光学陀螺仪教材
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2018/8/10
RB
4A RB L
速率偏频的量级为100°/s， 换向周期10s，采用无刷直流 力矩电机驱动，利用霍尔效 应控制的电子开关进行换向。
21
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---磁镜偏频
由于磁光效应，反射镜的磁光介质反射膜层在外加横向磁场作用下，使入 射的p偏振光反射后产生附加相位，而s光不产生相移，磁场交变时产生的 B c 频差为： 2018/8/10 22
（1）必须在环形激光器内维持相向行波模对
dx
ccw 0 2 A 0 ccw L
（2）相向行波模对应以单横模和单纵模运转 （3）环形激光器的工作波长应有利于光电探测
2018/8/10
18
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术 偏频就是给环形激光器输入一个特定的偏频量，以克服低转速条件下 的闭锁效应。 偏频方法主要有： • • • • 机械小幅高频抖动交变偏频 机械式大幅低频交变旋转速率偏频 磁镜式高频磁光效应偏频 四频差动偏频技术
2018/8/10
15
§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
2018/8/10
7
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
分束器
反射镜 摄 像 头
ED E(1 cos Δ j sin Δ )
I D ED
2
2 I (1 cos Δ )
光源
旋转驱动 轮
2018/8/10
16
§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
激光陀螺的增益介质的小信号增益系数相当小，有效增益长度较短， 因此只有用稳定谐振腔（简称稳定腔）方能稳定运转。激光陀螺标度因数 的稳定需采用主动稳频方法稳定谐振腔光程长。为此，通常也必须采用稳 定腔。所谓稳定腔是指能保持一个以上模式的光线在该腔内经过无数次周 而复始的运行后也不偏离腔体轴线而横向逸出的光学谐振腔。
2018/8/10
4
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
tccw
L tcw L/(c RΩ ) ( 1 c t L/(c RΩ ) L ( 1 ccw c
RΩ ) c tcw RΩ ) c
R
Ω
t N (tcw tccw ) 4 NR Ω/ c (4NA / c )Ω
第 四 章 光学角速度敏感器
2018/8/10
1
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
旋转质量和振动陀螺是以牛顿运动定律为基础的机 电式惯性器件，其基本特性在于运动物体在惯性空间中 的动量守恒。光学角速度敏感器是以光的惯性特性为基 础的另一类角速度敏感器 光学角速度敏感器-----光学陀螺仪
2018/8/10
B
2L
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---多频激光陀螺
在同一谐振腔内维持两对互不影响的相向行波膜对，再利用某种光学方 法使每一行波模对的正反向行波之间形成一固定的偏频量，而且在进行 信号处理中能使两对行波的偏频量互相抵消，则可以实现完全无机械转 动部件的激光陀螺。 2018/8/10 23
L L L 4A(1 )
2018/8/10 13
§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
环形激光陀螺是以双向行波激光器为核心的量子光学仪表。 由环形激光器、偏频组件、 程长控制组件、信号读出 系统、逻辑电路、电源组 件及安装结构和电磁屏蔽 罩等组成。 依靠环形行波激光器内双向 行波间的谐振频差来测量载 体相对惯性空间的角速度。
2
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺
谐振型（频率式）光学陀螺
干涉型（相位式）光学陀螺 干涉式多匝光纤陀螺
有源谐振腔型光学陀螺
ห้องสมุดไป่ตู้
无源谐振腔型光学陀螺 连续波运转 调制方式运转
四频差动激光陀螺
二频差动激光陀螺
2018/8/10
3
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺与机电式陀螺有着不同的工作机理，没有机电 式陀螺中机械转子产生的机械噪声和信号器产生的电气噪声， 光学陀螺的噪声通常只处于量子效应水平。相对而言，光学 陀螺的测量阈值一般要比机电陀螺高，但光学陀螺的长期稳 定性要好于机电式陀螺。
灵敏度：
2018/8/10
dI / dΔ 2I sin Δ
8
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
Lcw q cw Lccw q ccw
