光纤陀螺罗经
光纤陀螺罗经的研制与应用研究进展
光纤陀螺罗经的研制与应用研究进展摘要本文描述了SFIM研制的单轴光纤陀螺和惯性测量装置。
描述了光纤陀螺罗经的应用领域和它在各种领域中被广泛应用的理由。
光纤陀螺仪的应用程序实现了从机械陀螺仪向集成混合导航系统的转变更新。
经过不断发展和攻关努力，现正专注小型化多轴的陀螺仪的研究。
最有希望的子系统是将旋转速率传感器与光纤陀螺仪巧妙的结合在一起的惯性测量组合。
1、引言单轴光纤陀螺仪的基本设计已经被完成。
而在研制领域中仍然需要在实际设计和现有的生产条件下提高限制和分析误差的性能，光纤陀螺仪不断更新发展的主要驱动力是降低成本的需要。
已知的设计有很多共同的特点，但也有不同的解决方案，以应对不同的应用领域中的具体问题。
单轴陀螺仪的销售机会是直截了当的替换在此之前的单轴机械陀螺仪；使用在极端特殊的二维导航任务中，作为无人飞行器的导向罗经；作为经典惯性传感器组件中的传感器由三个单独的陀螺仪和三个加速计组成；应对古典式陀螺仪在灵活性和环境条件都完成不了的极端特殊的测量工作。
新设计的驱动程序的多轴陀螺仪仍属于高功耗光纤陀螺仪，相比纯机械陀螺，其仍存在相当大的尺寸，而且造价又一次成为考虑的因素。
所有这些都是多轴光纤陀螺仪朝着解决信号处理的多路复用和光学组件的普遍应用的方向发展的原因。
2、单轴光纤陀螺仪2.1 设计和基本配置众所周知，在实际的FOG 中，光学部分是最小的配置。
电子信号的读取和处理高度的集成在一起，以联合的模拟和数字ASIC实现。
为了完成，简单的总结和重复设计的主要特点，如下所示：1、低成本的多模激光二极管作为光源，波长820nm，多达15mw的光功率射入单模光纤尾纤。
它安装在热电冷却器、唯独传感器和显示器二极管半蝴蝶包中。
2、多功能集成光学模块包括一个含有偏光片的辫状射出或输入通道、Y型分叉管和一对与钛非漫射波导安装在Z切理铌酸盐底片上的调相器。
3、保偏光纤用来做尾纤和纤维线圈，其长度为100m，一个Sagnac相移大约为1μrad，输入速率为1 ° / h。
陀螺罗经
20世纪70年代，伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也迅速发展起来。
该技术是以光波为载体，光纤为媒质，感应和传输外界被测量信号的新型传感技术，以独特的优良性能赢得极大的重视，并在各个领域中广泛应用。
光纤陀螺技术是光纤传感技术的一个特例，是利用光学传输特性而非转动部件来感应角速率和角偏差的惯性传感技术。
1 光纤陀螺的结构按照元器件类型，光纤陀螺分为分立元件型、集成光学型和全光纤型。
由于分立元件型光纤陀螺存在体积较大、可靠性较差、误差较大等缺点，现在世界各国都已停止发展。
集成光学型光纤陀螺将主要光学元件如耦合器、偏振器、调制器都集成在一块芯片上，将光纤线圈、光源、检测器接在芯片适当的位置，就构成了实用的集成光学型光纤陀螺。
从光纤陀螺的发展方向来看，集成光学型光纤陀螺是最有发展前途的光纤陀螺形式。
全光纤陀螺是将主要的光学元件都加工在一条保偏光纤上，从而可以避免因元器件连接造成的误差。
目前，全光纤陀螺技术比较成熟，其性能在三种中最好，适合在现阶段研制实用的商品光纤陀螺。
根据干涉型光纤陀螺的信号检测方式的不同，可以分为开环式和闭环式两大类。
开环式光纤陀螺直接检测干涉条纹的相移，因而动态范围较窄，检测精度较低。
闭环式系统采取相位补偿的方法，实时抵消萨格奈克相移，使陀螺始终工作在零相移状态，通过检测补偿相位移来测量角速度，其动态范围大，检测精度高。
