第三章光学惯性测量装置课件
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光学零部件的基本测量
干 涉 法
8
第一节 光学面形偏差的检测
特点：
具有更高的测试灵敏度和准确度； 绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会 对被测件带来表面损伤和附加误差；
较大的量程范围；
抗干扰能力强；
干 涉 法
操作方便；
在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领 域获得广泛应用。
9
第一节 光学面形偏差的检测
分类：
干涉测试技术
按光波 分光方式
按相干光束 传播路径
按用途
干 涉 法
动 态 干 涉
10
分 振 幅 式
分 波 阵 面 式
共 程 干 涉
非 共 程 干 涉
静 态 干 涉
第一节 光学面形偏差的检测
1、干涉的概念
1）相干光 （1）频率相同 （2）位相差恒定 （3）光矢量振动方向相同 （4）光程差小于波列长度
θ
影响干涉条纹对比度的因素 -f 在干涉测量中，采取尽量减小光源尺 a) ②光源大小与空间相干性 b) c) 寸的措施，固然可以提高条纹的对比 图4-3 光阑孔大小对干涉条纹对比度的影响 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源 干 图 4-2 等厚干涉仪中的扩展光源 度，但干涉场的亮度也随之减弱。 的尺寸，而光源的尺寸大小又会对各类干涉 涉 图样对比度有不同的影响 : 当采用激光作为光源时，因为光源上 法
12
1 §4-1 激光干涉测试技术基础 第一节 光学面形偏差的检测
K
在波动光学中，把光通过相干 x 长度所需要的时间称为相干时 1.2 影响干涉条纹对比度的因素 I 间，其实质就是可以产生干涉 ①光源的单色性与时间相干性 的波列持续时间，（其对应产 生干涉的两列波的光程差）。 如图，干涉场中实际见到的条纹是 λ到λ＋Δλλ干 λ+Δλ 因此，激光光源的时间相干性 中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。 涉 比普通光源好得多，一般在激 m 0 1 2 3 4 5 6 当λ＋Δ λ 的第m 级亮0 1 2 3 4 5 6 法 光干涉仪的设计和使用时不用 λ+Δ 图4-1 各种波长干涉条纹的叠加 考虑其时间相干性。 纹与λ的第m+1级亮纹重
精编第三章光学惯性测量装置
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主 讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师 张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
第三章 光学惯性测量装置
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
3）冗余配置型光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。惯性陀螺的结 构与性能特点有利于实现多表冗余配置，并获得精度和可靠性更 高的捷联惯性测量组合产品。这类产品中的光纤/激光陀螺和加速 度计数量分别都在3个以上。按光纤/激光陀螺冗余轴数目来划分， 常见的有四表和六表冗余配置方案，前者一般采用三轴正交一轴 斜置或对称斜置的配置方式，后者常采用六轴对称斜置的配置方 案。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
北京航空航天大学仪器仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
上述几类光纤/激光陀螺测量装置既可单独形成产品应用到实际 中（如用于卫星、飞船的姿态测量等），也可与其他设备或软件 组成功能更强的各类应用系统，主要包括基于光纤/激光陀螺的惯 性导航/制导系统、惯性组合导航系统、惯性航姿测量系统、寻北 系统、定位/定向系统等。因此，光纤/激光陀螺惯性测量装置是 各类光纤/激光陀螺应用系统的硬件基础，直接影响应用系统的技 术性能，通过对其结构与电气部件、误差建模与补偿软件、环境 适应性与可靠性等方面的优化设计，实现其整体性能的提升，是 提高各类光纤/激光陀螺应用系统整体性能水平的重要前提。
光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主 讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师 张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
第三章 光学惯性测量装置
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
3）冗余配置型光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。惯性陀螺的结 构与性能特点有利于实现多表冗余配置，并获得精度和可靠性更 高的捷联惯性测量组合产品。这类产品中的光纤/激光陀螺和加速 度计数量分别都在3个以上。按光纤/激光陀螺冗余轴数目来划分， 常见的有四表和六表冗余配置方案，前者一般采用三轴正交一轴 斜置或对称斜置的配置方式，后者常采用六轴对称斜置的配置方 案。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
北京航空航天大学仪器仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
上述几类光纤/激光陀螺测量装置既可单独形成产品应用到实际 中（如用于卫星、飞船的姿态测量等），也可与其他设备或软件 组成功能更强的各类应用系统，主要包括基于光纤/激光陀螺的惯 性导航/制导系统、惯性组合导航系统、惯性航姿测量系统、寻北 系统、定位/定向系统等。因此，光纤/激光陀螺惯性测量装置是 各类光纤/激光陀螺应用系统的硬件基础，直接影响应用系统的技 术性能，通过对其结构与电气部件、误差建模与补偿软件、环境 适应性与可靠性等方面的优化设计，实现其整体性能的提升，是 提高各类光纤/激光陀螺应用系统整体性能水平的重要前提。
光学三维测量技术 ppt课件
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
1 概述
光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于 一体的智能化，可视化的高新技术，主要用于对物体空 间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得 物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和科技的 进步，光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度 高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、 玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，其中三维激光 扫描技术发展的最为成熟，应用也最为广泛。
