光纤陀螺资料

光纤陀螺—用于惯性导航的光纤传感器

光纤传感技术光纤传感技术是20世纪70年头伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。所谓“感知”，实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。所谓“传输”，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按须要进行数据处理，也就是解调。光纤传感器与常规传感器相比的最大优点是对电磁干扰的高度防卫度，而且它可以制成小型紧凑的器件，具有多路复用的实力，以及可以制成分布式的传感结构等，不少光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、牢靠性等方面也具有明显的优势。应用于人体医学、城建监控、环境监测等方面。干涉陀螺仪也是目前光纤传感器市场中重要的一类．它应用于航天航海、机器人工业、白控汽车、深钻、发动机及军事方面。

陀螺仪陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器．自1852年陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类特殊繁多。液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。随着光电技术、微米／纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是依据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为将来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。

陀螺仪依据其精度范围陀螺仪大致分为三部分：超高精度陀螺仪、中高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。1）超高精度陀螺仪超高精度陀螺仪指精度在10-6º/h～5×10-4º／h范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电陀螺仪。

静电陀螺仪组成的静电陀螺监控器(ESGM)与舰船惯性导航系统(SINS)组成SINS／ESGM组合导航系统，该系统是目前最高精度等级的惯性导航设备，它能满足潜艇及航母高精度、高牢靠性和隐藏性的要求。

陀螺仪2)中高精度陀螺仪中高精度陀螺仪指精度在5×10-4º/h到10-1º/h的陀螺仪。目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪，主要指激光陀螺仪和光纤陀螺仪，激光陀螺属于第一代光学陀螺，光纤陀螺属于其次代光学陀螺．最近几年，由于光纤陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潜力，越来越受到各国陆海空三军的青睐。

陀螺仪有关专家认为：精度在10-2º/h或者更高的光纤陀螺将代替激光陀螺，这是发展趋势。在军用方面，飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用以导航和制导，而且卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺仪用于与地形跟踪匹配和导向，火箭放射场上光纤陀螺仪用于火箭升空放射跟踪及测定等。在民用方面，光纤陀螺仪可用于飞机导航和石油勘察、钻井导向(确定下钻的位置)，特殊是在工业上的应用具有极大的发展潜力。

陀螺仪3)低精度陀螺仪低精度陀螺仪指精度范围超过10-1º/h的陀螺仪。目前有发展前景的是微机械陀螺仪。虽然精度低，但低廉的价格使其具有广袤的应用前景。微机械陀螺仪有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。

光纤陀螺仪微机械框架式陀螺仪的工作原理框架式陀螺仪由内框架和外框架组成，二者相互正交，均为挠性轴。检测质量固定在内框架上。检测质量绕驱动轴振动，由于振动角很小，故检测质量点的振动可认为是沿输出轴的线振动。当有角速度输入时，哥氏力作用在检测质量上，使其绕输出轴振动，测量电容差值的变更，得到正比于输入角速度的输出电压信号。

光纤陀螺仪光纤陀螺仪的工作原理光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最终汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。图6光纤陀螺仪工作示意图 具体推导：

光纤陀螺仪与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器坚实稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的实力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和辨别率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的运用寿命；(4)易于接受集成光路技术，信号稳定，且可干脆用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过变更光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起运用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是级联式惯导系统的传感器；(8)结构简洁、价格低，体积小、重量轻．

光纤陀螺仪光纤陀螺仪的分类按工作原理：干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目前应用最广泛。它接受多匝光纤圈来增加SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可供应较高的精度，也势必会使整体结构更加困难；谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是其次代光纤陀螺仪，接受环形谐振腔增加SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因此它可以接受较短光纤。R—FOG须要接受强相干光源来增加谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来很多寄生效应，如何消退这些寄生效应是目前的主要技术障碍。；受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三代光纤陀螺仪比前两代又有改进，目前还处于理论探讨阶段。

开环光纤陀螺开环光纤陀螺不带反馈，干脆检测光输出，省去很多困难的光学和电路结构，具有结构简洁、价格便宜、牢靠性高、消耗功率低等优点，缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度，输入一输出线性度差、动态范围小，主要用作角度传感器。开环的干涉型光纤陀螺(IOFG)的基本结构是一个环形双光束干涉仪。开环干涉型光纤陀螺原理图