qc cw L cw qc ccw Lccw
2018/8/10
2 A Lcw qcw L c 2 A Lccw qccw L c
性能稳定，抗干扰能力强，精度较高，动态范围宽。 无高速转动部件，寿命长,可靠性好，启动迅速 ，不需恒温。 既是速率陀螺又是积分陀螺 ，成本较低。
2018/8/10 12
§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
实际上，当输入角速 度较小时，输出特性将 偏离直线，当输入角速 度小于某一临界值时输 出拍频信号为零。这时， 激光陀螺对输入角速度 无反应，输出信号被闭 锁。
2018/8/10
26
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术
调制信号
发生器
校正网络
PZT驱动电源 强度包络检测 温度检测
相敏检波
2018/8/10
2
带通滤波
放大器
27
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
3．信号读出与处理技术
环形激光陀螺对惯性转动的敏感信息包含于环形激光器内相向运行的行 波模对的频差之中。采用光学拍频方法可以检测。但普通的拍频只能检测出 频差的绝对值，而反映转动方向的符号却不能检测。只有采用特殊的合光棱 镜和光电对管相结合，构成信号读出系统，才能同时检测频差大小和正负， 解算出环形激光陀螺敏感的惯性转动信息。
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术 任何一个环形激光腔的面积和振荡于其中的激光波长都取决于环形腔 的程长，程长决定着标度因数的精度及其稳定性。 引起程长变化的最直接、最重要的原因是腔体本身及腔内介质的热胀冷 缩。采用热胀系数极低的石英玻璃或微晶玻璃制作腔体，可以减小因温度变 化所致的程长波动，但却很难达到高精度激光陀螺所要求的标度因数稳定性。 因此，必须采用有效的主动手段来控制波长。 程长控制的基本方法 ： 通常采用激光增益曲线稳频技术来实现。
2018/8/10
19
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---机械小幅高频抖动交变偏频
r ( DB ) M sin(2f DB t )
2018/8/10 20
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---速率偏频
速率偏频通常是以 恒定值的速率绕输 入轴沿一个方向转 动T/2的时间，再 换一个方向转动半 个周期，在每半个 周期内，激光陀螺 的偏置是一个恒量。
2018/8/10 14
§4.2
环形激光陀螺仪
二 环形激光器
激光陀螺的核心部件，由它形成的正反向行波激光振荡 是激光陀螺实现转速测量的基础。决定激光陀螺的性能，所 有激光器中，只有环形行波激光器才可能由Sagnac效应产生 出反映角速度的差频信号。 环形激光器必须满足一定的条件才能用于激光陀螺， 并非所有的环形激光器都可以用于激光陀螺。
四 开环IFOG
2018/8/10
32
§4.3 干涉式光纤陀螺
四 开环IFOG
Hitachi Fiber - Optic Gyro
2018/8/10 33
§4.3 干涉式光纤陀螺
五 闭环IFOG
2018/8/10
34
§4.4 谐振式光纤陀螺
用单模光纤构成环形谐振腔，通过检测谐振腔中顺、逆 时针传播的两光束之间由转动引起的谐振频差，实现转动速 率的度量，即构成谐振器型光纤陀螺。在该陀螺中，为了抵 消谐振腔长随温度变化和机械变化带来的影响，必须采用顺、 逆时针传播的两路光，此外，还应采取各种措施抑制噪声、 提高零点稳定性。 谐振腔型光纤陀螺与干涉型光纤陀螺相反，要求使用相 干性高的光源。谐振腔型光纤陀螺存在一个最佳光纤长度， 且不过几米到几十米，因此，用极短的光纤就可以构成这种 光纤陀螺，使之更易小型化。
正、反向行波频差 的时间积分：
可以用光学拍频的方 法检测频差和脉冲数， 求得每一瞬时的转速 和转动角度
4A 4A N dt dt L 0 L 0
t
t
L
4A
L
4A
N
2018/8/10
11
§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
目前在惯性技术领域已获得卓有成效实际应用的非机 电式高精度惯性敏感仪表，作为一种光电式惯性敏感器， 它无需机电式陀螺所必需的高速转子，性能优势明显。特 别适用于捷联式惯性导航系统。 与传统的机电式陀螺及其它类型的陀螺相比，具有突 出优点和性能特征：
2018/8/10 6
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
在任意几何形状的闭合光路中，从某一个观察点发出 的一对光波沿相反方向运行又回到该观察点时，这对光波 的相位（光程）将因闭合环形光路相对惯性空间的旋转而 不同。其相位差（或光程差）的大小与光路的转动速率成 正比。
L0 qc 0
采用压电元件驱动环形腔的一面或多面反射镜沿反射镜的法线方向平移来 调节光腔长度，从而把纵模频率稳定于中心频率。