基于结构光的主动三角法
被动三角法 数字摄影测量技术
双目视觉
点光源法 点照明
1D线探测器 2D扫描
线光源法 线照明
2D线探测器 1D扫描
面光源法 面照明 2D线探测器 不需要扫描
莫尔轮廓 如：阴影莫尔
投射莫尔
23-01
序列编码技术
相位测量技术
如：格雷（Gray 如：相位测量轮廓术
）
傅里叶变换轮廓术
编码序列
彩色编码技术
如：彩色多通道 编码实现相移
2 测量原理
23-01
2 测量原理
23-01
3 应用
1、逆向工程：
逆向工程是一种新的制造手段和系统，通过对已有样件或模型 的内外轮廓进行精确测量，获得其三维数据，配合计算机软件系统 进行曲面重建，并在线精度分析、评价构造效果，重构CAD模型， 生成IGES或STL数据，或者生成数控加工NC代码，据此进行快速成 型或CNC数控加工，从而大大缩短产品或模具的开发制造周期。利 用光学三维测量技术生成的虚拟模型可以实现快速响应设计制造， 3D光学数字化系统与CAD/CAM/CAE以及RP&M集成可以构成基于 虚拟模型的快速响应的设计和制造系统，主要优点包括：实际物体 的准确和完整的模型；提供原始CAD文件格式；曲面造型和参数实 体模型；在设计和制造中节省投入的时间和资金。
1 概述
光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于 一体的智能化，可视化的高新技术，主要用于对物体空 间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得 物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和科技的 进步，光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度 高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、 玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，其中三维激光 扫描技术发展的最为成熟，应用也最为广泛。
基于结构光的主动三角法
被动三角法 数字摄影测量技术
双目视觉
点光源法 点照明
1D线探测器 2D扫描
线光源法 线照明
2D线探测器 1D扫描
面光源法 面照明 2D线探测器 不需要扫描
莫尔轮廓 如：阴影莫尔
投射莫尔
23-01
序列编码技术
相位测量技术
如：格雷（Gray 如：相位测量轮廓术
）
傅里叶变换轮廓术
编码序列
彩色编码技术
如：彩色多通道 编码实现相移
2 测量原理
23-01
2 测量原理
23-01
3 应用
1、逆向工程：
逆向工程是一种新的制造手段和系统，通过对已有样件或模型 的内外轮廓进行精确测量，获得其三维数据，配合计算机软件系统 进行曲面重建，并在线精度分析、评价构造效果，重构CAD模型， 生成IGES或STL数据，或者生成数控加工NC代码，据此进行快速成 型或CNC数控加工，从而大大缩短产品或模具的开发制造周期。利 用光学三维测量技术生成的虚拟模型可以实现快速响应设计制造， 3D光学数字化系统与CAD/CAM/CAE以及RP&M集成可以构成基于 虚拟模型的快速响应的设计和制造系统，主要优点包括：实际物体 的准确和完整的模型；提供原始CAD文件格式；曲面造型和参数实 体模型；在设计和制造中节省投入的时间和资金。
惯性元件ppt(1)
形状对称的刚体，只要以其中心点为坐标系原点，选 取使刚体对称的轴为坐标轴，则刚体的三个惯性积必 然为0。这是因为在刚体内任意一点(xi,yi,zi)，必然存 在另外7个对称点：(xi，yi，-zi)、(xi，-yi，-zi)、(xi，yi，zi)、(-xi，yi,zi)、(-xi，yi，-zi)、(-xi,yi,-zi)、-xi,yi,zi)，这8个点的惯性积之和为0，因此整个刚体的三 个惯性积必为0：
对于小型陀螺而言，常用单位是克· 厘米2／秒。
例 设转子的转动惯量J=398g· cm2，转子的转速为 n=24000r／min，求转子的角动量。 解 转子的自转角速度为 n 2 24000 2 2513 .27 rad / s
角动量的大小为
60 60
H J 398 2513 .27 10 g cm / s
第六讲 第三章 惯性元件——陀螺仪与加速度计 1，陀螺仪能测得载体的转角或角速度， 2，加速度计能测得比力或加速度， 3，惯性元件；陀螺仪与加速度计依据的都是惯性力 或惯性矩．而且测量结果都是相对惯性空间的，所以 把陀螺仪和加速度计称作惯性元件。 陀螺仪和加速度计是惯性导航系统中使用的核心元件， 它们的类型和品质直接影响惯性导航系统的构成和工 作特性。
mi ( y z )
2 i 2 i
J y mi ( xi2 zi2 )
2 i 2 i
J z mi ( y x ) J xy mi xi yi J yz mi yi zi J zx mi xi zi
得
用陀螺动量矩H在惯性空间的转动角速度来表示 H的矢端速度vH则有
vH H
H M
式中，ω是H相对惯性空间的进动角速度，该式表示 了进动角速度ω与动量矩H及外力矩M之间的关系。 图3-4(a)、(b)分别给出了沿内环轴方向施加力矩 和沿外环轴方向施加力矩时陀螺转子的进动情况。 进动时，动量矩的方向总是沿捷径方向向外力矩方 向靠拢
光学惯性测量与导航系统--关键惯性器件 ppt课件
探测器感受到的光强为：
ID ED 2 pp2t课I件(1 cos)
8
2.1 光学陀螺概述
光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应
I KI 0 (1 cos(s))
光的相位差不能直接测量，可以测量的是光功率或频
率差。
ppt课件
9
2.1 光学陀螺概述
光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应
2.1 光学陀螺概述
激光陀螺研制和生产现状
目前世界上研制和生产激光陀螺的国家主要有美、英、德、法、日本 和俄罗斯。美国的霍尼韦尔和利顿公司最具实力，特别是霍尼韦尔公 司代表着全世界激光陀螺技术的最高水平，世界上激光陀螺主要来自 霍尼韦尔公司，其次有部分产品来自利顿公司。
激光陀螺的发展史 一、研究起步阶段 1897年英国物理学家洛奇提出了光学陀螺的概念 1913年Sagnac论证了光学陀螺的工作原理及基本效应 1960年激光问世 1963年美国斯佩里公司宣布他们用环形行波激光器感测
旋转速率获得成功，研制出第一台激光陀螺实验装置
ppt课件
12
2.1 光学陀螺概述
二、重大突破阶段
1965-1974年，世界各研究单位埋头解决激光陀螺固有的闭锁效应 以及零漂误差等难题，解决了许多关键技术
