解决了氦气泄漏采用光胶和接触焊，避免了环采用光胶和接触焊，避免了环氧树脂杂气对介质的污染。氧树脂杂气对介质的污染。新的反射镜涂层工艺，解决了新的反射镜涂层工艺，解决了涂层变质问题涂层变质问题 激光陀螺激光陀螺 零偏误差零偏误差 激光陀螺误差源激光陀螺误差源：异于机械式：异于机械式误

12、差分类误差分类 零偏误差零偏误差：输入角速度为零：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出（时激光陀螺的频差输出（0 / h） 主要原因：郎缪尔流效应主要原因：郎缪尔流效应 直流放电激活原子直流放电激活原子阳极阳极阴极阴极阳极激活原子阳极激活原子综合形成郎缪尔流综合形成郎缪尔流导致激光在介质中折射率不导致激光在介质中折射率不同，造成附加光程差同，造成附加光程差补偿措施：补偿措施：双阳极方案双阳极方案 激光陀螺激光陀螺 标度因数与自锁误差标度因数与自锁误差标度因数误差标度因数误差 激光陀螺频差输出公式激光陀螺频差输出公式 KV LAK4K值不稳定，也引起误差值不稳定，也引起误差K值大小的影响因素：值大

13、小的影响因素： 谐振腔周长谐振腔周长 谐振腔形状谐振腔形状 激光波长激光波长(0.6328 / 1.15 / 3.39 ) K值稳定性控制途径：值稳定性控制途径： 激光波长激光波长 谐振腔周长谐振腔周长 280mm 0.010/h 510- -6 120mm 0.10/h 310- -4 自锁自锁(Lock in)误差误差 自锁区：自锁区： - -LL 典型值：典型值：3600/h 激光陀螺激光陀螺 自锁原因及对策自锁原因及对策产生原因产生原因：反射镜反向散射：反射镜反向散射 顺时光束顺时光束 A 的反向散射的反向散射 AA 和逆时光束和逆时光束 B 耦合耦合牵引（牵引（B 与与 A 频率趋同

14、）频率趋同）类似，类似，A 与与 B 也频率趋同也频率趋同A与与B频率趋同，无频差输出频率趋同，无频差输出 克服自锁的途径克服自锁的途径： 正面：尽力减小自锁区（提高正面：尽力减小自锁区（提高光学元件质量和气体纯度）光学元件质量和气体纯度） 间接途径：偏频间接途径：偏频 加偏置加偏置0，工作点移出自锁区，工作点移出自锁区 )(0KV0/KV激光陀螺激光陀螺 机械抖动偏频机械抖动偏频机械恒定偏频机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的轴相对基座以足够大的0恒速旋转恒速旋转 缺点：陀螺体积重量增大，缺点：陀螺体积重量增大，0难控难控机械抖动偏频机械抖动偏频：采用高频角

15、振动：采用高频角振动(Mechanical Dithering) 谐振腔按曲线谐振腔按曲线 1 的相对基座振动的相对基座振动当基座相对惯性空间无转动时，当基座相对惯性空间无转动时， 谐振腔按曲线谐振腔按曲线 1 相对惯性空间振动相对惯性空间振动 输出频差均值为零输出频差均值为零当基座以当基座以A相对惯性空间旋转相对惯性空间旋转 谐振腔按曲线谐振腔按曲线 2 相对惯性空间振动相对惯性空间振动 正半周输出频差平均值大于负半周正半周输出频差平均值大于负半周 陀螺输出频差均值不为零陀螺输出频差均值不为零 输出均值能够反映输出均值能够反映A的大小和方向的大小和方向 激光陀螺激光陀螺 磁镜偏频磁镜偏频 引

16、入机械抖动后的输入输出曲线引入机械抖动后的输入输出曲线 机抖偏频机抖偏频是目前最成熟的偏频方案，是目前最成熟的偏频方案，尤其适用三轴整体式的激光陀螺尤其适用三轴整体式的激光陀螺 磁镜磁镜(Magnetic Mirror)偏频偏频：横向横向克尔磁光效应克尔磁光效应对称入射的线偏振光对称入射的线偏振光施加垂直于入射面的横向磁场施加垂直于入射面的横向磁场产生相位差或光程差产生相位差或光程差把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜磁场周期性变化，产生周期性偏频磁场周期性变化，产生周期性偏频 光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺 SagnacSagnac干涉仪的改进干涉仪的改进环路环路

17、Sagnac 干涉仪，干涉仪，光路分析：光路分析： 当干涉仪相对惯性空间无转动当干涉仪相对惯性空间无转动 两束光绕行一周的光程相等两束光绕行一周的光程相等 RLLLba2绕行时间绕行时间 cRcLttba2当干涉仪绕法向轴以当干涉仪绕法向轴以转动，转动， 则两束光出现光程差则两束光出现光程差 对于对于 a 束光束光 aatRRL2并且并且 ctRRtaa2光纤陀螺光纤陀螺 原理公式原理公式求解求解 La 得到得到 cRRLa/12类似地，对于光束类似地，对于光束 b cRRLb/12两束光之间的光程差两束光之间的光程差 baLLL2)/(12)/2(cRRcRcR24两束光之间的相位差两束光之

18、间的相位差 2L242cRcRR4)2(cRl4对于对于 N N 匝光纤环的情况匝光纤环的情况 cRlN4KK 称光纤陀螺标度因数称光纤陀螺标度因数在光纤线圈半径一定的情在光纤线圈半径一定的情况下，可通过增加线圈的匝况下，可通过增加线圈的匝数提高测量的灵敏度数提高测量的灵敏度 直径直径10 cm可绕可绕5002500m 光纤陀螺光纤陀螺 相位偏置相位偏置 光纤陀螺原理图，光路分析：光纤陀螺原理图，光路分析：当光纤线圈绕中心轴无旋转，当光纤线圈绕中心轴无旋转， 检测器上产生峰值干涉条纹检测器上产生峰值干涉条纹 检测器输出电流最大检测器输出电流最大 当光纤线圈绕中心轴旋转当光纤线圈绕中心轴旋转 产

19、生相差，干涉条纹横移产生相差，干涉条纹横移 检测器输出电流改变检测器输出电流改变 )cos1 (0 II 在在 = 0 附近灵敏度最低。附近灵敏度最低。对策对策：增加相位偏置：增加相位偏置(Phase Biasing)，工作点移至，工作点移至/2处处 光纤陀螺光纤陀螺 交流相位偏置交流相位偏置 固定相位偏置固定相位偏置：幅值难控：幅值难控交流相位偏置交流相位偏置：交变幅值：交变幅值/2 当输入相移当输入相移=0，检测，检测器的输出情况（如上）器的输出情况（如上） 当输入相移当输入相移0，检测器，检测器的输出情况如下的输出情况如下I 均值的改变量与均值的改变量与成正弦成正弦正负由一次谐波相位判断正负由一次谐波相位判断相位调制、相位调制器（相位调制、相位调制器（PMPM） 光纤陀螺光纤陀螺 开环干涉型开环干涉型PM 相位调制器相位调制器PSD 相敏解调器相敏解调器 工作原理工作原理： LR 光源被光源被 SL 分成两束分成两束两束光分别从光纤线圈两端进入两束光分别从光纤线圈两端进入分别从光纤线圈另