2018/8/10 25
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术
V Vdc Vac Vdc V0 sin(ωt)
q qdc q sin(t )
2018/8/10
24
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术 程长控制的基本方法 ： 采用激光增益曲线稳频技术来实现：以增益曲线的中心频率作为频率 基准，通过自动控制回路将落在激光增益轮廓内的特定纵模锁定在增益轮 廓的中心频率处。
q qc / L
q 0
相当于：
L L
9
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
正反向行波间的频差
cw ccw
其中：
4A L
4A L
：比例因子
cw ccw
2
2018/8/10
cw ccw
2
10
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
2 2 2
2018/8/10
S
ΔL cΔt 4 ANΩ / c ( Ld / c)Ω
5
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
Sagnac效应相位差
Δ 2 Δt / T 2 fΔt (8 AN / c)
干涉条纹移动距离
x (4 AN / c) (4dL / c) Ko
2018/8/10 35
M3
M3
M3
M1
M2
M1
M2
M1
R 4 3 l 3
M2
l R (l 3 ) sec( ) 2 2
2018/8/10
ll 2sec( ) 3 R l3 sec( ) 2 2l l3 2
2l sec( ) R 2
17
§4.2
环形激光陀螺仪
2．用于激光陀螺的环形激光器应满足的条件
利用数字信号处理技术，是目前RLG信号处理的一个研究热点。
2018/8/10
28
§4.3 干涉式光纤陀螺
一 IFOG构成
2018/8/10
29
§4.3 干涉式光纤陀螺
二 IFOG的光纤环
2018/8/10
30
§4.3 干涉式光纤陀螺
三 IFOG的其它光学元件
2018/8/10
31
§4.3 干涉式光纤陀螺
RB
4A RB L
速率偏频的量级为100°/s， 换向周期10s，采用无刷直流 力矩电机驱动，利用霍尔效 应控制的电子开关进行换向。
21
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---磁镜偏频
由于磁光效应，反射镜的磁光介质反射膜层在外加横向磁场作用下，使入 射的p偏振光反射后产生附加相位，而s光不产生相移，磁场交变时产生的 B c 频差为： 2018/8/10 22
（1）必须在环形激光器内维持相向行波模对
dx
ccw 0 2 A 0 ccw L
（2）相向行波模对应以单横模和单纵模运转 （3）环形激光器的工作波长应有利于光电探测
2018/8/10
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§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术 偏频就是给环形激光器输入一个特定的偏频量，以克服低转速条件下 的闭锁效应。 偏频方法主要有： • • • • 机械小幅高频抖动交变偏频 机械式大幅低频交变旋转速率偏频 磁镜式高频磁光效应偏频 四频差动偏频技术
2018/8/10
15
§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
2018/8/10
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
分束器
反射镜 摄 像 头
ED E(1 cos Δ j sin Δ )
I D ED
2
2 I (1 cos Δ )
光源
旋转驱动 轮
2018/8/10
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
激光陀螺的增益介质的小信号增益系数相当小，有效增益长度较短， 因此只有用稳定谐振腔（简称稳定腔）方能稳定运转。激光陀螺标度因数 的稳定需采用主动稳频方法稳定谐振腔光程长。为此，通常也必须采用稳 定腔。所谓稳定腔是指能保持一个以上模式的光线在该腔内经过无数次周 而复始的运行后也不偏离腔体轴线而横向逸出的光学谐振腔。
2018/8/10
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
tccw
L tcw L/(c RΩ ) ( 1 c t L/(c RΩ ) L ( 1 ccw c
RΩ ) c tcw RΩ ) c
R
Ω
t N (tcw tccw ) 4 NR Ω/ c (4NA / c )Ω
第 四 章 光学角速度敏感器
2018/8/10
1
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