1975年霍尼韦尔公司取得巨大突破，研制出实用的激光陀螺 三、实用阶段
1978年霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产
1982年霍尼韦尔公司的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入 民航使用；至1983年9月，霍尼韦尔公司为波音公司研制的激光陀螺 惯性基准装置已有216套，飞行时间长达50万小时
大于 2R，它的值为： Lcw 2R Rtcw ccw tcw
ID ED 2 pp2t课I件(1 cos)
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2.1 光学陀螺概述
光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应
I KI 0 (1 cos(s))
光的相位差不能直接测量，可以测量的是光功率或频
率差。
ppt课件
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2.1 光学陀螺概述
光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应
2.1 光学陀螺概述
激光陀螺研制和生产现状
目前世界上研制和生产激光陀螺的国家主要有美、英、德、法、日本 和俄罗斯。美国的霍尼韦尔和利顿公司最具实力，特别是霍尼韦尔公 司代表着全世界激光陀螺技术的最高水平，世界上激光陀螺主要来自 霍尼韦尔公司，其次有部分产品来自利顿公司。
激光陀螺的发展史 一、研究起步阶段 1897年英国物理学家洛奇提出了光学陀螺的概念 1913年Sagnac论证了光学陀螺的工作原理及基本效应 1960年激光问世 1963年美国斯佩里公司宣布他们用环形行波激光器感测
旋转速率获得成功，研制出第一台激光陀螺实验装置
ppt课件
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2.1 光学陀螺概述
二、重大突破阶段
1965-1974年，世界各研究单位埋头解决激光陀螺固有的闭锁效应 以及零漂误差等难题，解决了许多关键技术
1975年霍尼韦尔公司取得巨大突破，研制出实用的激光陀螺 三、实用阶段
1978年霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产
1982年霍尼韦尔公司的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入 民航使用；至1983年9月，霍尼韦尔公司为波音公司研制的激光陀螺 惯性基准装置已有216套，飞行时间长达50万小时
大于 2R，它的值为： Lcw 2R Rtcw ccw tcw
惯性器件_PPT课件
式中： 为波数； 是绕在光纤环上的光纤总长 K L 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：
光纤陀螺仪的优点 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；
(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。
光纤陀螺仪的技术问题
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。
惯性导航基本原理PPT课件
次积分而求得。要进行积分必须要知道初始条件: 初始速度，初始位置，初始姿态。而捷联惯导系统 中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内 以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的 初始变换矩阵。
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
12
平台式惯导系统组成
13
5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
14
Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6
21
2.对准要求 精确、快速。传感器精度高，同时对陀螺、加速
度计进行补偿
3.对准方法和过程 过程：分两步即粗对准和精对准 自主对准，不依赖外信息，受控式（依赖外信息） 方法：光的方法，天文的方法 粗对准：利用重力和地球自转角速率，直接估算
t
v i ( t ) v i ( t ) a i ( ) d 0 t0
t
r i ( t ) r i ( t ) v i ( u ) d u 0 t0
：视加速度，测量值；g ：引力加速度。
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平台式惯导系统组成
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5捷联惯性导航工作原理
陀螺、加速度计固联在载体上。 测量载体相对于惯性系的旋转角速度、加速 度矢量（在载体坐标系中的值）。然后依据初始 时刻载体的位置、速度及姿态，计算出载体坐标 系相对于惯性系的姿态角、加速度，对加速度一 次（二次）积分得到速度（位置）。
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Ri (t) Ri (t) b (t)
b
b
ib
33
33
33
f i(t) R i (t) f b(t)
b
31
31
0
z
y
b ib
z
0 x
y
x
0
其中
R i ：b系至 i系的旋转变换矩阵； b
b ：捷联陀螺测得的 b系相对于i系旋转角速度矢 ib
量在 b系中的值，、、 为其轴向分量。
2
0
x 1 f (t t )3
6
惯性器件.ppt
螺仪的工作原理 光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac) 效应。
光纤陀螺仪工作示意图
光纤陀螺仪
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，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力； (2)灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级 ； (3)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； (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)结构简单、价格低，体积小、重量轻．
摩擦及对策、漂移率
漂移、漂移率
漂移：受干扰影响，陀螺转子轴相对惯性空间的转动 漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率（度/小时） 惯性级精度：0.01度/小时 陀螺的发展历史： 消除各种有害力矩、降低漂移率的历史
