光纖陀螺的應用及其發(fā)展前景2014

組員：王湛楊軍鄭浩潘明明黃宇航光纖陀螺的應用及其發(fā)展前景一、了解陀螺羅經(jīng)發(fā)明的重要意義；二、了解陀螺的起源、發(fā)展、種類；三、了解傳統(tǒng)機械陀螺羅經(jīng)的不足；四、了解和掌握光纖陀螺工作原理及優(yōu)缺點；五、了解光纖陀螺在實際中的應用；六、了解光纖陀螺羅經(jīng)在現(xiàn)代高科技領域中的重要意義；教學目的一、安許茨型陀螺羅經(jīng)、斯伯利型陀螺羅經(jīng)、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)及光纖陀螺羅經(jīng)四種不同陀螺羅經(jīng)的發(fā)展及應用的介紹，二、三種傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的優(yōu)缺點進行比較及對光纖陀螺羅經(jīng)的發(fā)展趨勢，三、討論光纖陀螺羅經(jīng)的應用及其不足。重點：目錄

陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點的比較1傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類及主要特點2光纖陀螺羅經(jīng)3結論4長期以來，磁羅經(jīng)作為測定船舶方位用的的指向儀器，在各類船舶上得到廣泛應用。然而隨著航海事業(yè)和造船技術的發(fā)展，鋼船代替了木船，特別是大中型船舶和潛水艇的出現(xiàn)，使船磁對羅經(jīng)指北影響劇增，另一方面隨著人類對極地的探索，在地球磁場影響巨大的兩極地區(qū)，磁羅經(jīng)完全失效，其可靠性和精確度遠不能滿足要求，這就促使人們尋求新的指向儀器，不久陀螺羅經(jīng)問世了。一、陀螺羅經(jīng)與磁羅經(jīng)優(yōu)缺點的比較

指向精度高;

多個復示器;主要優(yōu)點

有利于船舶自動化;

不受磁干擾影響，指向誤差小;

安裝位置不受限制等。

必須有電源才能工作（可靠性較差）;主要缺點：

工作原理、結構復雜。二、傳統(tǒng)陀螺羅經(jīng)的分類

1、安許茨型陀螺羅經(jīng)

2、斯伯利型陀螺羅經(jīng)

3、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)1、安許茨型陀螺羅經(jīng)及主要特點（1）靈敏部分為雙轉子陀螺球，動量矩指北；（2）陀螺球由支承液體支承，電磁上托線圈定位；（3）陀螺球重心下移產生重力控制力矩；（4）液體阻尼器在陀螺球水平軸產生阻尼力矩，屬于水平軸阻尼方式，不產生緯度誤差；（5）主要誤差為速度誤差，采用查表計算法消除；（6）不能進行快速啟動，啟動時，穩(wěn)定指北的時間約為4h。2、斯伯利型陀螺羅經(jīng)及主要特點結構特點：1、靈敏部分為單轉子陀螺球，采用液浮和軸承輔助支撐。2、利用液體連通器產生水平控制力矩；陀螺房西側阻尼重物產生垂直軸阻尼力矩。3、采用靜止逆變器提供陀螺三相電，內補嘗法消除速、緯誤差。4、羅經(jīng)小型化，可實現(xiàn)快速轉動（1）早期的斯伯利型陀螺羅經(jīng)均為水銀器單轉子擺式羅經(jīng)（2）近期的斯伯利系列羅經(jīng)多屬液體連接器單轉子擺式羅經(jīng)3、阿瑪一勃朗陀螺羅經(jīng)及主要特點機械陀螺羅經(jīng)的特點1、均需要液體或軸承進行支撐2、均需要控制力矩，阻尼重物等，保持指北穩(wěn)定，結構較為笨重。3、安許茨型主要誤差為速度誤差，采用查表計算法消除。斯伯利型采用靜止逆變器提供陀螺三相電內補償法消除速、緯誤差。阿瑪一勃朗型外補償法、內補償法、查表計算法消除緯度誤差，速度誤差。4、正常啟動儀器會花費很長時間。陀螺的種類機械式陀螺光學陀螺液浮陀螺儀氣浮陀螺儀磁懸浮陀螺儀靜電陀螺儀動力調諧陀螺儀微機械陀螺激光陀螺儀光纖陀螺儀60年代后，陀螺儀的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出兩種分支：

追求更高的精度低成本小型化(forSINS)對更高精度的追求框架支撐系統(tǒng)的改進–液浮,氣浮,磁懸浮精度優(yōu)于10e-7deg/h三、光纖陀螺羅經(jīng)1、光纖陀螺的簡介光纖陀螺是一種用于慣性導航的光纖傳感器。陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器。光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學原理制成的具有陀螺效應的傳感器。因其無活動部件——高速轉子，稱為固態(tài)陀螺儀。光纖陀螺(FOG):更好地適應SINS的需求原理和特點:Sagnac效應,外部激光源,介質為光纖.優(yōu)點:成本低、體積小、重量輕發(fā)展：1967---由Pircher和Hepner首次提出1970s--光纖技術的發(fā)展1976---Utah大學的Vali教授第一次演示.1978---McDonnellDouglas制造出首批產品自1980s后,美國的Litton,Honeywell,Draper和英國,法國,德國,日本和前蘇聯(lián)也迅速跟進.國內情況1980s早期,原理性研究(大學中)1980s后期,產品研制2000s,行業(yè)應用Precision:國外:0.0010/h

