光纖陀螺文檔

1、光纖陀螺基本原理光纖陀螺基本原理哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)張勇剛張勇剛 1 1 光纖陀螺的發(fā)展光纖陀螺的發(fā)展2 2 光學(xué)基礎(chǔ)知識光學(xué)基礎(chǔ)知識3 Sagnac3 Sagnac效應(yīng)效應(yīng)4 4 光纖陀螺（光纖陀螺（FOGFOG）原理）原理5 5 光纖陀螺指標(biāo)光纖陀螺指標(biāo) 1 1 光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài) 四個里程碑：四個里程碑： 一、一、 19131913年法國物理學(xué)家年法國物理學(xué)家SagnacSagnac在物理實驗中發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)在物理實驗中發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)角速率對光的干涉現(xiàn)象的影響，這就啟發(fā)人們，利用光的干涉角速率對光的干涉現(xiàn)象的影響，這就啟發(fā)人們，利用光的干涉現(xiàn)象來測量旋轉(zhuǎn)角速率。現(xiàn)象

2、來測量旋轉(zhuǎn)角速率。 二、二、19601960年，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了激光器，產(chǎn)生了單色年，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了激光器，產(chǎn)生了單色相干光，解決了光源的問題。相干光，解決了光源的問題。 三、三、 19661966年，英籍華人科學(xué)家高錕提出了只要解決玻璃純年，英籍華人科學(xué)家高錕提出了只要解決玻璃純度和成分，就能獲得光傳輸損耗極低的玻璃光纖的學(xué)說。度和成分，就能獲得光傳輸損耗極低的玻璃光纖的學(xué)說。 四、四、19761976年，美國猶他大學(xué)兩位教授利用年，美國猶他大學(xué)兩位教授利用SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)研制研制出世界上第一個光纖陀螺原理樣機(jī)。出世界上第一個光纖陀螺原理樣機(jī)。 二十多年來，世界各發(fā)

3、達(dá)國家的許多科研機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)二十多年來，世界各發(fā)達(dá)國家的許多科研機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)都投入了很多的經(jīng)費(fèi)來研究光纖陀螺。隨著光纖陀螺主要光都投入了很多的經(jīng)費(fèi)來研究光纖陀螺。隨著光纖陀螺主要光器件（保偏光纖，器件（保偏光纖，Y Y型電型電光調(diào)制波導(dǎo)，光源等）技術(shù)及半導(dǎo)光調(diào)制波導(dǎo)，光源等）技術(shù)及半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，光纖陀螺的發(fā)展已經(jīng)有了突破性進(jìn)展體工業(yè)的飛速發(fā)展，光纖陀螺的發(fā)展已經(jīng)有了突破性進(jìn)展, , ，高精度光纖陀螺已達(dá)到低于高精度光纖陀螺已達(dá)到低于0.00010.0001o o/h/h的精度，有取代傳統(tǒng)的的精度，有取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀的趨勢。機(jī)械陀螺儀的趨勢。 光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)

4、點是全固態(tài)，沒光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。 1 1 光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài) 目前，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展成為慣性技術(shù)領(lǐng)域具有劃時代特征的新型主流儀表，其原理、工藝及其關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表有很大的差別，我國已經(jīng)將光纖陀螺列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的

5、關(guān)鍵技術(shù)之一。 1 1 光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)19131913年，薩格奈克（年，薩格奈克（SagnacSagnac）論證了運(yùn)用無運(yùn)）論證了運(yùn)用無運(yùn)動部件的光學(xué)系統(tǒng)同樣能夠檢測相對慣性空間的旋動部件的光學(xué)系統(tǒng)同樣能夠檢測相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)。他采用了一個環(huán)形干涉儀，并證實在兩個反向轉(zhuǎn)。他采用了一個環(huán)形干涉儀，并證實在兩個反向傳播光路中，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個相位差。傳播光路中，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個相位差。 2 Sagnac2 Sagnac效應(yīng)效應(yīng)理想條件下，環(huán)形光路理想條件下，環(huán)形光路系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的SagnacSagnac效應(yīng)如圖效應(yīng)如圖1 1所所示。一束光經(jīng)分束器示。一束光經(jīng)分束器M M進(jìn)入同

