光纤陀螺概述课件.pptx

1、,光纤陀螺概述,光纤陀螺的定义、简介、特点；光纤陀螺的分类；光纤陀螺的工作原理；光纤陀螺的误差分析；光纤陀螺的应用与发展。,内容安排,中文名：光纤陀螺英文名:Fiber Optic Gyro定义：应用激光及光导纤维技术测量物体相对于惯性空间的角速度或转动角度的无自转质量的新 型光学陀螺仪。,第1节光纤陀螺的定义、简介、特点,简介：光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。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。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效应的传感器。因其无活动部件高速转子，称为固态陀螺仪。,第1节光纤陀螺的定义、

2、简介、特点,与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加 速运动的能力；绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺 仪提高了好几个数量级；无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的 使用寿命；易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字 输出，并与计算机接口联接；,第1节光纤陀螺的定义、简介、特点,与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：通过改变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；相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无 需预热；可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传 感器，尤其是捷联

3、式惯导系统的传感器；结构简单、价格低，体积小、重量轻。,第1节光纤陀螺的定义、简介、特点,分立元件全光纤光纤陀螺是把单独制作的光器件相互连接而构成的光纤陀螺，此技术在美国和日本得到了成功的开发和应用。单光纤光纤陀螺是应用在线制作技术在一根光纤上缠绕光纤环和制作光器件的光纤陀螺，此技术在俄罗斯得到了成功地开发应用。,按工作原理：干涉型光纤陀螺仪(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)按光学系统的构成：集成光学型和全光纤型光 纤陀螺按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺,第2节纤陀螺的分类,光纤陀螺的基本原理是基于Sagnac 效应,如

4、图1所示,在同一光学 回路中,沿顺时针方向(CW)逆时针方向(CCW)传播的两束光,当回路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差,该相位 差的大小与光回路的旋转速率成比例。,第3节光纤陀螺的工作原理,图1:Sagnac 效应原理图,光纤陀螺的实现如图2 所示,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,当环形回路以角速度作顺时针旋转时,由Fizeau 效应有:。,第3节光纤陀螺的工作原理,图2 光纤陀螺工作原理图,由式(1)-(2)计算可得:,第3节光纤陀螺的工作原理,进而可以求得两束光之间的相位差:,实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积,

5、一般将总长度为L的光纤绕制成N匝直径为D的线圈,则(4)式可修正为:,第3节光纤陀螺的工作原理,式中:,调相位差,为环形光纤回路所围的面积,K为光波波长。通过解,就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度。,干涉型光纤陀螺（I-FOG）在结构上就是如图2 所示的Sagnac 干涉仪,它将角速度 的测量转化为相位差，再通过相位解调技术，把光相 位的直接测量转化为光强度测量，这样就能比较方便地测量出Sagnac相 位变化。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:,第3节光纤陀螺的工作原理,第3节光纤陀螺的工作原理,第3节光纤陀螺的工作原理,图3 干涉式光纤陀螺的响应,

6、由(6)式和图3可见,在输入角速度很小的情况下,光探测器输出信号的敏感度为零,而且不能辨别角速度 的方向。为了获得输出信号 最大敏感度,并能分辨 的极性,应进行 相位偏置调制,使陀 螺工作在灵敏度和线性度均最高的区域。偏置调制：提高信号检测灵敏度,第3节光纤陀螺的工作原理,开环式I-FOG 直接检测干涉后的Sagnac 相移,并通过在光纤线 圈的一端放置压电陶瓷环PZT,作为产生 相位偏置 的调 制器。结构如图4 所示。,图4 开环I-FOG 结构框图,调制之后干涉光强度为:,光源SLD 发出的光经光源耦合 器分光后，有一半的光进入偏 振器，并产生单模单偏振态的 光。起偏后的光进入光纤环耦 合

7、器，被分成顺时针方向和逆 时针方向的两束光满足相干条 件，并在光纤环中传播。,开环式：直接检测干涉后的Sagnac相移 主要用作角速度传感器。结构简单，价格便宜，但是线性度差，动态范围小。闭环式：利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互易相 移。较精密且复杂，主要用于中等精度的惯导系统。,起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注 入起偏器后，从出端输出的只有沿特定方向偏振的单一线偏振 光。换言之，起偏器实际上可以看作是一个偏振模式的选择器，即在注入而被激励的两个互为正交的光偏振模式中选择其中 之一导通，而令另一个截止。,起偏器（Polarizer）的工作原理,

8、PZT相位调制,开环式I-FOG直接检测干涉后的Sagnac相移，主要用作角速度传感器。这种光纤陀螺结构简单，价格便宜，但是线性度差，动态范 围小。闭环式I-FOG利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互易相移，是一种较精密且复杂的FOG，主要用于中等精 度的惯导系统。,4种主要的干涉式光纤陀螺结构,开环全保偏光纤陀螺:精度低、成本低,早期采用模拟电路,现已基本采用数字信号处理,漂移率也提高到1/h左右。开环单模消偏光纤陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用 处理电路基本和上一种相似,性能稍好于前一种。闭环全保偏光纤陀螺:精度高(可达到10-4/h)、高成本,采用数字电路,

9、主要应用于空间技术、军事应用和科学研究。闭环单模光纤陀螺:成本相对前一种光纤陀螺低,精度高(可 达到0.0035/h),采用特殊消偏技术,数字电路,制作难度大。,单光纤光纤陀螺制作技术,关键技术包括光纤环和PZT 的缠绕技术、偏振器和耦合器的拉制作技术、发光模块和光电接收模块的制作技术等。制作过程首先在光纤陀螺和相位调制器壳体上缠绕光纤，然后制作光纤 环耦合器、光源耦合器和偏振器，接着制作发光模块，并使SLD 尾纤与光纤轴对准，最后使光纤的另一端与光电探测器连 接，并形成光电接收模块。,光纤环缠绕技术,（l）采用对称缠绕法。对称缠绕法可以减小外界环境变 化对光纤陀螺性能的影响。（2）涂缓冲胶层

