光纖傳感技術(shù)在汽車導(dǎo)航中的應(yīng)用

1、南京理工大學(xué)課程論文課程名稱： 傳感技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展 論文題目： 光纖傳感技術(shù)在汽車導(dǎo)航中的應(yīng)用 姓 名： 學(xué) 號： 成 績： 光纖傳感技術(shù)在汽車導(dǎo)航中的應(yīng)用引言：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和各種信息容量的飛速增加，以光纖為傳遞信息主要媒質(zhì)的光纖通信技術(shù)和以光纖中的導(dǎo)波原理為理論基礎(chǔ)的光纖傳感技術(shù)在人類過去幾十年的生活和許多其他領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用和重視，吸引了人們極大的研究興趣。光纖傳感器應(yīng)用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。其應(yīng)用范圍十分廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)和國防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解

2、決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題。因此我們可以說光纖傳感器具有很大的市場需求，不說長久，至少在未來5年，光纖傳感器將會有廣闊的發(fā)展前景。光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，以光波為信息載體、以光纖為傳輸介質(zhì)或傳感元件，把“傳輸”和“感知”這兩項技術(shù)合二為一。在過去的幾十年里，光纖傳感器在傳感原理和結(jié)構(gòu)以及器件的制備工藝等方面得到了不斷的發(fā)展，研制出了許多新的光纖傳感器件。光纖傳感器相對于其它一些傳統(tǒng)的如電傳感器等有著自身體積小易于植入、不受電磁干擾等優(yōu)點。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)是汽車電子技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的主要作用是將各種信息融合處理后提供給駕駛者快速正確地引導(dǎo)車輛到

3、達(dá)目的地,它對提高汽車運(yùn)行效率、節(jié)約能源和增強(qiáng)行車安全性有著重要意義。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖慣性傳感技術(shù)在汽車自主導(dǎo)航和組合導(dǎo)航中有了越來越多的應(yīng)用,它不僅能很好地實現(xiàn)汽車航位推算,準(zhǔn)確定位汽車的位置,還能實時輸出汽車的瞬時姿態(tài)、行駛方向和運(yùn)動速度,實現(xiàn)汽車的自動駕駛。一、光纖傳感器原理及分類光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。 光纖傳感系統(tǒng)主要由光源、傳感器件、探測器等部分組成，如圖1所示。

4、光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳輸至傳感元器件；當(dāng)外界環(huán)境因素，如應(yīng)變、溫度、折射率等物理量發(fā)生變化時，使得在光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ哪承┨匦?，如?qiáng)度、波長、偏振態(tài)等隨外界信號發(fā)生變化，這個過程稱為調(diào)制；調(diào)制過的光波信號經(jīng)光纖傳輸至探測器后轉(zhuǎn)化為電信號，在經(jīng)過信號處理就可以獲取外界環(huán)境的變量信息，這個過程稱為解調(diào)；光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制和解調(diào)兩方面的技術(shù)。圖1光纖傳感器原理圖根據(jù)光纖在傳感系統(tǒng)中的作用3不同，可將光纖傳感器分為兩大類：(1)本征型光纖傳感器：外界信號對光波參量的調(diào)制由光纖本身組成，外界環(huán)境因素直接對在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ǖ奶匦赃M(jìn)行調(diào)制，這時的光纖同時具有傳輸和傳感的功能，也稱為傳感型光纖傳感器或功能型

5、光纖傳感器。(2)非本征型光纖傳感器：信號的調(diào)制由外加裝置提供，光纖只起到傳輸光波的作用，外界信號的變化對光波參量的影響在光纖外進(jìn)行，也稱為傳光型光纖傳感器或非功能型光纖傳感器。還可以根據(jù)被外界信號調(diào)制的光波參量分為強(qiáng)度調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器等；根據(jù)被測量的物理量可以分為光纖位移傳感器、光纖溫度傳感器、光纖電流傳感器、光纖轉(zhuǎn)動傳感器(光纖陀螺)等等。1.光纖陀螺表1光纖陀螺的等級應(yīng)用1976年V. Vali和R. W. Shorthill4-6首次報道并實驗驗證了光纖陀螺原理，他們使用多匝光纖環(huán)路來增強(qiáng)轉(zhuǎn)動探測的靈敏度。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，光纖陀螺在

6、研究方面取得了較大進(jìn)展，一些中低精度的光纖陀螺也已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，并在需要高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等多個領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)7效應(yīng)的，是一個簡單的光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，同一光源發(fā)出的光從光纖兩端分束進(jìn)入，然后沿相反的方向傳輸，最后匯合到原來的分束點產(chǎn)生干涉，當(dāng)光纖環(huán)隨垂直環(huán)面的軸轉(zhuǎn)動時，相反方向傳輸?shù)膬墒饩蜁a(chǎn)生光程差，由此得出旋轉(zhuǎn)角速度。光纖陀螺與其他傳統(tǒng)的陀螺（如機(jī)械陀螺、激光陀螺等）相比，具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；無機(jī)械活動部件，可長時間無磨損的正常工作；零部件少儀器牢固穩(wěn)定，具耐沖擊和抗加速運(yùn)動能力；啟動時間短；易于集成等。光纖陀螺