旋转质量和振动陀螺是以牛顿运动定律为基础的机 电式惯性器件，其基本特性在于运动物体在惯性空间中 的动量守恒。光学角速度敏感器是以光的惯性特性为基 础的另一类角速度敏感器 光学角速度敏感器-----光学陀螺仪
2018/8/10
B
2L
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---多频激光陀螺
在同一谐振腔内维持两对互不影响的相向行波膜对，再利用某种光学方 法使每一行波模对的正反向行波之间形成一固定的偏频量，而且在进行 信号处理中能使两对行波的偏频量互相抵消，则可以实现完全无机械转 动部件的激光陀螺。 2018/8/10 23
L L L 4A(1 )
2018/8/10 13
§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
环形激光陀螺是以双向行波激光器为核心的量子光学仪表。 由环形激光器、偏频组件、 程长控制组件、信号读出 系统、逻辑电路、电源组 件及安装结构和电磁屏蔽 罩等组成。 依靠环形行波激光器内双向 行波间的谐振频差来测量载 体相对惯性空间的角速度。
2
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺
谐振型（频率式）光学陀螺
干涉型（相位式）光学陀螺 干涉式多匝光纤陀螺
有源谐振腔型光学陀螺
ห้องสมุดไป่ตู้
无源谐振腔型光学陀螺 连续波运转 调制方式运转
四频差动激光陀螺
二频差动激光陀螺
2018/8/10
3
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺与机电式陀螺有着不同的工作机理，没有机电 式陀螺中机械转子产生的机械噪声和信号器产生的电气噪声， 光学陀螺的噪声通常只处于量子效应水平。相对而言，光学 陀螺的测量阈值一般要比机电陀螺高，但光学陀螺的长期稳 定性要好于机电式陀螺。
灵敏度：
2018/8/10
dI / dΔ 2I sin Δ
8
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
Lcw q cw Lccw q ccw
qc cw L cw qc ccw Lccw
2018/8/10
2 A Lcw qcw L c 2 A Lccw qccw L c
性能稳定，抗干扰能力强，精度较高，动态范围宽。 无高速转动部件，寿命长,可靠性好，启动迅速 ，不需恒温。 既是速率陀螺又是积分陀螺 ，成本较低。
2018/8/10 12
§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
实际上，当输入角速 度较小时，输出特性将 偏离直线，当输入角速 度小于某一临界值时输 出拍频信号为零。这时， 激光陀螺对输入角速度 无反应，输出信号被闭 锁。
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§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术
调制信号
发生器
校正网络
PZT驱动电源 强度包络检测 温度检测
相敏检波
2018/8/10
2
带通滤波
放大器
27
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
3．信号读出与处理技术
环形激光陀螺对惯性转动的敏感信息包含于环形激光器内相向运行的行 波模对的频差之中。采用光学拍频方法可以检测。但普通的拍频只能检测出 频差的绝对值，而反映转动方向的符号却不能检测。只有采用特殊的合光棱 镜和光电对管相结合，构成信号读出系统，才能同时检测频差大小和正负， 解算出环形激光陀螺敏感的惯性转动信息。
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术 任何一个环形激光腔的面积和振荡于其中的激光波长都取决于环形腔 的程长，程长决定着标度因数的精度及其稳定性。 引起程长变化的最直接、最重要的原因是腔体本身及腔内介质的热胀冷 缩。采用热胀系数极低的石英玻璃或微晶玻璃制作腔体，可以减小因温度变 化所致的程长波动，但却很难达到高精度激光陀螺所要求的标度因数稳定性。 因此，必须采用有效的主动手段来控制波长。 程长控制的基本方法 ： 通常采用激光增益曲线稳频技术来实现。
2018/8/10
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§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---机械小幅高频抖动交变偏频
r ( DB ) M sin(2f DB t )
2018/8/10 20
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
1．偏频技术---速率偏频
速率偏频通常是以 恒定值的速率绕输 入轴沿一个方向转 动T/2的时间，再 换一个方向转动半 个周期，在每半个 周期内，激光陀螺 的偏置是一个恒量。