6、進(jìn)入同一光學(xué)回路中，分成完全相一光學(xué)回路中，分成完全相同的兩束光同的兩束光C CCWCW和和C CCCWCCW，分別沿，分別沿順時針方向順時針方向(CW)(CW)和逆時針方和逆時針方向向(CCW)(CCW)相向傳播，當(dāng)回路繞相向傳播，當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動時，將垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動時，將使兩束光產(chǎn)生相位差，該相使兩束光產(chǎn)生相位差，該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。速率成比例。 圖圖1 1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)(a)(a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 2 Sagnac2 Sagnac效應(yīng)效應(yīng)圖

7、圖1 1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)(a)(a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)cRcLttCWCCW2RcRtCCW2如如(a)(a)所示，無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時間相等，為所示，無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時間相等，為如如(b)(b)所示，旋轉(zhuǎn)條件下，所示，旋轉(zhuǎn)條件下，RcRtCW2 2 Sagnac 2 Sagnac效應(yīng)效應(yīng)圖圖1 1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)(a)(a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)04SRLc 224cRtttCWCCWcRctL24傳輸時間差

8、傳輸時間差傳輸光程差傳輸光程差傳輸相位差傳輸相位差 2 Sagnac 2 Sagnac效應(yīng)效應(yīng)圖圖1 1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)(a)(a)系統(tǒng)靜止；系統(tǒng)靜止；(b)(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)04SRLc 傳輸相位差傳輸相位差 2 Sagnac 2 Sagnac效應(yīng)效應(yīng)如何檢測相位差？利用光的干如何檢測相位差？利用光的干涉：振動頻率相同、方向相涉：振動頻率相同、方向相同、相位差恒定同、相位差恒定 )cos1 (0sII通過檢測光強(qiáng)來檢測相位差，通過檢測光強(qiáng)來檢測相位差，進(jìn)而檢測轉(zhuǎn)動角速率。進(jìn)而檢測轉(zhuǎn)動角速率。問題：旋轉(zhuǎn)角速率產(chǎn)生的光程問題：旋轉(zhuǎn)角速

9、率產(chǎn)生的光程差太小，很難被檢測。差太小，很難被檢測。 3 光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺實現(xiàn)原理光纖陀螺實現(xiàn)原理光纖陀螺本質(zhì)上光纖陀螺本質(zhì)上就是一個環(huán)形干涉儀，就是一個環(huán)形干涉儀，通過采用多匝光纖線通過采用多匝光纖線圈來增強(qiáng)相對慣性空圈來增強(qiáng)相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)引起的間的旋轉(zhuǎn)引起的SagnacSagnac效應(yīng)。其實現(xiàn)效應(yīng)。其實現(xiàn)如圖如圖2 2所示。所示。圖圖2 光纖陀螺實現(xiàn)原理圖光纖陀螺實現(xiàn)原理圖cRLNS04 3 光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺光纖陀螺結(jié)構(gòu)及工作結(jié)構(gòu)及工作原理原理主要信號處理技術(shù)：主要信號處理技術(shù)：圖3 數(shù)字閉環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)示意圖A A 偏置調(diào)制：偏置調(diào)制： 提高信號檢測靈敏

10、度提高信號檢測靈敏度ssssIIIIII00002sin2sin1 )2cos(1 相鄰時間內(nèi)光強(qiáng)差 3 光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺光纖陀螺結(jié)構(gòu)及工作結(jié)構(gòu)及工作原理原理主要信號處理技術(shù)：主要信號處理技術(shù)：圖3 數(shù)字閉環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)示意圖00)2cos(1 IIIfsB B 閉環(huán)控制：閉環(huán)控制： 降低光電檢測器工作降低光電檢測器工作范圍，提高檢測精度范圍，提高檢測精度 3 光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺光纖陀螺實物圖實物圖 3 光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺光纖陀螺實物圖實物圖 3 光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺光纖陀螺優(yōu)點優(yōu)點 與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺無運(yùn)動部件和磨損部件，為全固態(tài)與

11、傳統(tǒng)機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺無運(yùn)動部件和磨損部件，為全固態(tài)儀表，成本低，壽命長，重量輕，體積小，動態(tài)范圍大，精度應(yīng)用覆蓋儀表，成本低，壽命長，重量輕，體積小，動態(tài)范圍大，精度應(yīng)用覆蓋面廣，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移，結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，生產(chǎn)工藝簡面廣，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移，結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，生產(chǎn)工藝簡單，應(yīng)用范圍廣。單，應(yīng)用范圍廣。 與激光陀螺相比，光纖陀螺無需幾千伏的點火電壓，無克服與激光陀螺相比，光纖陀螺無需幾千伏的點火電壓，無克服“自鎖自鎖”用的機(jī)械抖動裝置，無超高精度的光學(xué)加工，不必非常嚴(yán)格的氣體密封，用的機(jī)械抖動裝置，無超高精度的光學(xué)加工，不必非常嚴(yán)格的氣體密封，裝配工藝簡便，功耗