7、分類按其結(jié)構(gòu)和原理可分干涉型、諧振型和布里淵型，干涉型光纖陀螺是第一代，技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，正處于推進(jìn)批量生產(chǎn)和商品化階段；諧振型光纖陀螺是第二代，處于實驗室研究向?qū)嵱没七M(jìn)的發(fā)展階段；布里淵型是第三代，尚處于理論研究階段。光纖陀螺結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的光學(xué)元件有三種實現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學(xué)元件系統(tǒng)。還可按環(huán)路類型分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。目前分立光學(xué)元件方案已經(jīng)基本消失，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學(xué)器件陀螺以工藝簡單，總體重復(fù)性好、低成本成為國際中高精度光纖陀螺主要方案?！拔覈呀?jīng)量產(chǎn)千分之一精度的光纖陀螺，目前主要用于導(dǎo)彈等中低精度領(lǐng)域，用于機(jī)載的高精

8、度光纖陀螺正在研發(fā)。航天時代集團(tuán)光纖陀螺年銷售額已經(jīng)超過2億元，全國有不少企業(yè)在這個領(lǐng)域發(fā)展，主要集中在中精度領(lǐng)域。目前核心器件的相位調(diào)制器，主要由北京世維通公司生產(chǎn)，重慶44所也在生產(chǎn)，西安光機(jī)所也在研發(fā)。光纖繞環(huán)一般是各家廠商自產(chǎn)，武漢長盈通公司專門做光纖繞環(huán)。LED光源主要是武漢光迅，深圳飛康等廠商生產(chǎn)?！笨梢灶A(yù)計，光纖陀螺將在中低精度和中高精度領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺，未來在航天、軍事、汽車等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.光纖光柵傳感器光纖光柵傳感技術(shù)是在光纖傳感技術(shù)和光纖光柵技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的基于波長調(diào)制原理的傳感技術(shù)，由于屬波長編碼、不受光源和傳輸穩(wěn)定性的影響，因而具有噪聲低、

9、調(diào)制信號穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確性高以及抗干擾能力強(qiáng)等自身特有的優(yōu)點。光纖光柵的制作是利用光纖材料的光敏性在纖芯中形成一維的周期性結(jié)構(gòu)。1978年，加拿大渥太華通信研究中心的Hill等人在實驗室進(jìn)行光纖非線性效應(yīng)研究時，采用駐波法刻寫出了世界上第一根光纖光柵光纖布拉格光柵(FBG)。到了1989年，美國東哈特福德聯(lián)合技術(shù)研究中心的Meltz等人發(fā)明了紫外側(cè)寫技術(shù)，簡化了光纖光柵的制作，提高了光纖光柵的寫入效率。隨后1993年，Hill等人又提出了相位掩模法寫入光柵，使得大批量生產(chǎn)光纖光柵成為可能。根據(jù)周期的長短可將光纖光柵8分為兩類（如圖2所示）：一類是光纖布拉格光柵(FBG)，周期為幾百個納米，是纖芯

10、中傳輸方向相反的光波模式之間的耦合，反射特定波長的光，也稱為短周期光纖光柵或反射型光柵；另一類是長周期光纖光柵，周期為幾十至幾百個微米，是同方向傳輸?shù)睦w芯模和包層模之間的耦合，導(dǎo)致共振波長的傳輸損耗，又稱為透射型光柵，相當(dāng)于一個帶阻濾波器。圖2光纖光柵模式耦合示意圖根據(jù)光柵軸向折射率分布的不同可將光纖光柵分為均勻光纖光柵、切趾光纖光柵、啁啾光纖光柵、傾斜光纖光柵、相移光纖光柵以及采樣光纖光柵等。光纖光柵的工作原理是在相位匹配條件滿足的情況下發(fā)生共振波長耦合，實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的反射鏡或濾波器，得以控制和改變在光纖中傳輸?shù)墓獠?。光纖光柵的相位匹配條件為, (1)其中為光波模式的傳播常數(shù)