2018/8/10 14
§4.2
环形激光陀螺仪
二 环形激光器
激光陀螺的核心部件，由它形成的正反向行波激光振荡 是激光陀螺实现转速测量的基础。决定激光陀螺的性能，所 有激光器中，只有环形行波激光器才可能由Sagnac效应产生 出反映角速度的差频信号。 环形激光器必须满足一定的条件才能用于激光陀螺， 并非所有的环形激光器都可以用于激光陀螺。
四 开环IFOG
2018/8/10
32
§4.3 干涉式光纤陀螺
四 开环IFOG
Hitachi Fiber - Optic Gyro
2018/8/10 33
§4.3 干涉式光纤陀螺
五 闭环IFOG
2018/8/10
34
§4.4 谐振式光纤陀螺
用单模光纤构成环形谐振腔，通过检测谐振腔中顺、逆 时针传播的两光束之间由转动引起的谐振频差，实现转动速 率的度量，即构成谐振器型光纤陀螺。在该陀螺中，为了抵 消谐振腔长随温度变化和机械变化带来的影响，必须采用顺、 逆时针传播的两路光，此外，还应采取各种措施抑制噪声、 提高零点稳定性。 谐振腔型光纤陀螺与干涉型光纤陀螺相反，要求使用相 干性高的光源。谐振腔型光纤陀螺存在一个最佳光纤长度， 且不过几米到几十米，因此，用极短的光纤就可以构成这种 光纤陀螺，使之更易小型化。
正、反向行波频差 的时间积分：
可以用光学拍频的方 法检测频差和脉冲数， 求得每一瞬时的转速 和转动角度
4A 4A N dt dt L 0 L 0
t
t
L
4A
L
4A
N
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
目前在惯性技术领域已获得卓有成效实际应用的非机 电式高精度惯性敏感仪表，作为一种光电式惯性敏感器， 它无需机电式陀螺所必需的高速转子，性能优势明显。特 别适用于捷联式惯性导航系统。 与传统的机电式陀螺及其它类型的陀螺相比，具有突 出优点和性能特征：
2018/8/10 6
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
在任意几何形状的闭合光路中，从某一个观察点发出 的一对光波沿相反方向运行又回到该观察点时，这对光波 的相位（光程）将因闭合环形光路相对惯性空间的旋转而 不同。其相位差（或光程差）的大小与光路的转动速率成 正比。
L0 qc 0
采用压电元件驱动环形腔的一面或多面反射镜沿反射镜的法线方向平移来 调节光腔长度，从而把纵模频率稳定于中心频率。
2018/8/10 25
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术
V Vdc Vac Vdc V0 sin(ωt)
q qdc q sin(t )
2018/8/10
24
§4.2
环形激光陀螺仪
三 环形激光陀螺仪的关键技术
2．程长控制技术 程长控制的基本方法 ： 采用激光增益曲线稳频技术来实现：以增益曲线的中心频率作为频率 基准，通过自动控制回路将落在激光增益轮廓内的特定纵模锁定在增益轮 廓的中心频率处。
q qc / L
q 0
相当于：
L L
9
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
正反向行波间的频差
cw ccw
其中：
4A L
4A L
：比例因子
cw ccw
2
2018/8/10
cw ccw
2
10
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
2 2 2
2018/8/10
S
ΔL cΔt 4 ANΩ / c ( Ld / c)Ω
5
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
Sagnac效应相位差
Δ 2 Δt / T 2 fΔt (8 AN / c)
干涉条纹移动距离
x (4 AN / c) (4dL / c) Ko
2018/8/10 35
M3
M3
M3
M1
M2
M1
M2
M1
R 4 3 l 3
M2
l R (l 3 ) sec( ) 2 2
2018/8/10
ll 2sec( ) 3 R l3 sec( ) 2 2l l3 2
2l sec( ) R 2
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§4.2
环形激光陀螺仪
2．用于激光陀螺的环形激光器应满足的条件
利用数字信号处理技术，是目前RLG信号处理的一个研究热点。
2018/8/10
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§4.3 干涉式光纤陀螺
一 IFOG构成
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§4.3 干涉式光纤陀螺
二 IFOG的光纤环
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三 IFOG的其它光学元件
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