傅科陀螺仪
傅科：法国地球物理学家(1819-1868) 验证地球自转 傅科陀螺仪 (1852)
傅科摆
(1851)
L=67m M=28kg A=6m
精度较低，无法验证地球自转
之后轴承工艺得到改进
陀螺罗经——航海方面的最早应用
人类早期航海采用磁罗盘（指南针） 19世纪后期，钢质轮船逐渐取代 木质轮船，磁罗盘无法再保证精度 在极地附近磁罗盘也会失灵
寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪
如果借助陀螺仪，需要解决实 时、自主寻北的问题
激光陀螺 60年代初开始研制，70年代进 入实用
1983-1994美国各类陀螺比例
振动陀螺、微机械陀螺 音叉振动陀螺、压电振动陀螺、 半球谐振陀螺
光纤陀螺 70年代开始研制，80年代初进 入实用
光纤陀螺仪工作示意图
光纤陀螺仪
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，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力； (2)灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级 ； (3)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； (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)结构简单、价格低，体积小、重量轻．
摩擦及对策、漂移率
漂移、漂移率
漂移：受干扰影响，陀螺转子轴相对惯性空间的转动 漂移率：陀螺转子轴漂移的角速率（度/小时） 惯性级精度：0.01度/小时 陀螺的发展历史： 消除各种有害力矩、降低漂移率的历史
傅科陀螺仪
傅科：法国地球物理学家(1819-1868) 验证地球自转 傅科陀螺仪 (1852)
傅科摆
(1851)
L=67m M=28kg A=6m
精度较低，无法验证地球自转
之后轴承工艺得到改进
陀螺罗经——航海方面的最早应用
人类早期航海采用磁罗盘（指南针） 19世纪后期，钢质轮船逐渐取代 木质轮船，磁罗盘无法再保证精度 在极地附近磁罗盘也会失灵
寻找能够替代磁罗盘的方位指使仪
如果借助陀螺仪，需要解决实 时、自主寻北的问题
激光陀螺 60年代初开始研制，70年代进 入实用
1983-1994美国各类陀螺比例
振动陀螺、微机械陀螺 音叉振动陀螺、压电振动陀螺、 半球谐振陀螺
光纤陀螺 70年代开始研制，80年代初进 入实用
光学测量的基础知识课件
光线传播速度
光在不同物质中传播速度一般不同，在真空中最快。
光线直线传播的应用
可应用于光学测量、定位、光学仪器等。
光学成像原理
01
02
03
成像原理
基于透镜或反射面的折射 或反射原理，将物体成像 于视网膜或探测器上。
成像公式
1/f = 1/u + 1/v，其中f 为透镜焦距，u为物距，v 为像距。
成像质量
光学测量通常采用非接触式测量方式 ，具有高精度、高分辨率、非破坏性 等优点。
光学测量特点
高精度
实时性
光学测量利用光的干涉、衍射等效应，可 以实现高精度的测量，达到纳米级甚至更 高级别的测量精度。
光学测量可以实现实时在线测量，可以在 生产过程中快速获取测量数据，及时调整 生产工艺，提高产品质量。
非接触性
环境监测
光学测量可以用于环境监测，如空气质量、水质、噪声等 环境参数的测量。
医学诊断
光学测量在医学领域也有广泛应用，如医学影像、光学显 微镜、激光治疗等。
科研领域
光学测量在科研领域也有重要应用，如物理实验、化学分 析、生物研究等。
02
光学测量基本原理
光线传播定律
光线传播方向
光线在均匀介质中沿直线传播，当通过不同介质时，会发生折射 和反射现象。
利用光谱和偏振等光学技术实现对大气污染物的监测，如 二氧化硫、氮氧化物等。
水质监测
利用光学技术实现对水体中的污染物、悬浮物、叶绿素等 物质的监测。
气象观测
利用光学技术实现对云层、风向、风速等气象参数的观测 。
光学测量在安全防范中的应用
光学防盗系统
利用红外、微波等光学技术实现 防盗报警，具有高灵敏度和高分 辨率等优势。
光在不同物质中传播速度一般不同，在真空中最快。
光线直线传播的应用
可应用于光学测量、定位、光学仪器等。
光学成像原理
01
02
03
成像原理
基于透镜或反射面的折射 或反射原理，将物体成像 于视网膜或探测器上。
成像公式
1/f = 1/u + 1/v，其中f 为透镜焦距，u为物距，v 为像距。
成像质量
光学测量通常采用非接触式测量方式 ，具有高精度、高分辨率、非破坏性 等优点。
光学测量特点
高精度
实时性
光学测量利用光的干涉、衍射等效应，可 以实现高精度的测量，达到纳米级甚至更 高级别的测量精度。
光学测量可以实现实时在线测量，可以在 生产过程中快速获取测量数据，及时调整 生产工艺，提高产品质量。
非接触性
环境监测
光学测量可以用于环境监测，如空气质量、水质、噪声等 环境参数的测量。
医学诊断
光学测量在医学领域也有广泛应用，如医学影像、光学显 微镜、激光治疗等。
科研领域
光学测量在科研领域也有重要应用，如物理实验、化学分 析、生物研究等。
02
光学测量基本原理
光线传播定律
光线传播方向
光线在均匀介质中沿直线传播，当通过不同介质时，会发生折射 和反射现象。
利用光谱和偏振等光学技术实现对大气污染物的监测，如 二氧化硫、氮氧化物等。
水质监测
利用光学技术实现对水体中的污染物、悬浮物、叶绿素等 物质的监测。
气象观测
利用光学技术实现对云层、风向、风速等气象参数的观测 。
光学测量在安全防范中的应用
光学防盗系统
利用红外、微波等光学技术实现 防盗报警，具有高灵敏度和高分 辨率等优势。
惯性及其应用ppt
智能交通
惯性技术在智能交通领域也有广泛的应用前景，如应用于车辆自动驾驶、交 通监控等领域。未来可以进一步探索如何将惯性技术与其他传感器技术相结 合，提高车辆自动驾驶的精度和安全性。
THANKS
谢谢您的观看
虚拟现实(VR)与增强现实(AR)的结合
利用惯性传感器捕捉头部和手部动作，实现更加自然、逼真的交互体验，提高用户体验。
开发更高效的界面
通过捕捉手部和头部动作，设计更为直观、自然的界面，使得用户与虚拟环境的交互更为便捷、直观。
惯性技术在智能设备领域的应用前景
智能手机的进化
将惯性传感器与智能手机结合，实现更为精确和直观的人机交互，提升用户体验 。
计算车辆的行驶状态，实现车辆的自动转向。
惯性测速仪
02
利用惯性原理，通过陀螺仪和加速度计等惯性传感器，感知和
计算车辆的行驶速度，实现车辆的自动测速。
惯性导航系统
03
在车辆导航系统中，利用惯性测量元件和控制系统，实现自主
导航和控制，指引驾驶员按照预定路线行驶。
惯性在工业领域的应用
惯性振动分析
利用惯性原理，通过陀螺仪和加速度计等惯性传感器，感知和分析设备的振动状态，检测 设备的工作状态和故障。
惯性及其应用
xx年xx月xx日
目录
• 惯性基本概念 • 惯性的来源及度量 • 惯性在各领域的应用 • 惯性技术的前景展望 • 总结与展望
