惯导 激光陀螺误差、光纤陀螺_课件

1、惯性元件激光陀螺惯性导航篇转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺工作原理牛顿力学根底上动量矩定理动量矩角动量H机械旋转产生的问题：支承导致：本钱高激光陀螺工作原理量子力学根底上特点：固体型、不需要活动部件，不存在支承问题光学陀螺概述1 激光陀螺：针对捷联惯导需求根本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺优点结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反响快、过载大、可靠性高、数字输出开展1960 激光器出现1963 Sperry 制成首台样机1970s中 精度突破，达惯性级1980s 初开始应用于各个领域 早期研制的机构Honeywell：三角谐振腔，机械抖动偏频Litton：四边形谐

2、振腔，机械抖动偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频国内研制、应用状况1970s中后期 开始研制，1990前后 进入实用1990s中后期 应用到达顶峰面临问题本钱较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求 光学陀螺概述2光纤陀螺仪：适应捷联系统需求 根本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。优点：本钱低、体积小重量轻。开展：1970s 光纤技术开展1976 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1980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。 国内1980s初，原理研究、试验少数大学1980s末，实

3、质性研制2000s，进入实用阶段精度：国外 0.001 0/h国内 0.01 0/h 萨格奈克(Sagnac)干预仪光路Sagnac 干预 测量的根底 提出：由 Sagnac 于 1913年 Sagnac 干预仪 光路传播当干预仪相对惯性空间无转动，那么 A、B 两路光程 La = Lb = L 当干预仪以相对惯性空间旋转，那么会引起两路光程不等。推导光程差别离点的切向线速度 v 在分束点两侧光路的投影都为 光束 a 逆行一周，回到分束点时多走了一段光程 另有 Sagnac干预仪光程差求解方程组，得到 类似，对光束 b，可求得 两束光回到分束点时光程差 因 c 远大于 L，上式近似为 光程差与

4、输入角速度成正比该结论对其它形状的环路也成立。迈克尔逊实验：矩形面积 A = 600300 m2光源波长计算得：，即 / 4干预条纹只移动了 1/ 4 条纹间距如果用来测量 0.015 0/h 的角速度，测量精度无法保证 激光陀螺 频差测量例：三角谐振腔边长=111.76mm 激光波长m 用来测地球转动角速度 激光陀螺 结构工艺 激光介质：氦氖气体频谱纯度高、反向散射小 腔体材料：熔凝石英、陶瓷 腔体尺寸：周长200450mm 谐振腔形状：三角、四边 优缺点： K = 4A / L 装配组合：别离、整体式 整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路 反射镜反射膜、凹面、半透 氦氖气体 阴阳电极：双阳极

5、控制回路：凹镜、鼓励电压 激光陀螺 三轴整体三轴整体式：适应捷联系统， 集三个谐振腔于一块材料 两种三轴整体式光路方案1. 三角形方案9反射镜 2.四边形方案6反射镜优点：体积小重量轻、结构简单、可靠性好第二代技术 工艺改进对陀螺性能的影响：Cer-vit陶瓷取代石英，提高了稳定性并解决了氦气泄漏采用光胶和接触焊，防止了环氧树脂杂气对介质的污染。新的反射镜涂层工艺，解决了涂层变质问题 激光陀螺 零偏误差 激光陀螺误差源：异于机械式误差分类 零偏误差：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出0 / h 主要原因：郎缪尔流效应 直流放电激活原子阳极阴极阳极激活原子综合形成郎缪尔流导致激光在介质中折射率不

6、同，造成附加光程差补偿措施：双阳极方案 激光陀螺 标度因数与自锁误差标度因数误差 激光陀螺频差输出公式 K值不稳定，也引起误差K值大小的影响因素： 谐振腔周长 谐振腔形状 激光波长(0.6328 / 1.15 / 3.39 ) K值稳定性控制途径： 激光波长 谐振腔周长0/h 510-6 120mm 0/h 310-4 自锁(Lock in)误差 自锁区： -LL 典型值：3600/h 激光陀螺 自锁原因及对策产生原因：反射镜反向散射 顺时光束 A 的反向散射 AA 和逆时光束 B 耦合牵引B 与 A 频率趋同类似，A 与 B 也频率趋同A与B频率趋同，无频差输出 克服自锁的途径： 正面：尽力

7、减小自锁区提高光学元件质量和气体纯度 间接途径：偏频 加偏置0，工作点移出自锁区 激光陀螺 机械抖动偏频机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的0恒速旋转 缺点：陀螺体积重量增大，0难控机械抖动偏频：采用高频角振动(Mechanical Dithering) 谐振腔按曲线 1 的相对基座振动当基座相对惯性空间无转动时， 谐振腔按曲线 1 相对惯性空间振动 输出频差均值为零当基座以A相对惯性空间旋转 谐振腔按曲线 2 相对惯性空间振动 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 输出均值能够反映A的大小和方向 激光陀螺 磁镜偏频 引入机械抖动后的输入输出曲线 机抖偏频是目

8、前最成熟的偏频方案，尤其适用三轴整体式的激光陀螺 磁镜(Magnetic Mirror)偏频：横向克尔磁光效应对称入射的线偏振光施加垂直于入射面的横向磁场产生相位差或光程差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 光纤陀螺光纤陀螺 Sagnac干预仪的改进环路 Sagnac 干预仪，光路分析： 当干预仪相对惯性空间无转动 两束光绕行一周的光程相等 绕行时间 当干预仪绕法向轴以转动， 那么两束光出现光程差 对于 a 束光 并且 光纤陀螺 原理公式求解 La 得到 类似地，对于光束 b 两束光之间的光程差 两束光之间的相位差 对于 N 匝光纤环的情况 K 称光纤陀螺标度因数在光

9、纤线圈半径一定的情况下，可通过增加线圈的匝数提高测量的灵敏度 直径10 cm可绕5002500m 光纤陀螺 相位偏置 光纤陀螺原理图，光路分析：当光纤线圈绕中心轴无旋转， 检测器上产生峰值干预条纹 检测器输出电流最大 当光纤线圈绕中心轴旋转 产生相差，干预条纹横移 检测器输出电流改变 在 = 0 附近灵敏度最低。对策：增加相位偏置(Phase Biasing)，工作点移至/2处 光纤陀螺 交流相位偏置 固定相位偏置：幅值难控交流相位偏置：交变幅值/2 当输入相移=0，检测器的输出情况如上 当输入相移0，检测器的输出情况如下I 均值的改变量与成正弦正负由一次谐波相位判断相位调制、相位调制器PM 光纤陀螺 开环干预型PM 相位调制器PSD 相敏解调器 工作原理： LR 光源被 SL 分成两束两束光分别从光纤线圈两端进入分别从光纤线圈另一端导出中间都经过相位调制器 PM两束光经 SL 集合，由检测器 D 接收，输出电流经过相敏解调器 PSD 解调得到直流分量正比于开环干预型缺点：存在明显非线性 测量范围较小 精度较低 光纤陀螺 闭环干预型引入伺服放大器 SF 和相位变换器PT，构成闭环系统 闭环测量原理：检测器 D 的输出经 PSD 解调解调信号经 SF 放大驱动相位变换器 PT相位变换器 PT 产生相移和产生的