此外，闭环式光纤陀螺对环境尤其是对振动不敏感，是研制高精度光纤陀螺仪的理想形式。
开环式全光纤陀螺是中低精度、低成本光纤陀螺中比较流行的结构。
目前，在中高精度光纤陀螺仪领域，最为流行的设计结构为全数字闭环式光纤陀螺仪。
光纤陀螺示意图2 光纤陀螺的特点光纤陀螺的主要特点是：①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单，零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵敏度和分辨率极高；⑤可直接用数字输出并与计算机接口联网；⑥动态范围极宽；⑦寿命长，信号稳定可靠；⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。
光纤陀螺罗经
二、 光纤陀螺寻北原理 ----基于捷联式惯导系统
载体的参考北向沿水平面的地球自转角速度分量为：
N con e con con
已知： e ----地球自转角速度 ----载体所在地地理纬度 由陀螺仪测得： 计算： θ----载体的参考北向(沿水平面)与真北方向的夹角
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第一章 小结
罗经种类 下重式 液体连通器 式 电磁式 光纤式 陀螺仪 动量矩指北 动量矩指南 动量矩指北 无动量矩 控制设备 重心下移 液体连通器 阻尼设备 液体阻尼器 西侧重物
电磁摆力矩器 角速度传感器
第六节 光纤陀螺罗经
Navigat 2100陀螺罗经和姿态基准系统
• 一、Sagnac效应
圆周：L=2πR 弧长：I=ΦR 路径差：△L=2I=2ΦR 相位差：△Φ=2π△L/λ ∵Φ=ΩT=ΩL/c Φ P
P’
R Ω
4RL c
二、 光纤陀螺寻北原理 ----基于捷联式惯导系统
第六节 光纤陀螺罗经
第六节 光纤陀螺罗经
• • • • • • • 四、光纤罗经的特征： 无转动部件 采用固态技术 不用维修 精度高 启动时间短 提供航向、纵摇、横摇信 息
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第六节 光纤陀螺罗经
• • • • • 五、光纤罗经在航海上的应用： 磁罗经校差的新手段 对航行中的船舶进行监控 丰富船舶操纵理论与实践 可推动相关规则、规定等的修改 和制定 • 进一步推动船舶驾驶自动化的发 展
x 1 con e con con y 1 sin e con sin z陀螺罗经
光纤陀螺原理
光纤陀螺原理
光纤陀螺是一种基于光学原理的惯性测量装置，用于测量和感知角速度。
它利用光线在光纤中的传输特性来实现精确的陀螺效应。
在光纤陀螺中，光信号被一个光源产生，并由光纤传输到光接收器。
光信号在光纤中以一定的速度传输，当光纤被转动时，光信号的传播路径会发生变化。
这个变化会引起传输速度的微小改变，进而产生一个相位差。
通过测量这个相位差，可以得到光纤陀螺所受到的转动角速度。
具体而言，光纤陀螺通过分析光信号的相位差，并利用相关的计算算法，将相位差转换为角速度的测量结果。
在光纤陀螺中，有两种光纤的布局方式，分别是光纤环路和光纤两芯。
光纤环路是将光纤以一个环状的方式布置在装置中，用来增强相位差的检测。
光纤两芯则是采用两根光纤互相配对，通过相对传输速度的差异来测量角速度的变化。
光纤陀螺作为高精度的角速度测量装置，广泛应用于惯性导航、航空航天、汽车导航、地震监测等领域。
它具有响应速度快、精度高、抗干扰性强等特点，并且不需要接触物体，可以在复杂环境下进行准确的测量。
