光学陀螺

t a La / c
Sagnac干涉仪 光程差
求解方程组，得到
L L ta L c L / 8 a 1 L /(8c)
类似地，对于光束 b，可以求得
光程差与输入角速度成正比，该 结论对其它形状的环路也成立。 迈克尔逊实验： 矩形面积 A = 600×300 m2
L L tb Lb c L / 8 1 L /(8c)
对称入射的线偏振光
施加垂直于入射面的横向磁场 产生相位差或光程差 机抖偏频是目前最成熟的偏频方案， 尤其适用三轴整体式的激光陀螺 把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜 磁场周期性变化，产生周期性偏频
光纤陀螺 Sagnac干涉仪的改进
圆形环路 Sagnac 干涉仪，光路分析： 当干涉仪相对惯性空间无转动 两束光绕行一周的光程相等
当干涉仪绕法向轴以ω转动， 则两束光出现光程差 对于 a 束光
La Lb L 2R L 2R 绕行时间 t a t b c c
La 2R R t a
并且
2R R t a ta c
光纤陀螺 原理公式
求解 La 得到
2R La 1 R / c
2000s，进入实用阶段
精度： 国外 0.001 0/h
国内 0.01 0/h
Sagnac干涉仪 光路
Sagnac 干涉 激光陀螺测量的基础 当干涉仪以 ω相对惯性空间旋转，则 会引起两路光程不等。 提出：由 Sagnac 于 1913年 推导光程差 分离点的切向线速度
v 在分束点两侧光路上的投影都为
L L 0 v cos 45 4 2 4
L vn v cos 45 8
0
光束 a 逆行一周，回到分束点时多走 了一段光程 Sagnac 干涉仪 光路传播 当干涉仪相对惯性空间无转动， 则正反绕行的 A、B 两路光程
La = Lb = L
另有
L La L vn t a L t a 8
当基座相对惯性空间无转动时，
谐振腔按曲线 1 相对惯性空间振动 输出频差均值为零
当基座以ωA相对惯性空间旋转
谐振腔按曲线 2 相对惯性空间振动 正半周输出频差平均值大于负半周
陀螺输出频差均值不为零
输出均值能够反映ωA的大小和方向
激光陀螺 磁镜偏频
引入机械抖动后的输入输出曲线 磁镜偏频：横向克尔磁光效应
激光陀螺概述
机械陀螺：刚体转子和振动陀螺仪 捷联惯导系统：大角度大速率 转子陀螺难满足，激光光纤陀螺出现 基本原理： Sagnac 效应，工作物质 是激光束，全固态陀螺 优点
早期研制的机构
Honeywell ：三角形谐振腔，机 械抖动偏频 Litton ：四边形谐振腔，机械抖 动偏频 Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频
类似地，对于光束 b
2R Lb 1 R / c
4R 2 2 2 c 4Rl (2R) 4R c c
对于 N 匝光纤环的情况
L
源自文库
两束光之间的光程差
(2 R / c) 2R L La Lb 2 1 ( R / c ) 4R 2 c
光纤陀螺概述
光纤陀螺仪：适应捷联系统需求而出现 国内
基本原理：同激光陀螺，只是激光束 来自外部，用光导纤维做传播环路。
优点：成本低、体积小、重量轻。
1980s 初 ， 原 理 研 究 、 试 验 （少数大学）
1980s末，实质性研制
发展：
1970s 光纤技术发展 1976 年犹它大学瓦里提出设想和演示 1978 麦道研制出第一个实用光纤陀螺 1980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、日、苏等国也 展开了研制。
激光陀螺 标度因数与自锁误差
标度因数误差 谐振腔周长 280mm ～ 0.010/h ～ 5×10-6 120mm ～ 0.10/h ～ 3×10-4 自锁效应
激光陀螺频差输出公式
V K
4A K L
K值不稳定，也会引起输出误差 K值大小的影响因素： 谐振腔周长 谐振腔形状 激光波长(0.6328 / 1.15 / 3.39 ) K值稳定性控制途径： 自锁区： -ωL～ωL 典型值：3600/h
I I 0 (1 cos )
在 Δφ= 0 附近，灵敏度最低。
检测器上产生峰值干涉条纹
检测器输出电流最大
对策：增加相位偏置，工作点移 至π/2处
光纤陀螺 交流相位偏置
固定相位偏置：幅值难以稳定控制
交流相位偏置：交变幅值为π/2
当输入相移Δφ≠0，检测器的输 出情况如下
I 均值大小的改变量与Δφ成正弦
缺点：存在明显非线性
测量范围较小 精度较低
光纤陀螺 闭环干涉型
闭环测量原理：
检测器 D 的输出经 PSD 解调 解调信号经 SF 放大
驱动相位变换器 PT
相位变换器 PT 产生相移Δθ Δθ和ω产生的相移Δφ抵消
解调器输出被控制在零位附近
PT 产生的相移 Δθ 作为光纤陀 螺的输出
引入伺服放大器 SF 和相位变换器 PT，构成闭环系统
激光陀螺 频差产生
当谐振腔以ω绕其平面法线旋转
Va = c· q / La
Vb = c· q / Lb 两束激光的频差
( La Lb )qc V Vb Va La La
设激光环绕一周的光程为 L， 是激光波长λ的整数倍 q，即 λ= L / q 激光频率为 Vq，则
Vq· λ= c
激光波长