01
惯性基本概念
惯性的定义
定义
惯性是指物体保持自身状态的性质，抵抗运动状态变化的能力。
影响因素
质量、距离、速度、加速度
惯性的物理属性
客观性
惯性是物体的固有属性，不依 赖于其他物体。
利用物体的转动惯量进行性进行碰撞检测，如计算机图形学中的碰撞检测算法。 利用物体的惯性矩进行碰撞检测，如刚体碰撞检测算法。
惯性技术在智能交通领域也有广泛的应用前景，如应用于车辆自动驾驶、交 通监控等领域。未来可以进一步探索如何将惯性技术与其他传感器技术相结 合，提高车辆自动驾驶的精度和安全性。
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虚拟现实(VR)与增强现实(AR)的结合
利用惯性传感器捕捉头部和手部动作，实现更加自然、逼真的交互体验，提高用户体验。
开发更高效的界面
通过捕捉手部和头部动作，设计更为直观、自然的界面，使得用户与虚拟环境的交互更为便捷、直观。
惯性技术在智能设备领域的应用前景
智能手机的进化
将惯性传感器与智能手机结合，实现更为精确和直观的人机交互，提升用户体验 。
计算车辆的行驶状态，实现车辆的自动转向。
惯性测速仪
02
利用惯性原理，通过陀螺仪和加速度计等惯性传感器，感知和
计算车辆的行驶速度，实现车辆的自动测速。
惯性导航系统
03
在车辆导航系统中，利用惯性测量元件和控制系统，实现自主
导航和控制，指引驾驶员按照预定路线行驶。
惯性在工业领域的应用
惯性振动分析
利用惯性原理，通过陀螺仪和加速度计等惯性传感器，感知和分析设备的振动状态，检测 设备的工作状态和故障。
惯性及其应用
xx年xx月xx日
目录
• 惯性基本概念 • 惯性的来源及度量 • 惯性在各领域的应用 • 惯性技术的前景展望 • 总结与展望
01
惯性基本概念
惯性的定义
定义
惯性是指物体保持自身状态的性质，抵抗运动状态变化的能力。
影响因素
质量、距离、速度、加速度
惯性的物理属性
客观性
惯性是物体的固有属性，不依 赖于其他物体。
利用物体的转动惯量进行性进行碰撞检测，如计算机图形学中的碰撞检测算法。 利用物体的惯性矩进行碰撞检测，如刚体碰撞检测算法。
惯性测量系统
惯性测量系统惯性测量系统：由加速度计和陀螺平台等惯性器件组成的用于测定载体空间位置、姿态和重力场参数的系统。
应用学科：测绘学（一级学科）；测绘学总类（二级学科）。
利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机，实时测量运载体相对于地面运动的加速度，以确定运载体的位置和地球重力场参数的组合仪器。
这种系统是在惯性导航系统的基础上发展起来的，按所采用的导航坐标系统分为两大类：当地水平惯性系统和空间稳定系统。
一般多采用第一类的当地水平指北惯性系统。
整个系统安装在运载体(汽车或直升飞机)上，主要包括惯性测量装置（其核心为加速度计、陀螺仪和万向支架）、电子计算机、控制显示器、数据存储记录器和电源（见图[惯性测量系统工作原理方框图]）1、基本原理：以当地水平指北系统为例，在陀螺仪GE、GN、G和电子计算机控制下，惯性平台始终保持地平坐标系，安装在平台上的3个互相正交的加速度计AE、AN、AZ，分别测出沿东西、南北和垂直方向的加速度分量ENZ，并输入计算机。
在消除加速度计误差、重力加速度和由于地球自转产生的科里奥利加速度影响后，得出运载体相对地平坐标系的位移加速度分量，再就t（从起始点到待测点的时间）进行两次积分，并考虑初始速度值 0N、 0E、0Z，就可解算出相对前一起始点的坐标变化量，同相应起始点的经度λ0、纬度0和高程h0累加，就得到待定点的坐标λ、和h：电子计算机除了用观测数据计算点位坐标外，还根据一次积分后的速度分量和已知地球参数（仪器所在点的地球子午圈和卯酉圈曲率半径M和N，地球自转角速度ω），连续计算控制惯性平台的力矩信号W、W 和W，以便实时跟踪所选定的地平坐标系。
垂直加速度计的输出信号，实际是运载体垂直加速度与当地的重力加速度之和。
当运载体停止时，它的垂直加速度为零，这时从中消除非重力加速度之后，就得到当地的重力加速度。
运载体在运动过程中，由计算机通过陀螺仪控制惯性平台，不断地按参考椭球面的曲率进动。
现代导航技术第三章(惯性器件的基本特性)
二、加速度计的分类
压阻式加速度计
32
§3.2 加速度的基本特性及分类
二、加速度计的分类
33
§3.2 加速度的基本特性及分类
加速度计的发展和应用领域
34
第三章 惯性器件的基本特性
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导 系统的影响
35
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响 一、陀螺仪的漂移率 • 由于结构和工艺的不完善，实际的陀螺仪不可避免 的存在着干扰力矩。当陀螺仪受到干扰力矩作用 时，陀螺仪具有抵抗干扰而力图保持其自转轴在惯 性空间的方向稳定的特性，因而陀螺自转轴改变的 方位要比一般刚体小的多。 • 干扰作用毕竟改变了自转轴在惯性空间中的方位， 称之为“漂移”。因此陀螺仪提供的方位基准精度主 要取决于漂移角速度的大小。
外力矩
进动角速度
ω
ω 的大小：
陀螺动量矩 H 外力矩 M
M M ω H Jz Ω
动量矩 转动惯量
角速率
可以看出，外力矩不变 的情况下，动量矩越 大，进动角速度越小。
进动的内因：转子的高速自转即动量矩的存在； 进动的外因：外力矩改变动量矩方向的作用。
11
§3.1 陀螺仪的基本特性及分类
2、陀螺仪的稳定性：
39
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响 一、陀螺仪的漂移率
40
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响 二、陀螺仪漂移对惯导系统的影响 平台式惯性导航系统主要由陀螺稳定平台、加速度 计、计算机等部件构成。加速度计被放置在平台上， 要求加速度计的测量方向不变。 如果陀螺稳定平台（加速度计的基座）的方位相对所 要求的方向发生了变化，加速度计的测量方向也就出 现偏差，测量结果就不准确。 平台的精度是靠陀螺仪的精度来保证，陀螺仪是惯性 导航系统的“心脏”。
压阻式加速度计
32
§3.2 加速度的基本特性及分类
二、加速度计的分类
33
§3.2 加速度的基本特性及分类
加速度计的发展和应用领域
34
第三章 惯性器件的基本特性
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导 系统的影响
35
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响 一、陀螺仪的漂移率 • 由于结构和工艺的不完善，实际的陀螺仪不可避免 的存在着干扰力矩。当陀螺仪受到干扰力矩作用 时，陀螺仪具有抵抗干扰而力图保持其自转轴在惯 性空间的方向稳定的特性，因而陀螺自转轴改变的 方位要比一般刚体小的多。 • 干扰作用毕竟改变了自转轴在惯性空间中的方位， 称之为“漂移”。因此陀螺仪提供的方位基准精度主 要取决于漂移角速度的大小。