國內:0.010/h2、光纖陀螺的工作原理光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac效應,如圖1所示,在同一光學回路中,沿順時針方向(CW)逆時針方向(CCW)傳播的兩束光,當回路繞垂直于自身的軸轉動時將使兩束光產生相位差,該相位差的大小與光回路的旋轉速率成比例。圖1:Sagnac效應原理圖3、光纖陀螺的分類干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應用最廣泛；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)光學系統(tǒng)的構成：集成光學型和全光纖型光纖陀螺結構：單軸和多軸光纖陀螺回路類型：開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺干涉型光纖陀螺是研究開發(fā)最早、技術最為成熟的光纖陀螺，屬第一代光纖陀螺，它是利用干涉測量技術把相位調制光轉變?yōu)檎穹{制光，把光相位的直接測量轉化成光強度測量，這樣就能比較簡單地測出薩格納克相位變化。干涉型光纖陀螺的光纖元器件一般都用單模光纖或保偏光纖制作。目前，低、中性能的干涉型光纖陀螺已經(jīng)實用化，而高性能干涉型光纖陀螺正處于研制之中。1.干涉型光纖陀螺(IFOG)2.諧振型光纖陀螺(RFOG)諧振型光纖陀螺是第二代光纖陀螺，它是通過檢測旋轉非互易性造成的順、逆時針兩行波的頻率差來測量角速率。采用無源諧振腔的R—FOG的基本結構是由光纖構成一個諧振腔，其諧振頻率隨薩格納克效應的大小而改變，由此測量旋轉角速度。諧振型光纖陀螺的研究較晚，主要用來解決光源的波長穩(wěn)定性，對光源的要求十分苛刻，在技術上還不太成熟，但是很多研究人員認為它能提供最大潛在的精度。3.布里淵型光纖陀螺(BFOG)布里淵型光纖陀螺是第三代光纖陀螺，又稱光纖環(huán)形激光陀螺，或受激布里淵散射光纖環(huán)形激光陀螺。采用有源諧振腔的布里淵光纖陀螺是利用高功率光在光纖中激發(fā)布里淵散射光的光纖陀螺儀。當光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴娺_到一定程度時就會產生布里淵散射，散射光的頻率由于受薩格奈克效應的影響，順、逆時針的兩束布里淵散射光的頻差與旋轉角速度成正比。檢測順逆時針方向光波產生的散射光的頻率，并進行拍頻處理，就可以得到光纖環(huán)的旋轉角速度。光纖陀螺的實現(xiàn)如圖2所示,從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束,分別沿順時針方向及逆時針方向進入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中,當環(huán)形回路以角速度作順時針旋轉時,由Fizeau效應有:。圖2光纖陀螺工作原理圖3、光纖陀螺的工作原理由式(1)-(2)計算可得:進而可以求得兩束光之間的相位差:3、光纖陀螺的工作原理實際上為了提高測量精度、減小陀螺體積,一般將總長度為L的光纖繞制成N匝直徑為D的線圈,則(4)式可修正為:式中:為環(huán)形光纖回路所圍的面積,K為光波波長。通過解調相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋轉角速度。3、光纖陀螺的工作原理干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結構上就是如圖2所示的Sagnac干涉儀,通過檢測干涉光強得到光的相位變化信息。光強與相移的關系是一個隆起的余弦函數(shù):3、光纖陀螺的工作原理光纖羅經(jīng)的特征無轉動部件，采用固態(tài)技術，很少維修利用操作單元菜單操作精度高，啟動時間短符合IMO要求有轉向速率輸出結構緊湊，重量輕，耗能小可自校基線誤差，用串口輸出數(shù)據(jù)提供航向、縱搖、橫搖信息光纖陀螺采用的是光纖環(huán)，具有普通的機械陀螺所不具有的獨特優(yōu)點：結構簡單、耐振動、工作壽命長、響應速度快、精度高、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、無加速度引起的漂移且重量輕、成本低、可靠性優(yōu)于機械陀螺等，因光纖陀螺具有更多的優(yōu)勢。圖為各種類型的光纖陀螺。

光纖陀螺的應用領域在立足陸用的同時,向航空、航海和航天領域發(fā)展,如布撒器、制導導彈、艦載火炮以及潛艇、衛(wèi)星等。將來光纖陀螺必將在更為廣泛的領域發(fā)揮重要的作用。光纖陀螺代表著未來慣性器件的發(fā)展方向,世界各國都在不斷加大對光纖陀螺的研究,我國也已將其列為慣性技術領域重點發(fā)展的技術之一。隨著光纖制造技術和集成光路技術的不斷發(fā)展,光纖陀螺產品將向著多元化、小型化、實用化方向發(fā)展,并會在國防軍事、科學研究、以及人們的生產生活等方面擁有越來越廣闊的應用前景。4、光纖陀螺的應用光纖陀螺應用領域l

戰(zhàn)略導彈系統(tǒng)和潛艇導航應用；l

衛(wèi)星定向和跟蹤；l

天體觀測望遠鏡的穩(wěn)定和調向；l

各種運載火箭應用；l

艦船、巡航導彈和軍、民用飛機的慣性導航；l

光學羅盤及高精度尋北系統(tǒng)；l

戰(zhàn)術武器制導與控制系統(tǒng)；l

陸地導航系統(tǒng)(+GPS)；l

姿態(tài)／航向基準系統(tǒng)；

l

汽車導航儀、天線／攝像機的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機器人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領域。光纖陀螺應用級別劃分

速率級光纖陀螺已經(jīng)產業(yè)化，主要應用于機器人、地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導航等對精度要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產的這種精度的陀螺儀，已大批量應用到民用領域。

戰(zhàn)術級光纖陀螺具有壽命長、可靠性高和成本低等優(yōu)點，主要用于戰(zhàn)術導彈、近程/中程導彈和商用飛機的姿態(tài)對準參考系統(tǒng)中。

慣性級、戰(zhàn)略級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國有關公司和研究機構是研制、生產該級別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。光纖陀螺應用級別劃分5、影響光纖陀螺誤差的因素五、結論