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1、光纤陀螺仪的基本工作原理、主要特点及应用情况,2012级双控 汪镜秋,.,.,国产光纤陀螺仪,.,就原理与结构而言，可以将光纤陀螺仪分为 （1）干涉式光纤陀螺仪 （2）谐振式光纤陀螺仪 （3）布里渊式光纤陀螺仪 （4）锁模光纤陀螺仪 （5）法-珀光纤陀螺仪,光纤陀螺仪分类,.,就有无反馈信号而言，可分为 （1）开环光纤陀螺仪 （2）闭环光纤陀螺仪 从相位解调方式来看，还可分为 （1）相位差偏置式光纤陀螺仪 （2）光外差式光纤陀螺仪 （3）延时调制式光纤陀螺仪,.,干涉式光纤陀螺仪原理图,.,.,.,各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用萨格奈克效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者
2、对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。根据萨格奈克效应，当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。,.,以干涉式光纤陀螺为例，如图所示，光源发出的光经分束器分为两束后，进入一半径为R的单模光纤环中，分别沿顺时针方向及逆时针方向反向传输，最后同向回到分束器形成干涉。,光纤陀螺的原理结构图,.,当环形光路相对于惯性参照系静止时，经顺、逆时针方向传播的光波回到分束器时有相同的光程，即两束光波的光程差等于
3、0；当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以角速度旋转时，则沿顺、逆时针方向传播的两波列光波在环路中传播一周产生的光程差为,式中： 为环形光路的面积；为真空中的光速。,.,对应于一个有N圈光纤组成的光纤环，相当于两列反向光波在环路中传播N周，产生总的萨格奈克相移为,式中： 为波数； 是绕在光纤环上的光纤总长度； 是真空中的波长。只要测得相移 ，即可求出转动角速度 。,.,推导过程如下：,.,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，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力； (2)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； (3)无机
4、械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命； (4)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；,光纤陀螺仪的优点,.,(5)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； (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使用，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)结构简单、价格低、体积小、重量轻。,.,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。这主要包括： (1)温度瞬态的影响。理论上，环形干涉
5、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化时才严格成立。实验证明，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，这是十分有害的，特别是在预热期间。,光纤陀螺仪的技术问题,.,(2)振动的影响。振动也会对测量产生影响，必须采用适当的封装以确保线圈良好的坚固性，内部机械设计必须十分合理，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，因此需要偏振滤波。消偏光纤可以抑制偏振，但是却会导致成本的增加。,.,卫星姿态控制,.,中国海军新型导弹配光纤陀螺仪 发射试验3发3中,.,.,Thank you！,.,