激光陀螺 自锁原因及对策
产生原因：反射镜的反向散射 克服自锁效应的途径： 正面途径：尽力减小自锁区（提 高光学元件质量和气体纯度） 间接途径：偏频
顺时针传播光束 A 的反向散射 A’ A’ 和逆时针传播光束 B 相耦合 频率牵引（B 与 A’ 频率趋同） 输出偏置量ω0，工作点移出自锁区
特点：陀螺仪的工作点一直保 持在线性度、灵敏度最高的位置。
光纤陀螺 闭环谐振型
来自 LR 的激光经分束器 SL 分离，从两端进入光纤线圈（谐振器） 光纤陀螺绕输入轴旋转时，两束光的谐振频率改变，
频差由两组光检测器和相敏解调器测量，与输入角速度成正比
激光陀螺 零偏误差
激光陀螺误差源：不同于转子陀螺 直流放电，激活原子移向阳极 阳极的激活原子向阴极扩散
误差分类
零偏误差：输入角速度为零时激 光陀螺的频差输出（0 / h） 主要原因：郎缪尔流效应
两种作用综合，形成郎缪尔流
导致激光在介质中传播时折射率 不同，造成附加光程差及频差输出 补偿措施：双阳极方案
4A V L
4 0.11176 2 sin 60 0 / 2 5 7 . 29 10 7.43Hz 6 3 0.11176 0.6328 10
激光陀螺 结构工艺
激光介质：氦氖气体（频谱纯度 高、反向散射小） 腔体材料：熔凝石英、Cer-vit陶瓷 谐振腔尺寸：周长200～450mm 谐振腔形状：三角形、四边形 （优缺点： K = 4A / Lλ） 装配组合：分离式、整体式 整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路 反射镜的安装（反射膜、凹面、半透） 氦氖气体
类似地，A 与 B’ 也频率趋同
最终A与B频率趋同，无频差输出
V K ( 0 )
V / K 0
激光陀螺 机械抖动偏频
机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的ω0恒速旋转 缺点：陀螺体积重量增大，ω0难控 机械抖动偏频：采用高频角振动 谐振腔按曲线 1 的相对基座振动
故 Vq = c· q/L
L qc 4 A qc 2 2 c L L 4 Aq 4A 2 K L L
两束激光的频差正比于输入角速度 其干涉条纹以一定的速度移动
激光陀螺 频差测量
例：三角形谐振腔边长=111.76mm
激光波长λ= 0.6328μm
用来测地球转动角速度
两束光之间的相位差
4RlN K c
K 称为光纤陀螺的标度因数 在光纤线圈半径一定的情况下， 可通过增加线圈的匝数提高测量的 灵敏度 直径 10 cm内可缠绕500～2500米
光纤陀螺 相位偏置
当光纤线圈绕中心轴旋转 产生相差，干涉条纹横移
检测器输出电流改变
光纤陀螺原理图，光路分析： 当光纤线圈绕中心轴无旋转，
两束光回到分束点时，光程差
光源波长λ= 0.7μm
计算得： ΔL=0.175μm，即 λ/ 4
L2 /(4c) L La Lb 1 ( L ) 2 /(8c) 2
考虑到 c 远大于 Lω，上式近似为
干涉条纹只移动了 1/ 4 条纹间距
如果用来测量 0.015 0/h 的角速 度，则干涉条纹将只移动 1/ 400 条纹间距 测量精度无法保证
国内研制、应用状况 结构简单、性能稳定、动态范围宽、 启动快、反应快、过载大、可靠性高、 1970s中后期 开始研制， 数字输出 1990前后 进入实用 发展 1990s中后期 应用达到高峰 1960 激光器出现 面临问题 1963 Sperry 制成首台激光陀螺样机 成本较高、体积偏大、不能完全 1970s中 精度突破，达惯性级 适应捷联系统的要求 1980s 初开始应用于各个领域
4A L2 4( L / 4) 2 L 4c c c
激光陀螺 结构
谐振腔结构：
激光管(光源) + 反射镜(光路)
激光管 = 氦氖气体 + 端面镜片 谐振腔结构及原理 介质受激=>从基态到高能态 =>粒子数反转分布 光通过激活物质=>获得增益=> 环形腔=>获得足够大的增益 激光陀螺相对干涉仪的改进 无源谐振腔 => 激光谐振腔 测量光程差 => 谐振频率差 反射膜厚度λ/ 4 => 获得所需波长 选择环路周长 => 形成同相驻波 端面镜片 => 获得偏振光
阴阳电极：双阳极
控制回路：凹镜、激励电压
激光陀螺 三轴整体
三轴整体式：用于捷联惯导系统 集三个谐振腔于一块腔体材料 两种三轴整体式光路方案 1. 三角形的光路方案（9反射镜）
工艺改进对陀螺仪性能的影响：
Cer-vit 陶瓷取代熔凝适应，提高了 稳定性并解决了氦气泄漏
2.四边形的光路方案（6反射镜） 优点：体积小、重量轻、结构简单、 可靠性好（第二代激光陀螺技术） 采用光胶和接触焊的方法，避免了 环氧树脂杂气对介质的污染。 新的反射镜涂层工艺，解决了涂层 变质问题
当输入相移Δφ=0，检测器的 输出情况（如上）
Δφ正负可由一次谐波相位判断
相位调制、相位调制器（PM）
光纤陀螺 开环干涉型
工作原理： 发自 LR 的光被 SL 分成两束 两束光分别从光纤线圈两端进 入 分别从光纤线圈另一端导出
中间都经过相位调制器 PM
两束光经 SL 汇合， 由检测器 D 接收，输出电流 经过相敏解调器 PSD 解调 得到直流分量（正比于Δφ） 开环干涉型 PM 相位调制器 PSD 相敏解调器