光纤陀螺仪原理及其工程应用
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• 总体而言 ,我国在光纤陀螺关键技术及实用化上与国外先进水平相比
仍有较大差距。光纤陀螺技术将成为 21世纪惯性技术重点发展方向 , 必将在我国获得更大发展 ,在军民两用领域得到更广泛应用。
光纤陀螺仪的工程应用
战术导弹制导 航天器姿态调整 卫星定位 精密航天器应用
1.战略导弹系统和潜艇导航应用；2.卫星定向和跟踪；3.战术武器制导与控制系统；4.各种运载火箭应用；5.姿态／航向基 准系统； 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航；7.陆地导航系统(+GPS)；8.天体观测望远镜的稳定和调向；9.汽车导航仪 、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业和民用领域。
效应。再通过角速度的时间积分即可确定旋转体的角位置或方位角。
光纤陀螺仪的分类
01 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG) 02 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG) 03 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
光纤陀螺仪的分类
• 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目
前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，
若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转 动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差， 其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应 的相位差的信息，即可得到旋转角速度。
光纤陀螺仪的工作原理
在一闭合回路中，沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束光光程差 L 与闭合回路的旋转角速度门及回路面积A成正比，与真空中的光速成C 0 反比，即：
02
光纤陀螺仪的分类
• 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，又称光 纤环形激光陀螺(F-RLG)，或受激布里渊散射光纤环形激 光陀螺(B-FRLG) 。
03
光纤陀螺仪的发展现状
• 光纤陀螺的发展是日新月异的。许多大公司出于对其市场前景的看好，
也纷纷加入到研究开发的行列中来。由于光纤陀螺在机动载体和军事 领域的应用甚为理想，因此各国的军方都投入了巨大的财力和精力。
轻质复合材料光纤陀螺仪在航天工程的应用
2014年，Japan Aerospace Exploration Agency （JAXA） 研究的碳纤维增强塑料 （carbon fiber reinforced plastic）FOG。 通过CFRP的 低热膨胀，低导热性和高机械 性能提高了传感器的性能。 此 外，CFRP的低密度可以显着 降低FOG的结构重量，这在空 间应用中至关重要。
目录
CONTENTS
Part 01 /光纤陀螺仪的定义 Part 02 /光纤陀螺仪基本原理 Part 03 /光纤陀螺仪的分类 Part 04 /光纤陀螺仪的发展现状 Part 05 /光纤陀螺仪的工程应用
光纤陀螺仪的定义
光纤陀螺仪的实体图
光纤陀螺仪是光学陀螺仪的一种。所谓光学陀螺仪就是利用萨格纳克( Sagnac)效应构成的陀螺仪。由于光学陀螺仪不 像传统陀螺那样，依靠自转子的动量矩来敏感角运动。所以国外也把这类陀螺定义为非陀螺仪角运动敏感器。
• 目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方
面取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数 高精度产品也开始在军方进行装备调试。
• 美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有
多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工大学为代表 的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公 司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和 Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。
光纤陀螺仪具有的优点
仪器牢固稳定，耐冲击 结构简单，价格低廉 检测灵敏度和分辨率高 动态范围极宽 寿命长，信号稳定可靠 瞬时启动
光纤陀螺仪的工作原理
Sagnac效应
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效 应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应， 即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的 方向进行传播，最后汇合到同一探测点。
轻质复合材料光纤陀螺仪在航天工程的应用
轻质复合材料光纤陀螺仪在航天工程的应用
由于是在外太空的空间环境下使用的姿态控制传。感器，除了低热膨胀，低热导率 以外，FOG还需要具有重量小和能抗发射振动的破坏性， 并具有高刚度以抑制Shupe 效应。 CFRP满足所有这些要求，表明CFRP是未来FOG的强大候选材料。
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光纤陀螺仪的发展现状
• 到目前为止 ,光纤陀螺已从供战术应用的低精度型向导航用的中精度
和高精度型发展 ,以光纤陀螺为基础的惯性系统也开始在越来越多的 场合得到应用。
• 随着我国工业现代化的发展 ,各领域对光纤陀螺的需求越来越大。北
京理工大学、北京航空航天大学等都开展了光纤陀螺的研制并取得了 较大的成果。
01 一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提 供较高的精度。 按照检测相位的方法可分为 开环型（左图）和闭环型（右图）
光纤陀螺仪的分类
• 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用环
形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因 此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源来增 强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应， 如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。
光纤陀螺仪的工作原理
实际的光纤陀螺闭合回路是由N圈光纤绕制而成的，则积累的光程差 为：
相应的Sagnac相位差为：
式中， 0 为真空中的波长；A为一圈光纤所包围的面积
Fra Baidu bibliotek纤陀螺仪的工作原理
设光纤圈直径为D；L为光纤敏感环的光纤总长度，则：
式中：
被称为比例因子，它表征光纤陀螺灵敏度的大小。所