闭环光纤陀螺闭环光纤陀螺包含闭环环节，它引入了反馈相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位调制器PM、光检测器D和相敏解调器PSD、伺服放大器SF、相位变换器PT组成反馈回路。从LR出来的光经分束器SL分成等强的两束，其中顺时针方向传播的光由透镜L1耦合进人光纤线圈的一端。而逆时针方向传播的光通过相位调制器PM后，由透镜L2耦合进入光纤线圈的另一端。这两束光分别从光纤线圈的相反两端出射。当光纤陀螺输入轴旋转时，两束光之间的相移将发生变更，两束光经分束器SL汇合后。由光检测器D接收，经工作频率为fm的相敏解调器PSD解调，并经低通滤波后送人伺服放大器SF驱动相位变换PT，产生与旋转相移ΔΦ大小相等符号相反的信号，使光纤陀螺始终处于在其最灵敏的零位旁边工作。闭环干涉型光纤陀螺原理图和开环IOFG相比，闭环IOFG多了一个反馈回路，它引入了反馈相移。闭环环节大大降低光源漂移的影响，扩大了光纤陀螺的动态范围，对光源强度变更和元件增益变更不敏感，陀螺漂移特殊小，输出线性度和稳定性只与相位变换器有关，主要应用于中等精度的惯导系统，对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用，是高精度光纤陀螺探讨的主要趋势。

闭环光纤陀螺

光纤陀螺存在的技术问题光纤陀螺自1976年问世以来，得到了极大的发展。但是，光纤陀螺在技术上还存在一系列问题，这些问题影响了光纤陀螺的精度和稳定性，进而限制了其应用的广泛性．主要包括：(1)温度瞬态的影响。理论上，环形干涉仪中的两个反向传播光路是等长的，但是这仅在系统不随时间变更时才严格成立。试验证明，相位误差以及旋转速率测量值的漂移与温度的时间导数成正比．这是特殊有害的，特殊是在预热期间。(2)振动的影响。振动也会对测量产生影响，必需接受适当的封装以确保线圈良好的坚实性，内部机械设计必需特殊合理，防止产生共振现象。(3)偏振的影响。现在应用比较多的单模光纤是一种双偏振模式的光纤，光纤的双折射会产生一个寄生相位差，因此须要偏振滤波。消偏光纤可以抑制偏振，但是却会导致成本的增加。为了提高陀螺的性能．人们提出了各种解决方法。包括对光纤陀螺组成元器件的改进，以及用信号处理的方法的改进等。 光纤陀螺的发呈现状光纤陀螺的发展是日新月异的。不仅是科学家热心于此，很多大公司出于对其市场前景的看好，也纷纷加入到探讨开发的行列中来。由于光纤陀螺在机动载体和军事领域的应用甚为志向，因此各国的军方都投入了巨大的财力和精力。目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的探讨方面取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数高精度产品也起先在军方进行装备调试。美国在光纤陀螺的探讨方面始终保持领先地位。目前美国国内已经有多种型号的光纤陀螺投入运用。以斯坦福高校和麻省理工高校为代表的科研机构在探讨领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公司在陀螺研制和产品化方面也做得特殊精彩。最著名的Litton公司和Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。 光纤陀螺的发呈现状日本紧随美国之后，在中低精度陀螺好用化方面走在了世界前列。很多公司都起先批量生产多种中低精度的光纤陀螺。西欧几个国家以及俄罗斯的第一代光纤陀螺也已经投入生产，少数中、高精度陀螺已经装备到了空军、海军及导弹部队中。我国光纤陀螺的探讨相对起步较晚，但是在广袤科研工作者的努力下，已经逐步拉近了与发达国家间的差距。航天工业总公司、上海803所、清华、浙大、北方交大、北航等单位相继开展了光纤陀螺的探讨。依据目前驾驭的信息看，国内的光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。但是国内的探讨照旧大多停留在试验室阶段，没有形成产品，距离应用还有差距。所以我们在这方面照旧有很长的路要走。

展望将来光纤陀螺的发展将着重于以下几个方面：(1)高精度。更高的精度是光纤陀螺取代激光陀螺在高等导航中地位的必定要求，目前高精度的光纤陀螺技术还没有完全成熟。(2)高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展方向之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是惯导系统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等