光纤陀螺仪及其应用
光纤陀螺仪及其应用引言光纤陀螺仪是一种基于光纤技术制造的高精度陀螺仪，具有广阔的应用前景。
它在现代科技领域，如测量速长、角速度、导航系统、机器人控制等方面发挥着越来越重要的作用。
本文将详细介绍光纤陀螺仪的基本原理及在各领域的应用，并展望其未来发展。
光纤陀螺仪的基本原理光纤陀螺仪主要利用光的干涉原理来测量角速度。
在光纤陀螺仪中，激光束被分成两路，分别沿不同的路径传输，然后再合并。
当光纤环路中存在角速度时，两路光束的相位差会发生变化，通过测量相位差即可计算出角速度。
关键技术包括光捕捉、光路传输及数字信号处理等。
光纤陀螺仪的应用领域1、测量速长：光纤陀螺仪可以用于测量物体的速度和长度。
通过测量物体在不同位置的速度，结合光纤陀螺仪的高精度测角技术，可以计算出物体的长度。
2、角速度：光纤陀螺仪在军事、航空航天、无人驾驶等领域中被广泛应用于测量角速度。
例如，在导弹制导、无人机飞行控制、车船驾驶等场景中，需要精确的角速度信息来确保精确打击或安全行驶。
3、导航系统：光纤陀螺仪是惯性导航系统中的重要组成部分。
在卫星导航系统中，光纤陀螺仪可以提供高精度的角速度和加速度信息，与卫星信号相结合，实现更加精确的导航。
4、机器人控制：在机器人控制领域，光纤陀螺仪可以用于监测机器人的姿态和角速度，以确保机器人的精确动作和稳定运行。
特别是在一些恶劣环境（如高温、低温、强电磁场等）中，光纤陀螺仪更是具有其他类型陀螺仪无法比拟的优势。
光纤陀螺仪的未来展望随着科技的不断发展，光纤陀螺仪的技术也在不断进步。
未来，光纤陀螺仪将朝着更高精度、更小体积、更低成本、更高可靠性方向发展。
同时，随着5G、物联网、人工智能等技术的快速发展，光纤陀螺仪的应用场景也将越来越广泛。
市场潜力巨大，为光纤陀螺仪的发展带来了更多的机会和挑战。
结论光纤陀螺仪作为一种重要的传感器，在测量速长、角速度、导航系统、机器人控制等领域中具有广泛的应用。
本文详细介绍了光纤陀螺仪的基本原理及在各领域的应用，并展望了其未来的发展。
国内船用光纤陀螺罗经最新技术发展
收 稿 日 期 ：２０２００８２０；修 回 日 期 ：２０２１０２２０。 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （４１５０６２２，４１８７６２２２）。 作 者 简 介 ：卞 鸿 巍 （１９７２－ ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 研 究 方 向 为 惯 性 导 航 技 术 。 通 信 作 者 ：马 恒 （１９７８－ ），男 ，讲 师 ，博 士 ，ｍｋｇｇｒｒ２００４＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ。
不可否认，国 内 光 纤 陀 螺 罗 经 的 技 术 发 展 受 到了法国 Ｏｃｔａｎｓ等 国 外 船 用 产 品 的 有 力 刺 激 和 牵引。由表１可以十分清楚地看到光纤陀螺罗经
２．１ 光 纤 陀 螺 技 术 进 一 步 提 高
光纤陀螺是光纤陀螺罗经的核心部件。过去 ６年是国内光纤陀螺器件性能提升的关键时期，
≤３０ ≤５
≤０．１
≤０．２３．０１
－１５～６０
－２０～５５ －２０～５５
±７８
±８５ 未说明
４００００ Ｓｐｅｒｒｙ／美
１５００００ ｉＸＢｌｕｅ／法 １０００００ ｉＸＢｌｕｅ／法
根据上述分析，为清晰体现设备的功能内涵， 具有高精度、快启动、高可靠性的技术特点。经过 船用光纤陀螺罗 经 可 定 位 为 “船 用 长 航 时 高 精 度 国内惯性技术界 的 不 懈 努 力，目 前 国 内 船 用 光 纤