外力矩
进动角速度
ω
ω 的大小：
陀螺动量矩 H 外力矩 M
M M ω H Jz Ω
动量矩 转动惯量
角速率
可以看出，外力矩不变 的情况下，动量矩越 大，进动角速度越小。
进动的内因：转子的高速自转即动量矩的存在； 进动的外因：外力矩改变动量矩方向的作用。
11
§3.1 陀螺仪的基本特性及分类
2、陀螺仪的稳定性：
39
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响 一、陀螺仪的漂移率
40
§3.3 惯性器件的精度指标及其对惯导系统的影响 二、陀螺仪漂移对惯导系统的影响 平台式惯性导航系统主要由陀螺稳定平台、加速度 计、计算机等部件构成。加速度计被放置在平台上， 要求加速度计的测量方向不变。 如果陀螺稳定平台（加速度计的基座）的方位相对所 要求的方向发生了变化，加速度计的测量方向也就出 现偏差，测量结果就不准确。 平台的精度是靠陀螺仪的精度来保证，陀螺仪是惯性 导航系统的“心脏”。
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惯性仪表的输出可能受温度和磁场等环境因素的影响，特定 应用场合需要测试出惯性仪表对环境的灵敏度，并可通过屏蔽或 建模补偿的方法降低其影响。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
环境应力筛选及环境适应性试验 环境应力筛选时产品研制过程中的一个重要环节，其目的是
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
在基本确定了光纤/激光系统的原理构成方案之后，应根据用 户指标要求，按各陀螺与加速度计进行性能指标分解。指标分解 的方法主要包括理论推导和数学仿真，或参照已有产品进行类比 等方法，同时要考虑产品的工作环境条件，并使所选用惯性仪表 的指标留有适当余量。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.1 光学惯性测量装置概述
概述
2）非常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。这类惯性测量组 合也有多种类型，有的仅有1~3个光纤/激光陀螺而无加速度计， 有的则有1~3个光纤/激光陀螺和1~2个加速度计，一般自带二次电 源和信息处理器，可输出经过误差补偿后的角速度或角加速度信 息，有时称其为“光纤/激光陀螺组件”，常用于航天器角速度或 角加速度值的测量。
通过施加一种或几种规定的应力，将制造过程中引入产品的各种 潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来加以剔除，可防止 其在产品交付后的使用环境中变为故障。通过该实验可淘汰早期 失效产品，尽早让产品进入失效率浴盆曲线的平直段，从而可达 到提高产品使用可靠性的目的。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气部件主要完成惯性系统内各类信号的采集、处理及 与外部的信息交换等功能。由于数字电路具有精度高、抗干扰性 好、有利于系统集成与提高智能水平等特点，因而电气系统向数 字化方向发展是惯性技术产品的未来趋势。光纤/激光陀螺惯性系 统中的电路部件一般包括：信号采集/处理（CPU）及接口电路板、 温度或加速度等信号的模/数转换电路板（如石英挠性加速度计用 的I/F电路板）、二次电源电路板（一般采用专用DC/DC、AC/DC模 块）等，有的还有温控电路板。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气体制及电磁兼容性设计也是光纤/激光陀螺惯性系统 电气设计中的一项重要内容。由于光纤/激光陀螺直接输出数字量， 配套的电气部件也都基本采用数字体制，电磁兼容性能较好。在 产品设计时，主要可参考数字电路电磁兼容性设计的相关规范和 标准。
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
光学惯性测量与导航系统
Optic Inertial Measurement & Navigation System
主 讲： 杨功流 教授 晁代宏 讲师 张小跃 讲师
电 话： 9664，6542-823
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
第三章 光学惯性测量装置
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统对外电气接口方案包括输入/输出信号类型与格式、供 电（如电源类型、功率）、数据总线类型及通信协议等内容，常 用的数据总线有RS422/485,1553B,ARINC429,CAN等，有的用户还 要求输出模拟量、脉冲量等。产品设计中，应按任务书或用户要 求选择适合的电路元件、接插件、电缆等配套件，遵循系列化、 通用化和模块化要求，优先选用项目优选目录中指定的元器件， 并尽量减少品种类型。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
4）由三轴一体光纤/激光陀螺构成的惯性测量装置。此类装置与 前面几类产品的区别在于它采用了三轴一体化设计的光纤/激光陀 螺，而不是单轴光纤/激光陀螺。三轴一体光纤/激光陀螺将3个单 轴光纤/激光陀螺的光路和电路进行集成一体化设计（如公共光源 等），使其结构更紧凑、更轻小、更低功耗，它与加速度计也可 构成不同类型的惯性测量装置。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
惯性测量装置的电气部分常以信号处理器（如单片机、DSP 芯片等）和编程逻辑器件（CPLD，FPGA等）为核心，构成信号处 理和接口电路。光纤陀螺捷联惯性测量组合仅需几种直流电源 （如 5V，15）V ，常通过DC/DC变换器将外部直流电源（如27V） 变换得到。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装置的设计流程一般包括两个方面： 一方面是用户任务书指定功能和性能的设计实现，另一方面是产 品任务剖面的分析和应用环境条件的适应性设计。
光纤/激光陀螺惯性测量装置选定适用的惯性仪表后，在电气 接口分析的基础上，形成电气接口及软件设计方案。明确了产品 的任务剖面后，有针对性地分解出需要满足的环境条件，在结构 设计时充分考虑热设计与电磁兼容性（EMC）要求，环境磁场和冲 击、振动等力学环境影响等，形成总体结构设计方案。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