12、低，可靠性高。裝配工藝簡便，功耗低，可靠性高。 總之，光纖陀螺是一種結(jié)構(gòu)簡單，潛在成本低，潛在精度最高的新總之，光纖陀螺是一種結(jié)構(gòu)簡單，潛在成本低，潛在精度最高的新型全固態(tài)慣性器件。型全固態(tài)慣性器件。 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺光纖陀螺應(yīng)用級別劃分應(yīng)用級別劃分級別零偏穩(wěn)定性(度/小時)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速率級1010000.11%戰(zhàn)術(shù)級0.110101000 ppm慣性級0.015 ppm戰(zhàn)略級0.0011 ppm 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺光纖陀螺應(yīng)用級別劃分應(yīng)用級別劃分速率級光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機(jī)器人、速率級光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機(jī)器人、地下建造隧道、管道路徑

13、勘測裝置和汽車導(dǎo)航等對精度地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導(dǎo)航等對精度要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產(chǎn)的這種要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產(chǎn)的這種精度的陀螺儀，已大批量應(yīng)用到民用領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級光纖精度的陀螺儀，已大批量應(yīng)用到民用領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺具有壽命長、可靠性高和成本低等優(yōu)點，主要用于陀螺具有壽命長、可靠性高和成本低等優(yōu)點，主要用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、近程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、近程/ /中程導(dǎo)彈和商用飛機(jī)的姿態(tài)對準(zhǔn)參考中程導(dǎo)彈和商用飛機(jī)的姿態(tài)對準(zhǔn)參考系統(tǒng)中。慣性級、戰(zhàn)略級光纖陀螺主要是用于空間定位系統(tǒng)中。慣性級、戰(zhàn)略級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國

14、有關(guān)和潛艇導(dǎo)航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國有關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級別光纖陀螺的佼佼者，公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級別光纖陀螺的佼佼者，如如HoneywellHoneywell、NorthropNorthrop等公司。等公司。 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域l 戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；l 衛(wèi)星定向和跟蹤；衛(wèi)星定向和跟蹤；l 天體觀測望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；天體觀測望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；l 各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；l 艦船、巡航導(dǎo)彈和軍、民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；艦船、巡航導(dǎo)彈和軍、民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；l 光學(xué)羅盤及高精

15、度尋北系統(tǒng)；光學(xué)羅盤及高精度尋北系統(tǒng)；l 戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；l 陸地導(dǎo)航系統(tǒng)陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)(+GPS)；l 姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)；姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)； l 汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況國外國外光纖陀螺光纖陀螺發(fā)展及應(yīng)用發(fā)展及應(yīng)用 國外中低精度的光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)品化，被廣泛用于航國外中低精度的光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)品化，被廣泛用于航空、航天、航海、武器系統(tǒng)和其它工業(yè)領(lǐng)域中。世界上研空

16、、航天、航海、武器系統(tǒng)和其它工業(yè)領(lǐng)域中。世界上研制光纖陀螺的單位已有制光纖陀螺的單位已有4040多家，包括美國霍尼韋爾多家，包括美國霍尼韋爾(Honeywell)(Honeywell)、利頓、利頓(Litton)(Litton)、史密斯、史密斯(Smith)(Smith)、諾思若、諾思若普普(Northrops(Northrops) )、聯(lián)信、聯(lián)信(AliedSignal(AliedSignal) )等，日本日本航空等，日本日本航空電子工業(yè)有限公司電子工業(yè)有限公司(JAE)(JAE)，日本三菱，日本三菱(Mitsubishi)(Mitsubishi)公司，公司，日立公司，德國利鐵夫日立公司，德國利鐵夫(LITEF)(LITEF)公司，法國法國光子公司，法國法國光子（IXSEAIXSEA）公司世界著名的慣導(dǎo)公司，精度范圍覆蓋了從）公司世界著名的慣導(dǎo)公司，精度范圍覆蓋了從戰(zhàn)術(shù)級到慣性級、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)級到慣性級、戰(zhàn)略( (精密精密) )級的各種應(yīng)用。級的各種應(yīng)用。 z法國光子（法國光子（IXSEAIXSEA）公司部分光纖陀螺慣測組合產(chǎn)品）公司部分光纖陀