列罗经（九江４４１ 厂 生 产）属 于 德 国 安 修 斯 罗 经， 经典的 ＤＨ 系列电控罗经（上海４４２厂生产）属于 斯佩里罗经，而 ＣＬＰ 系 列 电 控 罗 经 （重 庆 ４５５ 厂 生产）则属于阿玛布朗罗经 。 ［２］
除陀螺罗经 外，早 期 的 水 平 仪 也 采 取 摆 与 陀 螺 的 结 合 ，通 过 摆 测 量 水 平 信 息 反 馈 控 制 陀 螺 ，实 现水平保持 功 能。在 此 基 础 上，由 于 技 术 和 需 求 发 展 ，方 位 仪 与 水 平 仪 二 者 进 行 了 融 合 ，产 生 了 方 位水平仪［３］，并最早出现在船用武器系统，应用 于 火炮的稳定控制。１９４５年 之 后，通 过 与 航 海 罗 经 的 融 合 设 计 ，产 生 了 平 台 罗 经 ，国 外 称 其 为 稳 定 罗 经（ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｇｙｒｏｃｏｍｐａｓｓ）［４］。 这 型 罗 经 具 备 三 轴 稳 定 平 台，可 以 指 示 船 舶 三 维 的 航 向 和 姿 态。 随着技术发展，平 台 罗 经 逐 渐 采 用 加 速 度 计 替 代
光纤陀螺仪的原理
光纤陀螺仪的原理今天来聊聊光纤陀螺仪的原理，这个东西可真是高科技的产物呢。
你有没有想过，在咱们生活中，有时候咱们闭着眼原地转几圈，停下来之后就感觉晕头转向的，都不知道自己面向哪个方向了。
其实啊，这就和方位感的测定有关。
而光纤陀螺仪呢，就像是一个超级精确的“小指南针”，不过它可不是靠地球磁场来工作的，而是靠着光。
咱们先来说说光纤。
光纤就像一根超级细又超级透明的小管道，光在这个小管道里面跑。
光纤陀螺仪里面呢，有一束光沿着光纤线圈在跑。
当这个光纤陀螺仪静止的时候，光就沿着这个光纤一圈一圈地跑，没什么特殊情况。
这就好比在一个平静的环形跑道上，运动员（光）就按照既定的路线稳稳地跑着。
这就要说到一个很重要的原理啦，叫萨格纳克效应。
当这个光纤陀螺仪开始转动的时候，事情就变得有意思了。
光沿着顺时针和逆时针跑的路程好像就不一样了呢。
打个比方，就好像我们在一个旋转的圆盘上，有两个人同时反向沿着圆盘的边缘跑步。
圆盘一转起来，朝着圆盘转动方向跑的人，他跑过的路程就比逆着圆盘转动方向跑的人长啦。
光也是这样，由于光纤陀螺仪转动，顺时针和逆时针传播的光就产生了相位差。
老实说，我一开始也不明白这个相位差到底意味着什么。
后来我才知道，这个相位差就能告诉我们这个陀螺仪转动的角速度和方向。
就像我们知道了两个跑步的人的路程差，就能算出圆盘的转动速度和转动方向一样。
光纤陀螺仪这玩意儿用处可大了。
比如说在飞机导航里。
飞机在空中要确定自己的飞行方向啊姿态这些重要信息。
光纤陀螺仪就能高精度地检测出飞机哪怕是非常微小的转向角度变化。
这样飞机就能一直沿着正确的航线飞行啦。
延伸思考一下呢，光纤陀螺仪现在精度这么高，但是随着科技发展，是不是还能更精确呢？毕竟在一些超精细的航空航天任务或者深海探测里，再微小的角度误差都可能带来大问题。
我觉得这也是科研人员不断探索的方向。
我在这里也就分享了一点我对光纤陀螺仪原理的理解啦，不知道大家有没有不同的见解或者还有别的什么疑问呢？欢迎大家一起来讨论呀。
光纤陀螺原理.共29页
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
光纤Байду номын сангаас螺原理.