10、。由于光纤环壳体和光纤的热膨胀系数 不同，当温度变化时，光纤环壳体和光纤环沿径向产生不 同的形变，使光纤环受到应力的作用，从而引入光纤陀螺 输出误差。为了消除此误差，在缠绕光纤前，在光纤环的 凹槽内涂一层胶。（3）应力控制。在缠绕光纤时，通过对缓冲线圈轴上的 力矩进行控制，使缠绕到光纤环上的光纤受到相同的应力。这样做有三个好处：缠绕光纤时不会时紧时松，可保证 光纤环的缠绕质量；光纤环中光纤间的应力分布均匀，不 会引入额外误差；通过控制PZT上的绕线张力，能达到较 好的相位调制效果。,耦合器制作技术,靠近光源一侧的耦合器称为光源耦合器，其分束比的稳定性将 影响到光纤陀螺的标度系数。靠近光纤环一侧

11、的耦合器称为光 纤环耦合器，它的作用是产生两束功率相同、符合相干条件的 光波。其分束比的大小和稳定性都有严格要求。,（l）熔融拉锥技术（2）附加拉力控制,偏振器制作技术,制作过程先把光纤拉细，然后把拉偏振器的这段光纤 固定到石英基底上，最后用双折射晶体包住光纤拉细 的部分。（l）光纤拉制长度控制。（2）选择双折射晶体。（3）温度控制。,第4节光纤陀螺的误差分析,图5 光纤陀螺噪声来源机理,低精度的光纤陀螺的噪声主要表现为白噪声，而在中、高精度光纤陀螺的输出噪声中，除了高斯白噪声外，还包含 了具有自相似性的分型噪声。分形噪声是一种具有长程相似性、自相似性及类型普 度特点的非平稳噪声。,第4节光纤

12、陀螺的误差分析,从误差特性的角度来分析，光纤陀螺的噪声主要包括量化噪声、随机游走、偏置不稳定性和速率随机游走。其中，随机游走系数的主要来 源是光源的的相对强度噪声、探测器的电噪声和散粒噪声以及相关时 间比采样时间短的其他高频噪声项和光线陀螺中的二阶背向散射，这 些噪声均可用白噪声描述。零偏不稳定性源于法拉第磁场效应、温度 波动引起的飘移或其他低频环境噪声以光纤陀螺中的偏振演变和探测 器的闪烁噪声。,第4节光纤陀螺的误差分析,由于光纤陀螺的种种优点的存在,使其取得了相当广泛的应用。,第5节光纤陀螺的应用与发展,图6 陀螺的零偏稳定性,陀螺的应用领域主要是由陀螺零偏稳定性决定的,由此可见光纤陀螺的

13、应用几乎覆盖了目前所需要的全部领域,见表1。,第5节光纤陀螺的应用与发展,第5节光纤陀螺的应用与发展,光纤陀螺的应用领域在立足陆用的同时,向航空、航海和航天领 域发展,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。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 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,光纤陀螺产 品将向着多元化、小型化、实用化方向发展,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。,光纤陀螺民用技术现状,作为角速率传

14、感器的光纤陀螺，用做定位、导航和姿态控制在许多 精度要求不高的民用场合有很大的市场。为了降低光纤陀螺成本,主要从 以下几方面人手：光源方面。首先考虑使用短波长(SLD)光源，理论上Sagnac效应与波 长成反比，在相同灵敏度下可以缩短光纤长度。同时，单模光纤的直径 正比于波长，所以光纤环直径更小，与之匹配的光电管加工要求也远低 于长波长器件的要求。光纤环方面。伴随着光纤通信的发展，单模光纤的性能有了很大提高，耗损降低，价格低廉，与之配套的光源、探测器等各种光纤器件逐渐 成熟，成为去偏器件研制的基础，单模去偏光纤陀螺成本低、体积小、传感线圈小，易加长光纤用以提高灵敏度、抗辐射，制作简单，但与保

15、偏光纤陀螺相比，偏置稳定性差。信号调制与解调方面。用开环结构可以简化光纤陀螺结构，省掉复杂 昂贵的闭环结构。,KVH工业集团（KVH Industries，Inc.）KVH工业集团的光纤陀螺研制是于1997年在原有的导航与惯性测 量系统基础上收购Andrew公司的光纤陀螺技术而开始的,主要集 中在中、低等精度级研究。该集团在数字信号处理、降低随机 游走角、光纤陀螺的小型化方面取得了很大的成就,并获得相关 技术的专利,逐渐成为光纤陀螺生产的重要机构,其所开发的DSP 系列和TG系列光纤陀螺在商业上和军事上极具竞争力。Honeywell公司 Northrop Grumman公司,国外研究机构,国外

16、研究机构,日本是光纤陀螺研究生产的大国。在干涉式光纤陀螺的实用化,特别是中、低精度级别的实用化方面走在世界的前列,如应 用在车载导航、环保、工业控制、机器人控制、农业等。日立（Hitachi）公司强调把低精度开环IFOG投入应用，以 市场为导向，着重降低成本。日本航天航空电子公司(JAE)、Mitsubishi精密仪器、日立 电缆(Hitachi Cable)等都已经批量生产多级别的光纤陀螺。如Hitachi Cable在1991年成功研发世界上第1 套用于警车的FOG导航系统。另外,JAE公司还积极开发航天航空用的高性能 光纤陀螺,主要集中在三轴干涉式光纤陀螺的集成技术和EDAASE光源的研制。,