11、，為光纖光柵的周期，neff為模式的有效折射率。當(dāng)溫度、應(yīng)變、濃度等外界環(huán)境物理參量發(fā)生變化時，引起光纖的有效折射率或光纖光柵的周期發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光纖光柵的共振波長發(fā)生變化，通過測量由此帶來的波長的變化就可以得到環(huán)境參量的變化信息。通過對不同參數(shù)的測量，如溫度、應(yīng)變、壓力、電流、折射率等，研制出來的光纖光柵傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木工程、航天船舶系統(tǒng)、石油化工以及生物醫(yī)學(xué)工程等多個領(lǐng)域中；同時光纖光柵傳感器是基于波長檢測原理的，還具有復(fù)用能力，易于組成智能結(jié)構(gòu)中的多點分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。今后光纖光柵傳感器的發(fā)展趨勢有：多參量交叉敏感的傳感技術(shù)研究；傳感信號解調(diào)系統(tǒng)的研制；傳感器件的封裝技術(shù)研

12、究等。三、基于光纖傳感技術(shù)的汽車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.汽車導(dǎo)航系統(tǒng)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)是由天線、接收裝置組成的外部信息系統(tǒng)、地圖文件裝置構(gòu)成的地圖信息系統(tǒng)、導(dǎo)航傳感器和計算機(jī)組成的位置標(biāo)定系統(tǒng),以及由顯示、操縱部件和計算機(jī)組成的人機(jī)接口系統(tǒng)構(gòu)成（如圖1所示）。根據(jù)汽車位置標(biāo)定方式的不同,汽車導(dǎo)航可分為電波導(dǎo)航和自主導(dǎo)航。前者主要是利用GPS,等空間系統(tǒng)對汽車進(jìn)行定位,后者主要是利用車載傳感系統(tǒng)來感測并計算汽車的方位和距離。 圖1汽車導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成示意圖GPS的主要功能是利用24顆導(dǎo)航衛(wèi)星采用碼測量偽距定位原理進(jìn)行測時和測距。通過對衛(wèi)星和接收器設(shè)置點之間的距離及衛(wèi)星所處位置的測量,只要接收來自四顆衛(wèi)星的無線電波

13、,通過四元非線性方程組的求解,就可計算出接收點的三維位置坐標(biāo)。GPS能夠在全球范圍、全天候、實時地提供位置、速度和時間信息,被視為理想的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。但是民用的GPS精度一般在100m左右,存在著成本高、定位精度差和運(yùn)行不可靠等缺點7。 2.慣性導(dǎo)航技術(shù)慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種基于慣性傳感器的導(dǎo)航技術(shù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是利用慣性傳感器、基準(zhǔn)方向和初始位置信息來確定汽車的方位、位置和速度的自主式航位推算系統(tǒng)。該系統(tǒng)前端傳感器一般包括陀螺儀和加速度計,將角速度與加速度信息通過導(dǎo)航計算機(jī)進(jìn)行姿態(tài)解算、濾波便可得到導(dǎo)航信息。由于慣性敏感元件存在常值漂移和隨機(jī)漂移,因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的短期精度高,長期精度差,需與G

14、PS相組合才能在短期和長期精度上都有保證。因此,目前實際的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)有很大一部分是采用GPS技術(shù)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。3.車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成和原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是運(yùn)用慣性技術(shù)和控制技術(shù)的一種精密儀器系統(tǒng)它可以實時準(zhǔn)確地輸出載體的位置、運(yùn)動速度、航向和姿態(tài)信息具有高度的自由性。光纖慣性測量單元為基于光纖傳感技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心,主要由以下幾部分組成：（1）光纖陀螺傳感器,用于敏感角速度或角度測量,通過測定汽車轉(zhuǎn)向角速度,并對該角速度進(jìn)行積分來檢測汽車行駛方向的變化；（2）光纖加速度傳感器,用于測量加速度,從而獲得速度、位置的變化量；（3）運(yùn)算和處理器部件,用于處理陀螺和加

15、速度計傳感器數(shù)據(jù),形成系統(tǒng)解算所需的信息。車載光纖慣性導(dǎo)航測量單元的結(jié)構(gòu)和原理如圖4所示。三軸陀螺共用一個現(xiàn)場可編輯的邏輯陣列實現(xiàn)時序控制及階梯波形成。一個DSP作為中央處理器,完成對三軸陀螺的數(shù)字調(diào)解、數(shù)字濾波、波形反饋及數(shù)據(jù)輸出。三個方向的加速度傳感器通過再平衡回路完成速度和位置的檢測,同時也能對汽車瞬時姿態(tài)和運(yùn)動平順性指標(biāo)加以輸出和控制。車載GPS和光纖慣性組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)采用自適應(yīng)或自學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)子系統(tǒng)間定位結(jié)果的相互校正,從而提高整個系統(tǒng)的定位精度,應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)及多傳感器信息融合方法實現(xiàn)整個系統(tǒng)的綜合校正,以提高系統(tǒng)的可靠性。 圖4光纖慣性測量單元的構(gòu)成和原理圖4.車載光纖慣性