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
光纤陀螺罗经原理
四、罗经主轴阻尼运动的有关参数： a
TD
a
0
1
a2
t
M
（W）
N M’
（E）
3. 罗经稳定时间t的估算:
某液体阻尼器罗经双转子摆式罗经的阻尼因数f=3, TD=90min。若起始时主轴的偏东最大方位角α1＝180º，
f=a1/a2=a3/a4=…=an/an+1 M
1个TD/2=45min， 偏西α2＝180º/3= 60º
（W）
N M’
（E）
2个 TD/2=45min， 偏东α3＝60º/3= 20º,…
…约5个TD/2，即5×TD/2 =3h45min的时间，主轴摆动到 偏西最大方位角α6＝0.75º左右, 此时认为指向精度已满足航海要 求。
3. 罗经稳定时间t的估算:
某液体阻尼器罗经双转子摆式罗经的阻尼因数f=3, TD=90min。若起始时主轴的偏东最大方位角α1＝180º，
1.特点
取消了常平架(稳定平台)， 而将光纤陀螺和加速度计直接 固连在船体上。
对于一般的陀螺罗经,船舶 上流动的地理坐标系（t系）是 平台坐标系（p系）模拟的。
而捷联式平台罗经的平台 坐标系（p系）是导航计算机 内算出的。
Z
GZ GY Y
o
GX X
第六节 光纤陀螺罗经
八、捷联航向姿态基准系统
选取东－北－天地理坐标 系（t系）Oxtytzt作为参考系，
ΔL= LB -LS=2I =2R Φ
若光纤线圈以Ω的角 速度顺时针旋转.
Φ
R Ω
P
figure 2
第六节 光纤陀螺罗经
四、光纤陀螺仪工作原理 1. 沙格奈克(sagnac)相移效应 相位差为：
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第六节 光纤陀螺罗经
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• • • • • • • 四、光纤罗经的特征： 无转动部件 采用固态技术 不用维修 精度高 启动时间短 提供航向、纵摇、横摇信 息
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• • • • • 五、光纤罗经在航海上的应用： 磁罗经校差的新手段 对航行中的船舶进行监控 丰富船舶操纵理论与实践 可推动相关规则、规定等的修改 和制定 • 进一步推动船舶驾驶自动化的发 展
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第一章 小结
罗经种类 下重式 液体连通器 式 电磁式 光纤式 陀螺仪 动量矩指北 动量矩指南 动量矩指北 无动量矩 控制设备 重心下移 液体连通器 阻尼设备 液体阻尼器 西侧重物
电磁摆力矩器 角速度传感器
x 1 con e con con y 1 sin e con sin z 2 e sin度，转换成数字信号后送 至计算机中进行实时的姿态矩阵解算，可以算 出船舶的姿态角之一的航向的大小。
第六节 光纤陀螺罗经
Navigat 2100陀螺罗经和姿态基准系统
• 一、Sagnac效应
圆周：L=2πR 弧长：I=ΦR 路径差：△L=2I=2ΦR 相位差：△Φ=2π△L/λ ∵Φ=ΩT=ΩL/c Φ P
P’
R Ω
4RL c
二、 光纤陀螺寻北原理 ----基于捷联式惯导系统
• 惯性导航系统是利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信 息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式船位推算导航 系统，有时简称惯导。
二、 光纤陀螺寻北原理 ----基于捷联式惯导系统
载体的参考北向沿水平面的地球自转角速度分量为：
N con e con con
已知： e ----地球自转角速度 ----载体所在地地理纬度 由陀螺仪测得： 计算： θ----载体的参考北向(沿水平面)与真北方向的夹角
二、 光纤陀螺寻北原理 ----基于捷联式惯导系统
已知： ----陀螺常值漂移误差 ----采样时刻的陀螺时漂 因寻北时间较短，可近似认为
二、 光纤陀螺寻北原理 ----基于捷联式惯导系统
此方法消除了陀螺漂移误差，适用于 陀螺主轴与水平面平行的情况
三、船用光纤陀螺罗经
通常采用三个光纤陀螺仪 • 其旋转轴分别与船舶坐标系的三根轴相对应 • 通过测量和平面电子感应器输出的信号，能克服地球 自转角速度的影响，实现自动找北、指北。 当船静止时，可得三轴的角速度：