以通过检测相位差 s ，就可以确定旋转角速度力 ，这就Sagnac
仍有较大差距。光纤陀螺技术将成为 21世纪惯性技术重点发展方向 , 必将在我国获得更大发展 ,在军民两用领域得到更广泛应用。
光纤陀螺仪的工程应用
战术导弹制导 航天器姿态调整 卫星定位 精密航天器应用
1.战略导弹系统和潜艇导航应用；2.卫星定向和跟踪；3.战术武器制导与控制系统；4.各种运载火箭应用；5.姿态／航向基 准系统； 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航；7.陆地导航系统(+GPS)；8.天体观测望远镜的稳定和调向；9.汽车导航仪 、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业和民用领域。
效应。再通过角速度的时间积分即可确定旋转体的角位置或方位角。
光纤陀螺仪的分类
01 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG) 02 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG) 03 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
光纤陀螺仪的分类
• 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目
前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，
若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转 动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差， 其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应 的相位差的信息，即可得到旋转角速度。
光纤陀螺仪的工作原理
在一闭合回路中，沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束光光程差 L 与闭合回路的旋转角速度门及回路面积A成正比，与真空中的光速成C 0 反比，即：
02
光纤陀螺仪的分类
• 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，又称光 纤环形激光陀螺(F-RLG)，或受激布里渊散射光纤环形激 光陀螺(B-FRLG) 。
03
光纤陀螺仪的发展现状
• 光纤陀螺的发展是日新月异的。许多大公司出于对其市场前景的看好，
也纷纷加入到研究开发的行列中来。由于光纤陀螺在机动载体和军事 领域的应用甚为理想，因此各国的军方都投入了巨大的财力和精力。
轻质复合材料光纤陀螺仪在航天工程的应用
2014年，Japan Aerospace Exploration Agency （JAXA） 研究的碳纤维增强塑料 （carbon fiber reinforced plastic）FOG。 通过CFRP的 低热膨胀，低导热性和高机械 性能提高了传感器的性能。 此 外，CFRP的低密度可以显着 降低FOG的结构重量，这在空 间应用中至关重要。
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CONTENTS
Part 01 /光纤陀螺仪的定义 Part 02 /光纤陀螺仪基本原理 Part 03 /光纤陀螺仪的分类 Part 04 /光纤陀螺仪的发展现状 Part 05 /光纤陀螺仪的工程应用
光纤陀螺仪的定义
光纤陀螺仪的实体图
光纤陀螺仪是光学陀螺仪的一种。所谓光学陀螺仪就是利用萨格纳克( Sagnac)效应构成的陀螺仪。由于光学陀螺仪不 像传统陀螺那样，依靠自转子的动量矩来敏感角运动。所以国外也把这类陀螺定义为非陀螺仪角运动敏感器。
• 目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方
面取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数 高精度产品也开始在军方进行装备调试。
• 美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位。目前美国国内已经有
多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工大学为代表 的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的大公 司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和 Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。
光纤陀螺仪具有的优点
仪器牢固稳定，耐冲击 结构简单，价格低廉 检测灵敏度和分辨率高 动态范围极宽 寿命长，信号稳定可靠 瞬时启动
光纤陀螺仪的工作原理
Sagnac效应
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效 应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应， 即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的 方向进行传播，最后汇合到同一探测点。
轻质复合材料光纤陀螺仪在航天工程的应用
轻质复合材料光纤陀螺仪在航天工程的应用
由于是在外太空的空间环境下使用的姿态控制传。感器，除了低热膨胀，低热导率 以外，FOG还需要具有重量小和能抗发射振动的破坏性， 并具有高刚度以抑制Shupe 效应。 CFRP满足所有这些要求，表明CFRP是未来FOG的强大候选材料。
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光纤陀螺仪的发展现状
• 到目前为止 ,光纤陀螺已从供战术应用的低精度型向导航用的中精度
和高精度型发展 ,以光纤陀螺为基础的惯性系统也开始在越来越多的 场合得到应用。
• 随着我国工业现代化的发展 ,各领域对光纤陀螺的需求越来越大。北
京理工大学、北京航空航天大学等都开展了光纤陀螺的研制并取得了 较大的成果。
01 一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提 供较高的精度。 按照检测相位的方法可分为 开环型（左图）和闭环型（右图）
光纤陀螺仪的分类
• 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用环
形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度，因 此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源来增 强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄生效应， 如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。
光纤陀螺仪的工作原理
实际的光纤陀螺闭合回路是由N圈光纤绕制而成的，则积累的光程差 为：
相应的Sagnac相位差为：
式中， 0 为真空中的波长；A为一圈光纤所包围的面积
Fra Baidu bibliotek纤陀螺仪的工作原理
设光纤圈直径为D；L为光纤敏感环的光纤总长度，则：
式中：
被称为比例因子，它表征光纤陀螺灵敏度的大小。所
以通过检测相位差 s ，就可以确定旋转角速度力 ，这就Sagnac