光纤/激光陀螺的主要技术指标和测试程序应该遵循相关标准， 如《GJB2426-2004 光纤陀螺测试方法》，《IEEE Std 952-1997 单轴干涉式光纤陀螺仪指标和测试规范性指南》（IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for SingleAxis Interferomentric Fiber Optic Gyros）， 《GJB24271995 激光陀螺仪测试方法》等。加速度计相关标准有《QJ240292摆式加速度计主要精度指标评定方法》、《GJB1037A-2004单轴 摆式伺服线加速度计实验方法》、《QJ253-86惯性仪表用电气元 件通用技术条件》等。研制方与用户应按相关标准的要求达成一 致并体现在研制任务书中。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
惯性测量组合中惯性仪表误差模型系数标定和误差补偿技术。 惯性仪表误差中的确定性部分可通过标定分离出来并在使用
时进行补偿。将惯性仪表的实际输出与已知输入时的理论输出进 行比较就可完成惯性测量装置的标定。如以地球转速（ie ）、转 台转速作为速率基准可标定陀螺的误差模型系数，以地球重力加 速度（g）为基准可标定加速度计的误差模型系数。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统机械结构方案设计
光纤/激光陀螺惯性系统机械结构承载着惯性仪表和各种电路，既 要保证一定的结构强度与刚度，以满足产品的力学、热学、电磁等环 境适应性要求，又要保证产品加工与装配的工艺性、维修性，并有利 于批量生产和使用维护。系统结构设计要提供惯性仪表在系统的安装 位置及方式，并保证所需的安装精度，要避免应力集中的结构，中高 精度产品还要考虑采用适当的电磁屏蔽措施。系统的外形结构与安装 方式在满足用户要求的前提下，还要考虑其误差系数标定和测试、工 作时方位对准等要求（如采用光学瞄准时，需设置光学棱镜等）。
目前结构设计常用的计算机辅助设计软件有Pro/Engineer，Solid Works等
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
寿命与可靠性、安全性、维修性设计
惯性系统寿命分为储存寿命和工作寿命，战术导弹、火箭等要求 惯性系统储存寿命长，而工作时间相对短，为保证产品能承受储存过 程中的温度和湿度等自然环境的影响，一般采用系统级密封设计，从 材料和工艺上保证光纤/激光陀螺等惯性仪表性能的长期稳定性。卫 星、飞船等空间应用领域，要求惯性系统工作寿命长，可采用长寿命 光学器件或采用冗余方案，以延长系统工作寿命。飞机、船舶等应用 领域，惯性系统产品不仅长期工作，而且要多次通电、重复使用，因 此产品的可检测性、维修性也十分重要。可检测性的改善将减少故障 检测时间、降低维修费用，也将其看作维修性的一部分。
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
综合性能试验 综合性能试验一般要按用户要求进行，包括相关的精度试验、
参数稳定性试验、可靠性试验，以及配合总体部门的半物理仿真 试验、车/船载条件下试验、全弹（箭）或整星联合试验等，以对 惯性系统得到整体性能与质量稳定度等做出较客观、全面的评价。
3.1 光学惯性测量装置概述 3.2 光学惯性测量装置总体设计 3.3 光学惯性测量装置误差标定 3.4 光学惯性测量装置温度补偿
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
光学惯性测量装置是以光纤/激光陀螺为角运动测量仪表，主要输出 载体角加速度及加速度信息的各类惯性测量设备的统称。其主要构成 形式一般有以下几类。 1）常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合（Strap-down Inertial Measurement Unit，SIMU）。捷联惯性测量组合也称为 惯性测量单元或惯组等，是捷联惯性导航（制导）技术的硬件基 础。常规配置的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合产品一般包含正 交的3个光纤/激光陀螺和3 个加速度计，以及二次电源、信号处 理与接口电路等部件，可输出三维角速度、加速度等信息。捷联 惯性测量组合和捷联惯导算法结合就可构成捷联惯性导航系统 （Strap-down Inertial Navigation System，SINS）。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
环境应力筛选及环境适应性试验 环境应力筛选时产品研制过程中的一个重要环节，其目的是
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系统总体方案确定及精度分配
在基本确定了光纤/激光系统的原理构成方案之后，应根据用 户指标要求，按各陀螺与加速度计进行性能指标分解。指标分解 的方法主要包括理论推导和数学仿真，或参照已有产品进行类比 等方法，同时要考虑产品的工作环境条件，并使所选用惯性仪表 的指标留有适当余量。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
2）非常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合。这类惯性测量组 合也有多种类型，有的仅有1~3个光纤/激光陀螺而无加速度计， 有的则有1~3个光纤/激光陀螺和1~2个加速度计，一般自带二次电 源和信息处理器，可输出经过误差补偿后的角速度或角加速度信 息，有时称其为“光纤/激光陀螺组件”，常用于航天器角速度或 角加速度值的测量。
通过施加一种或几种规定的应力，将制造过程中引入产品的各种 潜在缺陷在出厂前以硬件故障的形式暴露出来加以剔除，可防止 其在产品交付后的使用环境中变为故障。通过该实验可淘汰早期 失效产品，尽早让产品进入失效率浴盆曲线的平直段，从而可达 到提高产品使用可靠性的目的。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气部件主要完成惯性系统内各类信号的采集、处理及 与外部的信息交换等功能。由于数字电路具有精度高、抗干扰性 好、有利于系统集成与提高智能水平等特点，因而电气系统向数 字化方向发展是惯性技术产品的未来趋势。光纤/激光陀螺惯性系 统中的电路部件一般包括：信号采集/处理（CPU）及接口电路板、 温度或加速度等信号的模/数转换电路板（如石英挠性加速度计用 的I/F电路板）、二次电源电路板（一般采用专用DC/DC、AC/DC模 块）等，有的还有温控电路板。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统电气体制及电磁兼容性设计也是光纤/激光陀螺惯性系统 电气设计中的一项重要内容。由于光纤/激光陀螺直接输出数字量， 配套的电气部件也都基本采用数字体制，电磁兼容性能较好。在 产品设计时，主要可参考数字电路电磁兼容性设计的相关规范和 标准。
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第三章 光学惯性测量装置