16、導(dǎo)航系統(tǒng)的要求及發(fā)展趨勢由于汽車行駛工況的復(fù)雜性和車身綜合布置的空間局限性,車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)除了要求傳感器具有一定的精度、分辨率和響應(yīng)速度外,還要求測量用電子系統(tǒng)朝著小型化、數(shù)字化和多功能化方向發(fā)展。光纖陀螺儀是車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件,而諧振腔式光纖陀螺儀作為光纖陀螺儀的小型化的研究方向,克服了干涉型光纖陀螺的諸多缺點,具有很大的發(fā)展?jié)摿?其復(fù)雜的控制電路會隨著ASIC技術(shù)的發(fā)展得到解決。開環(huán)式光纖陀螺直接檢測干涉條紋的相移,因而動態(tài)范圍較窄,檢測精度較低。閉環(huán)式光纖陀螺系統(tǒng)采取相位補(bǔ)償?shù)姆椒?實時抵消薩格奈克相移,通過檢測補(bǔ)償相位移來測量角速度,動態(tài)范圍大,檢測精度高,全數(shù)字閉環(huán)

17、光纖陀螺的實現(xiàn)方法已經(jīng)趨于成熟,是以后慣性測量單元的選擇結(jié)構(gòu)。圖5就是全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖。由于光纖慣性傳感器具有單軸敏感性，實際應(yīng)用中常采用多個光纖陀螺和光纖禍合器共用一只光源來降低系統(tǒng)成本,未來光纖慣性傳感器應(yīng)實現(xiàn)單個傳感器的多軸和多功能測量。 圖5全數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖四、車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點及其問題1車載光纖質(zhì)性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件光纖傳感器本質(zhì)上是由光電子器件組成的光干涉儀系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動迅速、耐沖擊、測量范圍寬、數(shù)字輸出便于計算機(jī)接口等優(yōu)點。就光纖陀螺而言,與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺相比,它具有啟動速度快、抗沖擊耐過載以及高可靠性等特性；與激光陀螺相

18、比,它具有加工工藝簡單、體積小、成本低、無閉鎖以及適合批量生產(chǎn)等特點。而微機(jī)械傳感器雖然具有微型化、集成化的特點,但目前微慣性傳感器測量精度不是很高,僅在一些低精度場合應(yīng)用。2車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)和成本因素車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用的光纖傳感技術(shù)還是一種新興技術(shù),光纖傳感器的應(yīng)用還沒有普及。和其它電子器件一樣,光纖傳感器也只有形成批量化、規(guī)模式生產(chǎn)才能降低其應(yīng)用成本。另外光纖傳感的發(fā)展也存在其技術(shù)瓶頸,一些新的工藝技術(shù)還有待開發(fā)。這也是目前光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在汽車中還沒有被廣泛采用的原因之一。3市場開發(fā)環(huán)境的影響目前國內(nèi)外都十分重視光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,國內(nèi)形成市場規(guī)模的光電產(chǎn)業(yè)還是針對光

19、通信行業(yè),對光電子器件的另一個應(yīng)用市場,即光纖陀螺和光纖傳感器,還未被受到足夠的重視。究其原因,一方面是因為光纖傳感器市場尚未形成,不能成為推動光纖陀螺等專用光電子器件發(fā)展的動力；另一方面也反映了光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的局限性,多少地影響了光纖傳感器市場的早日形成。4工程化過程中要解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)目前中、低精度的光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在車輛導(dǎo)航、靈巧炮彈制導(dǎo)、飛機(jī)和車載航姿等系統(tǒng)中開始進(jìn)人工程應(yīng)用階段。國內(nèi)光纖傳感技術(shù)正在進(jìn)行工程化攻關(guān)研究,主要解決工程應(yīng)用過程中存在的問題,如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零起動、熱平衡、溫度影響、長時間工作性能穩(wěn)定性和信噪比等。車載光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,光纖陀螺還需要突破靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移等主要技術(shù)。五、光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢及成本對于光纖傳感器的價格，光纖傳感器種類眾多，具體到光纖陀螺和光纖電流互感器，大概是同級別傳統(tǒng)傳感器的23倍。應(yīng)用的長期穩(wěn)定性和可靠性不夠、價格較高和對所獲得數(shù)據(jù)的智能化處理不足是阻礙大規(guī)模應(yīng)用的重要原因。具體到行業(yè)應(yīng)用發(fā)展上，傳感技術(shù)應(yīng)用到各行各業(yè)，每個企業(yè)的市場進(jìn)入能力是有限的，所以現(xiàn)在遍地開花，傳統(tǒng)傳感器行業(yè)有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和利益鏈條，光纖傳感產(chǎn)業(yè)化要有長期抗戰(zhàn)的準(zhǔn)備。光纖傳感器價格昂貴與規(guī)模相關(guān)，