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统电路及电气接口方案设计
系统对外电气接口方案包括输入/输出信号类型与格式、供 电（如电源类型、功率）、数据总线类型及通信协议等内容，常 用的数据总线有RS422/485,1553B,ARINC429,CAN等，有的用户还 要求输出模拟量、脉冲量等。产品设计中，应按任务书或用户要 求选择适合的电路元件、接插件、电缆等配套件，遵循系列化、 通用化和模块化要求，优先选用项目优选目录中指定的元器件， 并尽量减少品种类型。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
4）由三轴一体光纤/激光陀螺构成的惯性测量装置。此类装置与 前面几类产品的区别在于它采用了三轴一体化设计的光纤/激光陀 螺，而不是单轴光纤/激光陀螺。三轴一体光纤/激光陀螺将3个单 轴光纤/激光陀螺的光路和电路进行集成一体化设计（如公共光源 等），使其结构更紧凑、更轻小、更低功耗，它与加速度计也可 构成不同类型的惯性测量装置。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
惯性测量装置的电气部分常以信号处理器（如单片机、DSP 芯片等）和编程逻辑器件（CPLD，FPGA等）为核心，构成信号处 理和接口电路。光纤陀螺捷联惯性测量组合仅需几种直流电源 （如 5V，15）V ，常通过DC/DC变换器将外部直流电源（如27V） 变换得到。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
一般设计流程
光纤/激光陀螺惯性测量装置的设计流程一般包括两个方面： 一方面是用户任务书指定功能和性能的设计实现，另一方面是产 品任务剖面的分析和应用环境条件的适应性设计。
光纤/激光陀螺惯性测量装置选定适用的惯性仪表后，在电气 接口分析的基础上，形成电气接口及软件设计方案。明确了产品 的任务剖面后，有针对性地分解出需要满足的环境条件，在结构 设计时充分考虑热设计与电磁兼容性（EMC）要求，环境磁场和冲 击、振动等力学环境影响等，形成总体结构设计方案。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统总体方案确定及精度分配
光纤/激光陀螺的主要技术指标和测试程序应该遵循相关标准， 如《GJB2426-2004 光纤陀螺测试方法》，《IEEE Std 952-1997 单轴干涉式光纤陀螺仪指标和测试规范性指南》（IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for SingleAxis Interferomentric Fiber Optic Gyros）， 《GJB24271995 激光陀螺仪测试方法》等。加速度计相关标准有《QJ240292摆式加速度计主要精度指标评定方法》、《GJB1037A-2004单轴 摆式伺服线加速度计实验方法》、《QJ253-86惯性仪表用电气元 件通用技术条件》等。研制方与用户应按相关标准的要求达成一 致并体现在研制任务书中。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
惯性测量组合中惯性仪表误差模型系数标定和误差补偿技术。 惯性仪表误差中的确定性部分可通过标定分离出来并在使用
时进行补偿。将惯性仪表的实际输出与已知输入时的理论输出进 行比较就可完成惯性测量装置的标定。如以地球转速（ie ）、转 台转速作为速率基准可标定陀螺的误差模型系数，以地球重力加 速度（g）为基准可标定加速度计的误差模型系数。
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3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统机械结构方案设计
光纤/激光陀螺惯性系统机械结构承载着惯性仪表和各种电路，既 要保证一定的结构强度与刚度，以满足产品的力学、热学、电磁等环 境适应性要求，又要保证产品加工与装配的工艺性、维修性，并有利 于批量生产和使用维护。系统结构设计要提供惯性仪表在系统的安装 位置及方式，并保证所需的安装精度，要避免应力集中的结构，中高 精度产品还要考虑采用适当的电磁屏蔽措施。系统的外形结构与安装 方式在满足用户要求的前提下，还要考虑其误差系数标定和测试、工 作时方位对准等要求（如采用光学瞄准时，需设置光学棱镜等）。
目前结构设计常用的计算机辅助设计软件有Pro/Engineer，Solid Works等
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
3.2 光学惯性测量装置总体设计
寿命与可靠性、安全性、维修性设计
惯性系统寿命分为储存寿命和工作寿命，战术导弹、火箭等要求 惯性系统储存寿命长，而工作时间相对短，为保证产品能承受储存过 程中的温度和湿度等自然环境的影响，一般采用系统级密封设计，从 材料和工艺上保证光纤/激光陀螺等惯性仪表性能的长期稳定性。卫 星、飞船等空间应用领域，要求惯性系统工作寿命长，可采用长寿命 光学器件或采用冗余方案，以延长系统工作寿命。飞机、船舶等应用 领域，惯性系统产品不仅长期工作，而且要多次通电、重复使用，因 此产品的可检测性、维修性也十分重要。可检测性的改善将减少故障 检测时间、降低维修费用，也将其看作维修性的一部分。
3.2 光学惯性测量装置总体设计
系统实验和验证方案设计
综合性能试验 综合性能试验一般要按用户要求进行，包括相关的精度试验、
参数稳定性试验、可靠性试验，以及配合总体部门的半物理仿真 试验、车/船载条件下试验、全弹（箭）或整星联合试验等，以对 惯性系统得到整体性能与质量稳定度等做出较客观、全面的评价。
3.1 光学惯性测量装置概述 3.2 光学惯性测量装置总体设计 3.3 光学惯性测量装置误差标定 3.4 光学惯性测量装置温度补偿
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述
光学惯性测量装置是以光纤/激光陀螺为角运动测量仪表，主要输出 载体角加速度及加速度信息的各类惯性测量设备的统称。其主要构成 形式一般有以下几类。 1）常规的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合（Strap-down Inertial Measurement Unit，SIMU）。捷联惯性测量组合也称为 惯性测量单元或惯组等，是捷联惯性导航（制导）技术的硬件基 础。常规配置的光纤/激光陀螺捷联惯性测量组合产品一般包含正 交的3个光纤/激光陀螺和3 个加速度计，以及二次电源、信号处 理与接口电路等部件，可输出三维角速度、加速度等信息。捷联 惯性测量组合和捷联惯导算法结合就可构成捷联惯性导航系统 （Strap-down Inertial Navigation System，SINS）。
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3.1 光学惯性测量装置概述
概述